这六个问题，让物理学家寝食难安
在過去的一個世紀，物理學家從六個原理出發，逐漸發展出了標準宇宙學模型和粒子物理學的標準模型。它們雖然成功地描述著這個世界是如何運作的，但也面臨著六個亟需解決的大問題。面對這六大難題，物理學家迎難而上，提出了六個最吸引人的解決方案。
六個亟需解決的物理問題
地球繞著太陽旋轉，它的速度取決于距離、太陽的質量和引力強度（自然界中的普適常數）。這里并不需要用到復雜的廣義相對論，只要用牛頓引力就可以計算出。以太陽系為例，離太陽越遠，行星的運動速度越慢：
隨著距離的增加， 行星的運動速度會越來越慢。（圖片來源：James Schombert）
同樣的定律也可以被應用在遙遠的星系團中。在星系團中的單獨星系會繞著共同的質心運動。在1930年代，天文學家Fritz Zwicky發現在后發星系團中，外層的星系運動速度遠遠超過了星系團質量所允許的。到了1970年代，Vera Rubin在類似銀河系的螺旋星系中發現了同樣的現象，并推斷在星系中應該存在著大量看不見的物質。
理論預測星系的旋轉速度會隨著距離遞減（紅色曲線），但實際觀測到則完全出乎意料（白色曲線）。如果沒有額外的質量提供引力，那么星系早已分崩離析。
雖然我們看不見這些“暗物質”，但是我們可以觀測和測量它的引力效應。它占據了宇宙總質量和能量的26.8%。顯然，粒子物理學的標準模型中的基本粒子無法為此買單。但是，目前所有嘗試探測超越標準模型的暗物質粒子，或者試圖利用高能粒子對撞中產生暗物質粒子，都毫無收獲。暗物質模型正面臨著最嚴峻的考驗。
被拉伸的光線（? E.Siegle）
在1998年，有兩個科研小組通過對遙遠的超新星爆發的測量得出了一個結論：雖然預計這些超新星發出的光在到達地球的時候被拉伸，但意想不到的是，拉伸的程度比先前預測的要多。換句話說，宇宙不僅在膨脹，而且在加速膨脹！科學家把造成加速膨脹的幕后黑手稱為“暗能量”。暗能量支配著宇宙的命運，占據了宇宙總質量和能量的68.3%。
真空漲落（? Derek Leinweber）
但暗能量究竟是什么？一個最簡單的答案是真空能量，這其實是對愛因斯坦一個舊思想的復蘇。為了使宇宙看起來是靜態的，愛因斯坦在方程中加入了一個宇宙學常數。根據量子力學，真空本身會有微小的漲落。在廣義相對論中，這些微小的量子漲落會產生能量，可以充當宇宙學常數的角色。但是，基于量子力學計算的真空漲落的值要比實際觀測的能量密度高出120個數量級，這個結果被驚嘆為“物理史上最糟糕的理論預言”。這便是宇宙學常數問題。但宇宙學常數并不是唯一的選擇，也有可能暗能量其實是一種“精質”（quintessence），這是一種自然界中未被發現的第五種力。這兩個解決方案都遇到了各自的問題，因此物理學家提出了其它的可能性。
當你放眼整個宇宙的時候，有幾個特征曾經困擾了物理學家無數個夜晚。例如，為何宇宙在幾何上是“平直”的？以及為何宇宙各處都擁有幾乎相同的溫度？宇宙暴脹理論的提出一下子把這些問題都解決了。在宇宙誕生之初，空間在極短的時間內經歷一場比光速還快的膨脹。暴脹的其中一個重要預言就是原初引力波，它會在宇宙微波背景輻射留下印記。2014年，科學家宣稱自己探測到了原初引力波，很可惜后來被證明是錯誤的。
宇宙經歷了一次指數式的暴脹（Inflation）。（圖片來源：http://daisy.astro.umass.edu/~myun/teaching/a100_old/longlecture25.html）
