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笑脸,【前沿物理】物理学中18个最大的未解之谜,功夫熊猫3

1900年,英国物理学家开尔文勋爵曾说过:“现在物理学中没有什么新发现。”剩余的便是越来越准确的丈量。不到30年,量子力学和爱因斯坦的相对论彻底改变了这个范畴。今日,没有一个物理学家敢断语咱们对国际的物理常识现已挨近完结。相反,每一个新发现好像都翻开了一个潘多拉的盒子,里边装着更大、更艰深的物理学问题。这些是咱们对全部问题中最深入的敞开性问题的挑选。

在这篇文章里你将会学到平行国际,为什么时刻好像只朝一个方向移动,为什么咱们不了解混沌等等许多物理学的前沿问题,翻开脑洞吧。

NO.1 暗能量是什么?

不论天体物理学家怎样核算这些数字,国际底子就不会加起来。虽然引力对时空——国际的“结构”——的效果是向内拉,但它向外扩张的速度却越来越快。为了解说这一点,天体物理学家们提出了一种无形的物质,它经过揉捏时空来抵消重力。他们称之为暗能量。在最广泛承受的暗能量模型中,它是一个“国际常数”:空间自身的固有特点,它具有“负压力”驱动空间。跟着空间的扩展,更多的空间被发明出来,随之而来的是更多的暗能量。依据观测到的胀大率,科学家们知道全部暗能量的总和有必要占国际总含量的70%以上。但没有人知道怎样去寻觅它。近年来,最优异的研讨人员在暗笑脸,【前沿物理】物理学中18个最大的未解之谜,功夫熊猫3能量或许躲藏的当地所做的研讨十分有限,这也是2015年8月宣布的一项研讨的主题。

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NO.2 暗物质是什么?

明显,国际中大约84%的物质不吸收或不发光。“暗物质”,就像它被叫的那样,它不能直接被观测到,也还没有被直接探测到。相反,暗物质的存在和性质从它对可见物质、辐射和国际结构的引力效果揣度出来。这种昏暗的物质被以为遍及星系的外围,或许由“弱彼此效果的大质量粒子”或弱彼此效果粒子组成。在国际规模内,有几个探测器在寻觅弱彼此效果大质量粒子,但到现在为止,还没有发现一个。最近的一项研讨标明,暗物质或许在整个国际中形成长而细的溪水,而这些溪水或许像毛发相同从地球上辐射出来。

NO.3 为什么会有时刻之箭?

时刻在行进,由于国际的一个特点叫做“熵”,粗略地界说为无序程度,它只会添加,所以在它发作后,没有办法反转熵的上升。熵添加的实际是一个逻辑问题:粒子的无序摆放比有序摆放要多,因而跟着事物的改变,它们往往会堕入紊乱。但这儿潜在的问题是,为什么熵在曩昔这么低?换句话说,为什么国际从一开端就如此有序,当许多的能量被挤在一小块空间里?

NO.4 有平行国际?

天体物理数据标明,时空或许是“平整的”,而不是曲折的,因而它会一向继续下去。假如是这样的话,笑脸,【前沿物理】物理学中18个最大的未解之谜,功夫熊猫3那么咱们所能看到的区域(咱们以为是“国际”)仅仅一个无限大的“多重国际”中的一个板块。一同,量子力学的规律规矩,只要有限数量的粒子或许装备在每个国际板块(10 ^ 10^ 122不同的或许性)。所以,有许多的宇笑脸,【前沿物理】物理学中18个最大的未解之谜,功夫熊猫3宙板块,其间的粒子摆放被逼重复无限次。这意味着有无限多个平行的国际:国际和咱们的国际板块彻底相同(包含了和你彻底相同的人),以及板块与一个粒子的方位不同,板块与两个粒子的方位不同,等等,直到与咱们的彻底不同。

这种逻辑有什么问题吗,或许它的古怪成果是真的吗?假如这是真的,咱们怎样或许探测到平行国际的存在呢?

NO.5 为什么物质比反物质多?

