現代物理學未解之謎_風聞

原創：牧夫天文

文章來源：Space.com

原作：Paul Sutter

翻譯：周禹豐

校譯：牧夫天文校對組

編排：姚順儀

後台：庫特莉亞芙卡 李子琦

原文鏈接：

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

阿貝爾星系團（Abell 1689）因在引力透鏡現象中彎曲光線的方式而廣為人知。針對該星系團的研究揭示了暗能量構造宇宙的秘密。

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

現代物理學有很多值得全人類驕傲的成就：量子理論對三大基本力的詮釋；通過時空彎曲的方式對引力所做的美妙闡述；以及對宇宙膨脹千百年的歷史的理解。

物理學家們應該為達到了如此成就感到自豪。這些真不是容易事。

但是仍有許多謎團尚待解決，有時候我們甚至覺得現在比100年之前更加黑暗、迷惘。不如現在就來探究一下現代物理學仍在嘗試着解釋的一些問題吧。

大一統

1900年代早期是那麼的簡單又和諧。當時已有的理論有電磁學，它優雅又巧妙地統一了我們對電學、磁學和輻射的理解；還有牛頓經典力學，它為詮釋運動提供了堅實基礎。這兩座“柱子”支撐起了當時物理學的世界。一切都顯得那麼完美。

後來，阿爾伯特·愛因斯坦等科學家出現了，破壞了這表面的祥和。狹義相對論的誕生讓我們重新書寫對時間、空間、距離、速度的定義。量子力學的提出讓我們不得不坐下來好好思考一切最基本的現實。

於是物理學家開始了一場大規模的統一戰，嘗試着把所有的物理定律歸結到一起。他們基本上取得了勝利：狹義相對論與引力相結合產生了廣義相對論，又與量子力學融合得到了量子場論，完善了我們對電磁力的理解。在這之後，又有了強核力弱核力的概念。

人類並沒有就此止步。1950年代的實驗和理論揭示了電磁力和弱核力實際上是同一個“電弱”硬幣上的兩面——這兩種力會在能量強大的情況下合併成一種物質。這還沒完，所謂的“大統一理論（Grand Unified Theories）”將強核力也併入其中。

最後一個獨立存在的力就是引力了。直到今天，距當時已經過了數十年，我們還是沒能在量子層面對引力進行描述。科學家們嘔心瀝血，但每次試着把量子理論應用到困擾愛因斯坦的引力的時候，整個計算過程都不受控制，就連可靠的預測都沒法提出。

究竟是為什麼？誰知道呢。

怎麼才能解決這個問題？還是沒人知道。

為什麼是我們的宇宙？

一些物理常量規定限制了我們的日常生活，比如光速、單個電子帶電量、弱核力強度等。總的來説，為了讓標準模型（the Standard Model）—解釋四大基本力中的三個和所有構成世界的基本粒子的一套量子框架——發揮作用，必須要代入大約18個常量。

標準模型本身解釋不了為什麼自然界存在現在的四種力，為什麼存在整個粒子體系，以及為什麼那些力和粒子以現在的方式相互作用。基本上所有以“為什麼”開頭的問題它都不能回答。

實際上，標準模型背後的數學機制就是如此，如果不用實驗的方式測量並且代入這個公式的要點，整個計算過程就會崩塌。離開了幾個常量，我們的數學就失去了預測的能力，這個事實確實令人有點沮喪。

解出力的強度尤其麻煩，特別是引力。引力簡直弱到尷尬：它比弱核力還弱了億萬倍。好好想想吧，引力比一個名字裏有“弱”的力還要再弱！

這是為什麼呢？這個問題被稱作“層級問題（the hierarchy problem）”。目前還沒有答案，只是給問題起了一個名字。

暗夜前行

我們遇到的困難還不止是為四大基本力的統一、可疑的數學計算結果、及粒子對撞機展示的奇怪現象提供理論解釋。幾十年以前，天文學家大概是覺得我們遇到的問題還不夠多，又往宇宙裏扔了新東西：暗物質。

我們知道暗物質一定存在：在哪裏都能找到證據，從恆星在星系中的運動到宇宙誕生初期留下的光芒。雖然我們對暗物質的運作規律有了不少的理解，但至今沒有繩之以法，只能在它的引力效應中探測到些許蹤跡。天文學家懷疑這是一種充滿了整個宇宙的新粒子，迄今為止不被標準模型所認知，但不通過電磁力的方式作用，所以完全不可觀測。

然後又有了暗能量。

在1990年代後期，天文學家發現宇宙的膨脹速度正在加快，並且在一系列的觀測之後，這種理論得到了廣泛支持。

但科學家們對究竟是什麼導致了這種現象毫無頭緒。

我們提出的最有可能的猜測是：這可能與空無一物的時空本身鎖住的能量有關。但人類最簡單、最天真的計算估量的暗能量，大約比實際值大了10120個量級。

糟糕。

所以這成了一大謎題。目前能夠肯定的是，在最宏觀、最龐大的層面上，我們對引力的理解是沒有錯誤的，所以任何引起暗能量的物質一定會成為宇宙的新的主要元素。

如果想知道更多關於我們確定了宇宙膨脹在加速的細節，那就是：我們虧了。但至少我們在未來很長一段時間內都有研究可做，飯碗是保住了。

『天文時刻』 牧夫出品

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佈滿風暴的木星北半球

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