悬而未决的物理学问题

早在 2012 年 7 月初，作者 Natalie Wolchover 在Livescience 上（网址：http://www.livescience.com/34052-unsolved-mysteries-physics.html?adbpr=15428397&adbid=633345100534280192&adbpl=tw），率先指出目前物理学上 9 个亟待厘清的奥秘问题，并以潘朵菈的盒子（Pandora’s Box）形容之。迨至去年四月作者 Waleed Al-Husseini 又在其博文上（网址：http://proud-a.blogspot.com/2014/04/Mysteries.in.Physics.html）转贴了其全文，并附上精美的附图说明。无独有偶，今年初另一作者 Tom Siegfried 也列举了本世纪，10 个有待科学家们予以深入探讨的问题（网址：https://www.sciencenews.org/blog/context/top-10-scientific-mysteries-21st-century），其中有 6 个和前述 9 个「悬而未决的物理学」问题雷同。由于这些课题，也正是我往后博文中拟加以阐述的主题，故在此先做一概述，有关其进一步的详尽细节，容我在往后的博文中，再予以说明。

一、什么是「暗能量（dark energy）」？什么是「暗物质（dark matter）」？

顾名思义，「暗物质」、「暗能量」指的是宇宙间，那些「潜藏」的物质和能量，就如同暗夜里，你看不到的景物。下图所示，即是科学家们相信，就整个宇宙而言，我们可观测到物质的仅占约 0.4% ，而「暗能量」和「暗物质」分别占了约 74% 和 22%，另外约 3.6% 为银河间的气体（intergalactic gas），也就是说，我们可观察到的宇宙（observable universe），就质量和能量之总量而言，仅占亟小的一部分，实在少的可怜。

「暗物质」不但看不见，也难以侦测得到。但是科学家们能推知它们的存在，主要还是依据它们对可见物质、辐射、甚至整个宇宙结构的引力效应，它们咸被认为主要存在于银河的邻近外围，而且可能是由所谓的「weakly interacting massive particles；简称 WIMP」所组成。目前世界上有许多侦测仪器，正在积极探寻它们的存在，但迄未有所发现。

而「暗能量」存在的推论，主要来自两个方面：其一是，天文物理学家在建构或演绎他们各自的理论模式时，无论如何调整模式里的参数，还是无法得到一个宇宙必须有的质能平衡状态；二是，我们知道「宇宙」迄今一直在持续的加速膨胀，我们也知道「引力」的作用会把宇宙的「时空」，向内拉扯（pulling inward），因此一定有一个我们看不见的动能，它能和「引力」相抗衡，并把时空往外推（pushing apart），这个看不见的动能，即是所谓的「暗能量」。一般咸信，这个「暗能量」其实就是「宇宙常数（cosmological constan）」，它是宇宙本身与生俱有的本质，把宇宙向外推拓，宇宙愈膨胀，空间就愈大，这「暗能量」也跟着变得更大（因为宇宙单位空间内的能量密度是恒定的），也就是利用这宇宙的膨胀速率，科学家们才能估算它占了宇宙总质能的74%，但迄今科学家们还真不知道，该如何着手来侦测它。

二、为什么有「时间之矢（the arrow of time）」？

一般咸信，宇宙中的「熵（entropy；即俗谓的乱度）」，自其形成迄今，永远随着时间的推移而增加，这个「熵」值由低变高的趋向，就是我们所认知的时间方向（即「时间之矢」）。因此，根本的核心问题是：宇宙在窄始时，具有那么高的能量，而空间又是那么小（即如在「单㸃（singularity）」时），为何「熵」却是处在最低值？

三、真的有「平行宇宙（parallel universe）」吗？

「宇宙是平的（flat）」这个看法，已是理论物理学的定论，意思是说，我们现今观察到的宇宙万物，只是宇宙依水平方向无限延伸的一部分（见下之示意图），但是「量子力学」又告诉我们，在每一个环宇范畴（cosmic patch）里，粒子（particle）只能有有限的排列方式，因此，若宇宙无限延伸出去，就有无限的环宇范畴，而粒子的排列方式，在此无限的范畴中，就变得必须无限地重复呈现，形成许多与我们类似的宇宙（即「平行宇宙」），这可能吗？

四、为什么宇宙中的「物质（matter）」较「反物质（antimatter）」为多？

「反-物质」指的是那些和一般「物质」，具有相反荷电（oppositely-charged）和旋转方向（oppositely-spinning）的孪生物质。一般假定，宇宙肇始时，这两者（「物质」和「反物质」）应该同时形成，而且在往后的宇宙演化史中，也应被所有自然律同等看待，但实际上却非如此，宇宙中的「物质」较「反物质」多得多了，科学家们迄今还没找到一个合理的解释。

五、宇宙的最终命运为何？

宇宙的最终命运取决于其质量和能量的密度分布（the density of matter and energy throughoutthe cosmos；一般以 Ω 表之），此 Ω 值依宇宙是否为一密闭（closed）、开放（open）或平面（flat）的时空形貎，可以有大于、小于或等于 1 三种不同的数值，而不同的数值又隠示着宇宙未来不同的宿命，但到底其最终的宿命为何，科学家们迄今尚未能有一致的看法。

六、「弦论（string theory）」对吗？

「弦论」认为自然界中的基本粒子（参见前文DDSSN011-「奚氏玻子（Higgs Boson）（I）」），是由次原子大小的一维环状物（loop）组成，此环状物称之为「弦（string；见下之示意图；credit：BrianGreene）」，因为它们类似乐器上的弦般，以不同的弹拨方式，奏出不同的音符或音阶，以上这些「弦」，即是以不同的振动方式，决定了各个不同粒子的本质和特性。这「弦论」主要是希望能将小尺度的「量子理论」和大尺度的「相对论」融合在一起，共同来解释宇宙万物的一种理论。问题是该理论仅能在「十维的空间加上一维时间」的时空里才可行，目前来说，科学家们还无法找到，一个有效的实验方法去证实「弦」的存在（其大小只有原子大小的10^-21），也因此难以证实该学说是否为真。

另外，该文作者也提到两个目前也是无解的问题：（1）宇宙在混沌中是否有序？以及（2）为何在测量次原子粒子（如位置、速率等等）时，原本描述其性质的「量子波浪函数方程式（quantum wave functions）」会骤然无效（collapse）？（见下之示意图），有兴趣的读者，可参阅该文及其他相关论著。

来源：科学网許德惇