为什么物质比其双生体,电荷相反和旋转方向相反的反物质要多得多,这实际上是一个关于为什么全部物质都存在的问题。人们假定国际会对称地对待物质和反物质,因而,在大爆炸的那一刻,应该发作等量的物质和反物质。但假如发作这种状况,这两种物质就会彻底湮灭:质子会被反质子抵消,电子会被反电子(正电子)抵消,中子会被反中子抵消,等等,在无物质的宽广空间中,留下一片光子的海洋。由于某些原因,有剩余的物质没有被湮灭,所以才导致咱们诞生在这儿。对此,没有公认的合了解说。2015年8月发布的迄今为止最详细的反物质和反物质差异测验,证明了它们是仙墓陆云互相的镜像,为了解为什么物质要遍及得多这一谜题供给了新途径。

NO.6 国际的命运是什么?

国际的命运很大程度上取决于一个要素的不知道值:,衡量整个国际的物质和能量密度。假如大于1,那么时空将像一个巨大的球体的外表相同“关闭”。假如没有暗能量,这样的国际终究将中止胀大,而是开端缩短,终究坍缩成一个被称为“大紧缩”的作业。假如国际是关闭的,但有暗能量,球形国际将永久胀大。

或许,假如小于1,那么空间将像马鞍那样的几许外表相同的“敞开”。在这种状况下,它的终究命运是“大冻住”,然后是“大撕裂”:首要,国际的向外加快会撕裂星系和恒星,使全部的物质变得冰冷和孤单。接下来,加快度会变得如此之大,以至于它会压倒将原子结合在一同的力的影响,全部都会被歪曲。

假如= 1,国际是平整的,就像一个在全部的方向都无限平整的平面。假如没有暗能量,这样一个平面国际将会永久胀大,但会以不断减速的速度,挨近停止。假如存在暗能量,平整的国际终究将阅历失控的胀大,导致大撕裂。不论成果怎样,国际正在消亡,天体物理学家保罗萨特(Paul Sutter)在2015年12月宣布的一篇文章中详细评论了这一实际。

NO.7 丈量怎样损坏量子波函数?

在电子、光子和其他根本粒子的奇特范畴,量子力学是规律。粒子不像小球那样运动,而是像在一个大区域上传达的波。每个粒子都由一个“波函数”或概率散布来描绘,它通知咱们它的方位、速度和其他特点更或许是什么,而不是这些特点是什么。粒子实际上对全部性质都有一个取值规模,直到你试验丈量其间的一个一call即发——比方它的方位——在这个点上粒子的波函数“坍缩”,它只确认一个方位。

可是,丈量一个粒子的盖尔加朵老公波函数为什么会导致坍缩的,又是怎样导致坍缩的?坍缩是怎样发作咱们以为存在的详细实际国际呢?这个问题,也便是所谓的丈量问题,或许看起来很艰深,可是咱们对实际是什么或许它是否存在的理梁琼月治疗与开释全集解,取决于这个问题的答案。

NO.8 弦理论是正确的吗?

当物理学家假定全部根本粒子实际上都是一维的循环笑脸,【前沿物理】物理学中18个最大的未解之谜,功夫熊猫3,或许“弦”,每一个都以不同的频率振荡,物理学就变得简略多了。弦理论使物理学家能够谐和分配粒子的规律(量子力学)和分配时空的规律(广义相对论),并将自然界的四种根本力气共同为一个单一的结构。但问题是,弦理论只能在一个有10或11个维度的国际中作业:3个大的空间维度,6或7个紧缩的空间维度,以及一个时刻维度。

紧缩的空间维度——以及振荡弦自身——大约是原子核巨细的万亿分之一。没有任何办法能够检测到这么小的东西,所以也没有已知的办法来试验验证或证明弦理论无效。

NO.9 紊乱中有次序吗?