事實上，我們并不知道是什么導致了宇宙發生了暴脹，而且，暴脹一旦開始就不會完全停止，其結果就是多重宇宙的誕生。走出這個困境的一個方法是弱化光速。如果在宇宙早期光速要比現在的快，就可以解釋溫度一致的問題。或許光速現在依然在減慢，只是這個變化微弱到即使世界上最靈敏的探測器也無法探測到。
電弱力和強核力能夠被統一嗎？這樣的一個理論被稱為大統一理論（GUT）。（圖片來源：Sandbox Studio）
標準模型只解釋了自然界中的三種基本力，并沒有完美地統一電弱力和強核力。同時，引力也是唯一一個無法用量子理論來解釋的基本力。為了從量子理論的角度去解釋引力的傳遞，科學家提出一種傳遞引力的粒子，稱為引力子，但至今沒有被找到。
自然界的四種基本力能否在普朗克尺度下統一起來？（圖片來源：Fermilab）
在描述亞原子粒子作用時，由于引力太過于弱，我們可以大膽的忽略掉它的效應。但是在某些情況下，我們就必須同時考慮它們，比如在黑洞中或宇宙大爆炸。如果沒有引力的量子理論，我們在通往對自然更深層次的理解的道路上就面臨著無法跨越的障礙。而且幾乎所有的量子引力都會破壞等效原理中的慣性質量和引力質量之間的聯系，但目前等效原理嚴格的經受住了所有實驗的考驗。
粒子物理學的標準模型非常的有效，但不完備。例如，它并沒有完全解釋弱核力、強核力和電磁力之間為什么會有不同的強度，也沒有解釋粒子的質量大小。這些量必須由實驗測量，再添加到理論中去。它們之中的任何一個數字的值只要有一點點的不同，整個宇宙看起來就不會是現在這樣的。例如，如果我們把質子和中子的質量對調，那么氫氣就不會產生，恒星也不會發光，更加不會有人類的存在。
Martin Rees在《六個數》一書中用了六個基本常數，探討了我們從何而來？到何處去？這六個數字組成了一個制造宇宙的“秘方”，如果其中任何一個數字出現“失調”，那宇宙就會截然不同，也就不可能會有星體和生命。這六個數的值或宇宙中的其它常數究竟是一種殘酷的現實還是一種巧合？或者是被精心挑選的？這是大自然最深奧的秘密之一。
同樣的“微調”問題也充斥在宇宙學。為什么宇宙中的暗能量和暗物質的總量剛剛好，使星系能夠產生？為什么宇宙中都是由物質構成的，而不是反物質？等等。
波粒二象性和量子糾纏揭示了量子力學核心的一個謎題。當我們去測量量子物體的時候，會改變它們的本質，迫使它們“坍縮”并選擇一個確定狀態。這是否意味著我們是現實的共同制造者？對量子力學的測量問題，物理學家并沒有統一的看法。
或許正如Hugh Everett提出的多世界詮釋那樣，一旦我們對某個系統進行測量，就會分裂出無數個可能的世界。
著名的薛定諤貓同時處于死和活的狀態，在打開盒子的一刻會分裂出所有可能的世界。（圖片來源：Wikipedia）
但或許又正如愛因斯坦所相信的，其實量子力學是不完備的，那么我們就要重新審視所有它背后的原理。在2016年的帕特魯斯基講座中，標準模型的奠定者之一Steven Weinberg同樣表達了對量子力學的不滿，而他的關注焦點正是“測量”這一行為。
六項解決方案，能否叩響新物理的大門？
引力是我們都很熟悉的一個概念，畢竟是它使我們的腳牢牢的定在地面上，以及維持住地球的大氣層。而廣義相對論是已知最精確的一個引力理論，到目前為止它經受住了所有的檢驗。而在弱引力場和非相對性運動（運動速度較慢）的情況下，廣義相對論可以近似為牛頓引力。
在《新科學家雜志》中，Mark Anderson撰寫了一篇題為“為什么是時候重新思考引力是如何工作的” 的文章。（圖片來源：Julien Pacaud）
