物理中的九個潘多拉魔盒

1900年，英國物理學家開爾文勳爵曾經斷言：「物理學中已經沒有什麼可發現的了。

剩下的工作只是不斷地提高精確度。

」但是三十年後，量子力學和愛因斯坦的相對論使這個領域發生了革命性的變化。

今天，沒有物理學家敢宣稱我們對宇宙已經全然了解。

恰恰相反，每一次新發現，都會打開一個更大、隱藏著更深層疑問的潘多拉魔盒。

暗能量

不管天體物理學家怎麼計算，都無法拼湊出一個完整的宇宙。

即便引力在時空體中不斷地把宇宙向回拉，宇宙的結構仍然在越來越快地向外擴展。

為了解決這個問題，天體物理學家設想存在一種看不見的反引力載體，是它在不斷地把時空推向解體。

他們把這種東西叫「暗能量」。

在一種人們普遍接受的暗能量模型中，暗能量是一種「宇宙常量」：一種空間本身固有的特點，能夠產生一種「負壓」，使空間不斷地擴大。

隨著空間的不斷擴張，會有更多的空間產生出來，因而空間固有的暗能量也會越來越多。

基於對宇宙膨脹速度的觀測，科學家已經知道，所有暗能量加起來，占到了宇宙總量的70%以上。

然而無人知曉該如何尋找暗能量。

暗物質

很明顯，宇宙物質總量的84%既不吸收光，也不發光。

「暗物質」，正如其名，無法被直接看到，也從未被間接檢測到。

我們只是從它施加在可見物質、輻射和宇宙結構上的引力效應，來推斷暗物質的存在和特點。

據信這種虛無縹緲的物質散布在星系外圍，它們可能是由「弱相互作用重粒子（WIMP）」構成的。

人們在全球各地設置了多個傳感器，來尋找這種粒子，但是到目前為止，一個也沒發現。

時間之箭

時間之所以會向前推進，是因為宇宙的一種屬性——「熵」，大致可以理解為無序的程度——只會增加，因此無法在事件發生之後使熵反轉。

熵的增加是一個邏輯問題：無序排列的粒子比有序排列的粒子要多，因此隨著事件發生變化，它們會趨向於走向無序。

但是這背後的問題是，為什麼過去的熵如此之低？換句話說，為什麼一個在小空間內塞滿了大能量的嬰兒宇宙會那麼有序？

平行宇宙

天體物理學數據顯示，時空可能是「平坦」的，而不是彎曲的，因此它可能是永恆的。

如果是這樣的話，那麼我們所能看到的這片區域（我們把它當作「宇宙」）只不過是一個無限大的「多元宇宙」中的一小塊。

與此同時，量子力學定律又表明，每一小塊宇宙（可能存在著10^10^122個）中，粒子排列的可能性是有限的。

因此，由於存在著無限多這樣的小塊宇宙，粒子排列的方式在無限多次後，是會重複的。

也就是說存在著無限多個平行宇宙：有與我們完全相同的（存在著和你完全相同的一個人），有與我們只在一個粒子的位置上有差異的，也有與我們在兩個粒子的位置上有差異的，如此一直延續，直至一個與我們完全不同的宇宙。

這個邏輯是不是有錯？如此古怪結果會不會是真的？如果沒錯，那我們又該如何對平行宇宙的存在加以檢驗？

物質和反物質

物質為什麼會比帶相反電荷、自轉方向相反的同胞——反物質多？這實際上也是在問世間的一切為何會存在。

一種假設認為，宇宙對物質和反物質是一視同仁的，如果是這樣的話，那麼在宇宙大爆炸時，會產生相同數量的物質和反物質。

但是如果那樣的話，所有的一切都會徹底湮滅：質子會和反質子湮滅，電子會和反電子（正電子）湮滅，中子會和反中子湮滅，等等，剩下的只會是一片沒有物質的光子之海。

但是事實上物質要多出一點，沒有完全湮滅，因此才有了我們。

為什麼會如此？人們仍然百思不得其解。

宇宙的命運

宇宙的命運非常依賴於一個值——Ω，宇宙物質和能量的密度。

假如Ω大於1，那麼時空就像一個巨大的球體表面那樣，是「封閉」的。

如果沒有暗能量，那麼這樣的宇宙最終會停止膨脹，並開始收縮，最後在所謂的「大擠壓」事件中結束。

如果宇宙是封閉的，但是又存在暗能量，那麼這個球形宇宙會永遠膨脹下去。

如果Ω小於1，那麼空間的幾何學特徵就會像馬鞍那樣，是「開放」的。

如果是這樣，那宇宙會首先發生「大凍結」，然後發生「大撕裂」：宇宙的加速膨張首先會使所有星系和恆星解體，使一切將陷於寒冷和孤寂之中；然後還會進一步發展，連原子也無法再繼續結合在一起，一切都將分崩離析。

如果Ω等於1，宇宙就將會是平坦的，它在各個方向上都會是無限平整的。

如果沒有暗能量，這樣平整的宇宙將會以持續下降的速率膨脹，直到最後達到平衡。

如果存在暗能量，那麼這個平坦的宇宙最終也會經歷失控的膨脹，導致「大撕裂」。

還是順其自然吧。

波函數的塌縮

支配電子、光子和其它基本粒子奇特領域的是量子力學法則。

粒子和小球不同，更像一種在大範圍內存在的波。

每個粒子分布的可能性，都可以用「波函數」來描述。

我們由此獲知的，是它的位置、速度和其它特點的可能性，而非確切數值。

粒子實際上是所有特點的一組數值，直到你通過實驗測量這組數值中的一個——比如位置——當你測量的那一刻，粒子的波函數就「坍縮」了，此時它的位置將是唯一的。

為什麼對粒子的測量會導致它的波函數發生坍縮，並由此產生我們可以理解的現實？這個問題，被稱為量子測量問題，看起來可能非常難懂，但是我們對現實的理解，或者說要探究現實究竟是否存在，都有賴於這個問題的答案。

弦理論

當物理學家把所有基本粒子描述為一維的弧圈，也就是以不同的頻律顫動的「弦」時，物理學變得簡單了。

弦理論允許物理學家把統轄粒子的量子力學與統轄時空的廣義相對論進行調和，並把自然界的四種基本作用力統一在一個框架內。

但是問題在於，要讓弦理論行得通，宇宙就必須存在10至11個維度：三個大的維度，六至七個被壓縮的維度，再加上一個時間維度。

被壓縮的維度，和顫動的弦本身，都存在於比原子核還小十億萬億倍的尺度上。

我們無法對如此小的尺度加以檢驗，因此，弦理論既無法通過實驗被證明，也無法通過實驗被證偽。

渾沌中的秩序

物理學家無法明確地用一組方程對流體行為進行描述，無論是水、空氣，或其它液體和氣體。

實際上，連這方面的通用解決方案，也就是所謂的納維-斯托克斯方程是否存在也是不清楚的，即便有這樣的方案，也不知道它是否能夠對所有的流體進行描述，不知道那裡是否存在著永遠也無法獲知的「奇點」。

因此，我們仍然未能對大自然的混沌狀態有很好地了解。

物理學家和數學家仍然在彷徨，天氣僅僅是難以預測，還是其本身就無法預測？是湍流超越了數學的描述能力，還是我們沒有找到正確的方法？