物理学家不能准确地处理描绘流体行为的方程组,从水到空气再到全部其他液体和气体。实际上,咱们不知道所谓的Navier-Stokes方程(简称N-S方程)的通解是否存在,或许,假如存在一个解,它是否描绘了遍地的流体,或许包含内涵不行知的称为奇特点。成果,紊乱的实质并没有被很好地了解。物理学家和数学家都想笑脸,【前沿物理】物理学中18个最大的未解之谜,功夫熊猫3知道,气候仅仅是难以猜测,仍是不行猜测?湍流是否逾越数学描绘,或许当你用正确的数学处理它时,它是否都有含义?

NO.10 国际的全部力共同了吗?

国际阅历四种根本力:电磁力、强核力、弱彼此效果(也称为弱核力)和重力。到现在为止,物理学家们知道,假如你把能量调大到满足的程度——例如,在粒子加快器中——三种力就会“共同”并成为一个单一的力。物理学家现已运转粒子加快江新资讯网器,共同了电磁力和弱彼此效果,在更高的能量下,相同的作业应该发作在强壮的核力和终究的重力上。

可是,虽然理论以为这打工仔挖地窖软禁女孩是必定发作的,但大自然并不总是施惠于人。到现在为止,还没有一种粒子加快器到达满足高的能量,能够用电磁学和弱彼此效果来共同强壮的力。包含重力意味着更多的能量。现在还不清楚科学家是否能造出如此强壮的机器人;坐落日内瓦邻近的大型强子对撞机(LHC),能以万亿电子伏特(约14太电撺组词子伏特)的能量彼此磕碰。要到达大统精门一能,粒子需求至少一万亿倍的能量,因而物理学家只能寻觅这些理论的直接依据。

除了能量问题,许多大共同理论(GUTs)依然存在一些问题,由于它们猜测了迄今为止还没有得到充分利用的其他观测成果。有几个大共同理论说质子在巨大的跨度的时刻后(10 ^ 36年)应该变成其他粒子。这是从未被观察到的,所以质子的继续时刻或许比任何人幻想的要长得多,便是它们永久是安稳的。某些大共同理论的另一种猜测是磁单极的存在——独立的“北极”和“南极”磁极——现在没有人见过其间的一个。有或许咱们仅仅没有满足强壮的粒子加快器。或许,物理学家对国际怎样运转的观念或许是过错的。

NO.11 黑洞内部发作了什么?

假如一个物体被吸入黑洞,它的信息会发作什么改变?依据现在的理论,假如你把一个铁立方体扔进黑洞,就没有办法取得任何信息。这是由于黑洞的引力十分强壮,它的逃逸速度比光速还快——光是国际中速度最快的东西。可是,一个量子力学研讨的科学分支说量子信息是不能被损坏的。芝加哥洛约拉大学的星露谷祝尼魔小屋布局物理学副教授罗伯特麦克尼(Robert McNees)说:“假如你不知怎样地笑脸,【前沿物理】物理学中18个最大的未解之谜,功夫熊猫3把这些信息消除了,就会有费事。”

量子信息与咱们在核算机上存储的1和0或咱们大脑中的东西有点不同。这是由于量子理论没有供给切当的信息,例如,物体的方位,就像在力学中核算棒球的轨道相同。相反,这些理论提醒了最或许发作的方位或某些行为最有或许发作的成果。因而,各种作业的全部概率加起来应该是1,或100%。例如,当你掷一个六面骰子时,一个给定的面呈现的概率是六分之一,所以全部的面的概率加起来等于1,你不能超越百分之百确认某件事会发作。假如您知道一个体系是怎样完毕的,您能够计cosersuki算它是怎样开端的。

要描绘一个黑洞,你需求的是质量、角动量(假如它在旋转)和电荷。黑洞里除了一种叫做霍金辐射的缓慢的热辐射之外,什么也没有。据咱们所知,没有办法经过逆向核算来核算出黑洞究竟吞噬了什么。信息被炸毁。可是,量子理论以为,信息不或许是彻底炸毁,这便是“信息悖论”。

麦克尼斯说,在这个问题上现已有了许多研讨,特别是史蒂芬霍金(已故)和斯蒂芬佩里的研讨。许多人企图处理这个悖论。到现在为止,物理学家们还不能对这个解说达到共同,而且他们很或许会在一段时刻内发作分歧。

NO.12 裸奇点存在吗?

