现代物理学未解之谜_风闻

原创：牧夫天文

文章来源：Space.com

原作：Paul Sutter

翻译：周禹丰

校译：牧夫天文校对组

编排：姚顺仪

后台：库特莉亚芙卡 李子琦

原文链接：

https://www.space.com/problems-modern-physics-universe-mysteries.html

阿贝尔星系团（Abell 1689）因在引力透镜现象中弯曲光线的方式而广为人知。针对该星系团的研究揭示了暗能量构造宇宙的秘密。

Image Credit: NASA, ESA, E. Jullo (JPL/LAM), P. Natarajan (Yale) and J-P. Kneib (LAM)

现代物理学有很多值得全人类骄傲的成就：量子理论对三大基本力的诠释；通过时空弯曲的方式对引力所做的美妙阐述；以及对宇宙膨胀千百年的历史的理解。

物理学家们应该为达到了如此成就感到自豪。这些真不是容易事。

但是仍有许多谜团尚待解决，有时候我们甚至觉得现在比100年之前更加黑暗、迷惘。不如现在就来探究一下现代物理学仍在尝试着解释的一些问题吧。

大一统

1900年代早期是那么的简单又和谐。当时已有的理论有电磁学，它优雅又巧妙地统一了我们对电学、磁学和辐射的理解；还有牛顿经典力学，它为诠释运动提供了坚实基础。这两座“柱子”支撑起了当时物理学的世界。一切都显得那么完美。

后来，阿尔伯特·爱因斯坦等科学家出现了，破坏了这表面的祥和。狭义相对论的诞生让我们重新书写对时间、空间、距离、速度的定义。量子力学的提出让我们不得不坐下来好好思考一切最基本的现实。

于是物理学家开始了一场大规模的统一战，尝试着把所有的物理定律归结到一起。他们基本上取得了胜利：狭义相对论与引力相结合产生了广义相对论，又与量子力学融合得到了量子场论，完善了我们对电磁力的理解。在这之后，又有了强核力弱核力的概念。

人类并没有就此止步。1950年代的实验和理论揭示了电磁力和弱核力实际上是同一个“电弱”硬币上的两面——这两种力会在能量强大的情况下合并成一种物质。这还没完，所谓的“大统一理论（Grand Unified Theories）”将强核力也并入其中。

最后一个独立存在的力就是引力了。直到今天，距当时已经过了数十年，我们还是没能在量子层面对引力进行描述。科学家们呕心沥血，但每次试着把量子理论应用到困扰爱因斯坦的引力的时候，整个计算过程都不受控制，就连可靠的预测都没法提出。

究竟是为什么？谁知道呢。

怎么才能解决这个问题？还是没人知道。

为什么是我们的宇宙？

一些物理常量规定限制了我们的日常生活，比如光速、单个电子带电量、弱核力强度等。总的来说，为了让标准模型（the Standard Model）—解释四大基本力中的三个和所有构成世界的基本粒子的一套量子框架——发挥作用，必须要代入大约18个常量。

标准模型本身解释不了为什么自然界存在现在的四种力，为什么存在整个粒子体系，以及为什么那些力和粒子以现在的方式相互作用。基本上所有以“为什么”开头的问题它都不能回答。

实际上，标准模型背后的数学机制就是如此，如果不用实验的方式测量并且代入这个公式的要点，整个计算过程就会崩塌。离开了几个常量，我们的数学就失去了预测的能力，这个事实确实令人有点沮丧。

解出力的强度尤其麻烦，特别是引力。引力简直弱到尴尬：它比弱核力还弱了亿万倍。好好想想吧，引力比一个名字里有“弱”的力还要再弱！

这是为什么呢？这个问题被称作“层级问题（the hierarchy problem）”。目前还没有答案，只是给问题起了一个名字。

暗夜前行

我们遇到的困难还不止是为四大基本力的统一、可疑的数学计算结果、及粒子对撞机展示的奇怪现象提供理论解释。几十年以前，天文学家大概是觉得我们遇到的问题还不够多，又往宇宙里扔了新东西：暗物质。

我们知道暗物质一定存在：在哪里都能找到证据，从恒星在星系中的运动到宇宙诞生初期留下的光芒。虽然我们对暗物质的运作规律有了不少的理解，但至今没有绳之以法，只能在它的引力效应中探测到些许踪迹。天文学家怀疑这是一种充满了整个宇宙的新粒子，迄今为止不被标准模型所认知，但不通过电磁力的方式作用，所以完全不可观测。

然后又有了暗能量。

在1990年代后期，天文学家发现宇宙的膨胀速度正在加快，并且在一系列的观测之后，这种理论得到了广泛支持。

但科学家们对究竟是什么导致了这种现象毫无头绪。

我们提出的最有可能的猜测是：这可能与空无一物的时空本身锁住的能量有关。但人类最简单、最天真的计算估量的暗能量，大约比实际值大了10120个量级。

糟糕。

所以这成了一大谜题。目前能够肯定的是，在最宏观、最庞大的层面上，我们对引力的理解是没有错误的，所以任何引起暗能量的物质一定会成为宇宙的新的主要元素。

如果想知道更多关于我们确定了宇宙膨胀在加速的细节，那就是：我们亏了。但至少我们在未来很长一段时间内都有研究可做，饭碗是保住了。

『天文时刻』 牧夫出品

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Image Credit: Image data: NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS⁣