我們知道，在太陽系的范圍內，以及黑洞合并輻射出的引力波中，廣義相對論都有著非常出色的表現。但是在宇宙尺度下，廣義相對論依然適用嗎？如果我們選擇相信它，那么為了解釋星系和星系團的高速自轉，就必須發明一種全新的物質形態：暗物質。同樣地，為了解釋宇宙正在加速膨脹，我們也必須提出另一種神秘的力量——暗能量。
但我們真的需要暗物質和暗能量嗎？或許它們根本就不存在？只是我們需要重新思考什么是引力。其實在愛因斯坦發表廣義相對論不久后，愛丁頓、外爾、克魯扎和克萊因等人就已經開始尋找其它的替代理論。廣義相對論的替代理論被統稱為“修正引力理論”（Modified Gravity）。近一個世紀以來，物理學家已經提出了許多相關理論，下面這張圖表列出了大部分的修正引力理論：
修正引力理論的一些途徑。（圖片來源：Tessa Baker）
例如，在1981年，Moti Milgrom提出的“修正牛頓動力學”（MOND）就可以解釋星系的自轉曲線。但是，目前沒有一個理論能夠脫穎而出，它們都多多少少面臨一些問題需要克服。
物理學家認為自然界中存在著一種對稱性，能夠把玻色子（比如光子等）和費米子（比如電子等）聯系起來。在對稱變換中，費米子會轉變為玻色子，反之亦然。這種對稱性被命名為超對稱。
左邊為標準模型粒子，右邊為超對稱粒子。（? DESY）
在超對稱理論中，所有已知的費米子（比如夸克和輕子）都有個未知的玻色子超對稱伙伴（比如超夸克和超輕子），以及所有已知的玻色子（比如光子和膠子）都有個未知的費米子超對稱伙伴（比如光微子和超膠子）。粒子瞬間加倍了，當然樂趣也加倍了。
超對稱理論之所以受到物理學家的熱捧是因為它很優美，而且可以同時解決六個問題中的三個：
微調問題：解釋了為什么希格斯玻色子的質量這么低；
力的統一：計算表明，當能量越來越高的時候，電磁力、弱核力、強核力會在高能下統一；
暗物質：最輕的超對稱粒子——中性微子，是暗物質的天然候選者。
粒子翻倍，樂趣也翻倍了。（圖片來源：Sandbox Studio）
只要把粒子數量翻倍我們就能解決這些大問題讓許多人為之著迷。但問題是，如果超對稱粒子的確存在，它們應該早在大型強子對撞機中被探測到。但目前我們完全沒有看到任何可疑的信號，這讓許多人輸了賭局。也許是因為超對稱粒子比我們想象的更重，又或者是我們需要更加細心的去分析數據，我們不知道。但越來越多的人感到不安，或許超對稱并不是我們想要的答案。
有沒有可能存在著一種未被發現的第五種力？（圖片來源：The Day）
引力、電磁力、弱核力和強核力......這是目前已知的四種基本力，但這個數字看起來很隨機。為什么不能有更多的基本力？第五種力很有可能是一種微弱、且長程的力，有點像引力，但很可能會跟它相互作用。它或許會抵消掉一點引力的作用，解釋為什么宇宙的膨脹率在加速（暗能量）。或許它也可以跟引力的作用疊加提供額外的引力，解釋暗物質的問題。這第五種力肯定是非常擅長偽裝自己，使我們感受不到它的存在。有一個看法認為，是太陽系中的高密度環境保護我們感受不到它的效應，而在宇宙尺度（低密度）環境下它才變得顯著起來，這也是為何我們如此難以檢驗這個想法。
鈹-8的衰變會是第五種力存在的證據嗎？（圖片來源：Flip Tanedo）
第五種力伴隨著量子粒子也被提出來解釋粒子物理學的微調問題，可是在這個尺度下幾乎沒有絲毫證據表明存在這種新的基本力。但是，去年科學家在實驗中觀測到元素鈹-8的罕見衰變，被認為是第五種力的存在證據，一旦這一結果被進一步驗證，將打開一個全新的局面。