当“事物”的某些性质是无限的时,就会呈现奇特点,因而咱们所知道的物理规律就会失效。在黑洞的中心有一个无穷小和稠密的点(充溢有限的物质),一个被称为奇点的点。在数学中,奇点总是会呈现,除以0是一个比如,坐标平面上的一条垂直线有一个“无限”的斜率。实际上,一条垂直线的斜率是没有界说的。可是奇点是什么姿态的呢?它怎样与国际的其他部分彼此效果?说一个物体没有真实的外表而且无限小是什么意思?

“裸”奇点是一种能够与国际其他部分彼此效果的奇点。黑洞有视界——球形区域,没有任何东西能够逃脱,乃至光也不能。乍一看,你或许会以为裸奇点的问题至少在必定程度上处理了黑洞的问题,由于没有任何东西能脱离视界,奇点也不会影响到国际的其他部分。(能够说,它是“穿上衣服”的,而裸奇点则是一个没有视界的黑洞。)

可是,假如没有视界,奇点能否构成依然是一个悬而未决的问题。假如它们存在,那么阿尔伯特爱因斯坦的广义相对论就需求批改,由于当体系太挨近奇点时,它就会溃散。裸奇点也能够作为虫洞,也便是时刻机器——虽然在自然界中没有依据证明这一点。

NO.13 违背cp对称

假如你把一个粒子和它的反物质兄弟交流,物理规律应笑脸,【前沿物理】物理学中18个最大的未解之谜,功夫熊猫3该坚持不变。举个比如,带正电荷的质子应该和带负电荷的反质子看起来是相同的。这便是电荷对称的原理。假如你左右交流,物理规律应该是相同的。这是奇偶对称。两者在李变芬一同被称为CP对称。大多数时分,这个物理规矩都没有被违背。可是,某些外来粒子违背了这种对称性。McNees说这便是为什么它很古怪。“量子力学不该该有任何违背CP的行为,”他说。“咱们不知道为什么会这样。”

NO.14 当声波发光时

虽然粒子物理问题解说了许多未处理的问题,但在一个台式试验室的设置上能够观察到一些疑团。声波发光便是其间之一。假如你取一些水,用声波碰击它,泡沫就会构成。这些气泡是被高压围住的低压区;外部压力推入低压空气,气泡敏捷坍塌。当这些气泡坍缩时,它们宣布光,闪耀的光继续了万亿分之一秒。

问题是,还远不清楚光源是什么。理论规模从细小的核聚变反应到某些类型的放电,乃至是气泡内部气体的紧缩加热。物理学家们现已丈量了这些气泡内部的高温,温度大约为数万华氏度,并拍照了许多它们发作的光的相片。可是,关于声波是怎样在气泡中发作这些光,并没有很好的解说。

NO.15 逾越规范模型的是什么?

规范模型是最成功的物理理论之一。40年来,它一向经受着试验的检测,新的试验不断证明它是正确的。规范模型描绘了构成咱们周围全部的粒子的行为,并解说了为什么,例如,粒子有质量。实际上,2012年发现的希格斯玻色子(一种赋予物质质量的粒子)是一个具有历史含义的里程碑,由于它证明了对希格斯玻色子存在的长时刻猜测。

但规范模型并不能解说全部。规范模型现已做出了许多成功的猜测——例如希格斯玻色子、W玻色子和Z玻色子(介导了操控放射性的弱彼此效果),以及它们之间的夸克。也便是说,大多数物理学家都以为规范模型并不完好。有几个新的,更完好的模型的竞争者——弦理论便是一个这样的模型——可是到现在为止,没有一个被试验终究证明。