許多物理學家的夢想，包括愛因斯坦，都是為了找到一個統一的理論來描述所有的自然現象。在過去幾十年，就有這樣一個理論出現了：弦理論。特別是，發展到后來的M理論。在M理論中，物質不再是由標準模型中所認為的點粒子組成的，而是由一維的振動弦構成的，并且是在11維的時空內。這些弦的不同振動方式代表了不同的基本粒子。
卡拉比-丘成桐空間，正是超弦理論所需要的額外維。（圖片來源：Jeff Bryant）
M-理論可以解決微調問題，并且包含了超對稱。它的額外維度被卷曲的非常小，因此我們無法察覺。許多人相信M-理論是統一的正確道路，但是它的主要一個問題是它沒有做出任何可檢驗的預言。這引起了許多的討論，許多人開始質疑弦理論究竟算得上是一個科學理論嗎？
圈量子引力和弦理論結合才是正解嗎？（圖片來源：Domenic Bahmann）
同時，弦理論的競爭理論也不斷地出現，比如圈量子引力、因果集理論等。而最近有物理學家認為弦理論和圈量子引力的結合或許是理解更深層的現實的一條途徑。
宇宙之所以是現在這個樣子的，是因為還存在著許多其它可能的宇宙。（圖片來源：Public domain）
多重宇宙聽起來像是科幻中的場景，但其實有許多理論都預言了多重宇宙的存在。弦理論需要它。暴脹理論制造它。在解釋量子力學的測量問題時，多世界詮釋不斷地創造出平行宇宙。但我們遇到的第一個困難就是這些多重宇宙或許全都不一樣，雖然有越來越多人認為后兩者可能是相同的。其次是要如何找到具有說服力的證據證明它們的存在。
在永恒暴脹理論中，暴脹永遠不會停止。圖中紅色X的記號代表暴脹停止的區域，比如我們的宇宙。綠色則代表暴脹繼續的區域，會一直無限持續下去。（圖片來源：E.Siegel）
多重宇宙同時是祝福也是詛咒。舉個例子，弦理論或者暴脹預言的多重宇宙可以解決微調問題：其它的宇宙存在著所有可能的物質結構，我們所在的這個宇宙只是其中一個擁有“正確”的配方使生命能夠出現并且演化。但是，這樣一種“人擇”的原理免除了我們去詢問最吸引人的問題：“為什么？” 這或許是我們能夠做到最好的，但是允許所有的可能性就意味著科學剝奪了自身的預言能力。
當試圖把廣義相對論和量子理論統一在一起的時候，通常我們都假設廣義相對論需要修正。畢竟，它是經典場論，完全沒有把量子理論考慮進來。但是，只要量子理論的一些方面，比如測量問題，沒有被解釋清楚，那么量子理論就有一定的概率是錯誤的，或者它只是一個更深層理論的近似。例如，糾纏的粒子之間究竟發生了什么？糾纏是許多謎題的根源，最近有相關的研究表明它或許跟時間和空間有關。在這個情況下，什么是糾纏？或許最好的解釋是，它是某種粒子之間共享的信息。
?或許信息才是宇宙中最基本的。
這突出了前沿物理學的一個共同主題：理解時空和通往一個更加統一的圖景的關鍵在于把信息——而不是物質和能量——當成宇宙中最基本的東西。信息是否是最基本的，我們還不知道，但我們需要努力的去理解它是如何運作的。或許通過這個全新的視角來看待宇宙會使今天所遇到的問題都迎刃而解。
我們不知道以上哪個方向會是最終的答案，或者會指引我們通往最終的答案。但我們期待在不久的將來，這幾個研究方向能夠為我們叩響新物理的大門。
∑編輯?|?Gemini
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總結
以上是生活随笔為你收集整理的这六个问题，让物理学家寝食难安的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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