NO.16 根本常数

无量纲常数是没有单位的数。例如,光速是一个根本常数,单位是米每秒(或186,282英里每秒)。与光速不同,无量纲常数没有单位,它们能够丈量,但不能从理论推导出来,而像光速这样的常数能够。

天文学家马丁里斯(Martin Rees)便是一个专心于一些他以为是物理学根底的“无量纲常数”,他的作品《只要六个数字:刻画国际的深层力气》(Basic Books, 2001)。实际上,这些数字远远超越6个;规范模型中大约有25个。

例如,精密的结构常数,一般写成alpha,决议了磁彼此效果的强度。这是约0.007297。使这博伽茹蒙斯个数为奇数的原因是,假如它有任何不同,安稳物质就不存在。另一个是许多根本粒子的质量之比,如电子和夸克,普朗克质量(1.2210^19 GeV / c^2)。物理学家很想弄了解为什么这些特定的数字有它们的价值,由于假如它们十分不同,国际的物理规律就不会答应人类存在。可是,关于为什么他们有这些价值,依然没有令人信服的理论解说。

NO.17 重力究竟是什么?

重力,究竟是什么呢?其他力是由粒子介导的。例如,电磁便是光子的交流。弱核力由W和Z玻色子带着,而胶子带着着将原子核结合在一同的强壮核力。麦克尼斯说,全部其他的力都能够被量化,这意味着它们能够用单个粒子来标明,而且具有非接连的值。

重力好像不是这样的。大多数物理学理论以为,它应该由一个设想的无质量粒子——重力子带着。问题是,还没有人发现过重子,也不清楚是否有任何粒子探测器能够观测到它们,由于假如重子与物质彼此效果,它们就会十分十分十分十分稀有——十分稀有,以至于在背景噪声的效果下它们是不行见的。咱们乃至不清楚重子是否没有质量,虽然假如它们有质量的话,它十分十分十分小——比中微子还要小,中微子是已知的最轻的粒子之一。弦理论假定重子(和其他粒子)是能量的闭合环路,可是数学作业到现在为止还没三千工作可攻略有发作太多的见地。

由于重子还没有被观测到,重力一向抵抗着企图以咱们了解其他力的方法来了解它——作为粒子交流。一些物理学家,特别是Theodor Kaluza和Oskar Klein,以为重力或许是一种额定维度的粒子,超出了咱们所了解的空间(长度、宽度和高度)和时刻(继续时刻)的3个维度,但这是否正确还不得而知微信特别姓名带花印。

NO.18 咱们是否生活在虚伪真空中?

国际好像相对安稳。究竟,它现已存在了约138亿年。但假如整件事是一场大事端呢?

全部都始于希格雪域金翅斯粒子和国际的真空。真空,或许说空的空间,应该是最低的能态,由于里边什么都没有。与此一同,希格斯玻色子——经过所谓的希格斯场——赋予万物质量。加州大学洛杉矶分校的物理学和天文学教授亚历山大库申科(Alexander Kusenko)在《物理学》(Physics)杂志上撰文称,真空的能量状况能够从希格斯场的势能、希格斯粒子的质量和尖端夸克(一种根本粒子)的质量来核算。

到现在为止,这些核算好像标明,国际的真空或许不是处于最低的能量状况。这意味着这是一个虚伪的真空。假如这是真的,咱们的国际或许不安稳,由于一个虚伪的真空能够被一个满足强烈和高能的作业碰击成一个低能量的状况。假如发作这种状况,就会呈现一种叫做泡核的现象。一个低能真空球体将以光速开端成长。没有任何东西,乃至连物质自身都无法生计。简略地说,便是咱们将用另一个国际替代国际,它或许有十分不同的物理规律。

这听起来很可怕,但考虑到国际还在,明显还没有发作过这样的作业,天文学家现已看到了伽马射线暴,超新星和类星体,全部这些都是十分高能的。所以咱们不需求忧虑这个问题。也便是说,假真空的概念意味着,当从前国际的假真空被撞入较低的能量状况时,咱们的国际或许以这种方法忽然存在。或许咱们是粒子加快器事端的成果。

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