讓物理學家頭疼的五件事

物理理論的研究過程通常是這樣的：經過多年的發展和完善，一個物理理論終於成形了，它可以很完美地解釋現實，然後，它卻預測出了沒人想要的東西。愛因斯坦的廣義相對論就是一個典型的例子。它是我們目前最好的引力理論，但是它卻預測出了黑洞的存在——一個引力極強的時空區域，任何物質包括光都無法從中逃離出來。即使到了現在，物理學家都還在為黑洞這個概念感到頭疼，因為關於它，有太多棘手的問題等待解決。而黑洞並不是唯一能讓物理學家感到頭疼的概念，下面我們就再舉5個類似這樣的例子。

量子的多重性

現實似乎非常確定，對吧?你在這裡，足球在那裡，你把足球踢飛，它最終會落到不遠處，這都看起來很正常。但在量子力學那裡，所描述的畫面將會是完全不同的。

量子力學認為，事物在我們測量之前的狀態是不確定的，它會同時處於多種狀態之中，直到測量時，它的狀態才被唯一地確定下來。例如，一件東西可以同時位於不同的地方，只有當我們測量到它時，它才會最終停留在某一個地方。就像那隻足球，如果我們沒有檢測到它時，那麼它可以同時處於各個位置上，只有當我們檢測到它時，它才可能確定在操場某處。

愛因斯坦有點不信這一套，他在一次散步中，曾向他旁邊的學生提問題，「你是否相信，月亮只有在看著它的時候才真正存在?」愛因斯坦認為，事物在測量之前應該也是確定的，而量子力學的解釋恐怕不正確。但是，許多物理學同行並不這麼認為，畢竟量子力學是有史以來最成功的科學理論，理論與實驗結果極為相符。對此，美國物理學家戴維·慕爾明總結了大多數人的感受。他說：「閉上嘴，去計算!」意思是，像愛因斯坦提出這類問題沒必要討論，只要量子力學管用就行了。

為了理解量子力學這種看似荒謬的推論，物理學家還提出了很多不同的詮釋。一個很出名的詮釋叫做多世界詮釋，它認為在測量之後，每個之前曾存在的量子狀態都會繼續存在下去，只不過它們處於平行世界中，我們只是看不見它們而已。還是用那隻足球來比喻，當我們看到它時，它雖然確定在操場上，但也可能在別處，只是在別處的那隻足球在與我們世界相平行的另一個世界裡。

時間

關於時間，出問題的地方不是來自於物理學，而是來自於你。你可能會相信，時間正不斷地從過去流向未來，但這其實是你的大腦產生的錯覺。自從20世紀初愛因斯坦提出相對論以來，物理學中的時間概念已經被表達得很清楚了：時間並不流逝，客觀的過去和客觀的未來也都不存在。

除了這個矛盾以外，相對論和量子力學對描述時間的方式也不相同。相對論認為，時間與空間緊密相連，它們都是相對的概念。比如物體運動得越快，時間流逝得越慢。但量子力學卻又回到經典的框架下，認為存在一個絕對的時間。

如何解決這些矛盾呢?大多數物理學家的回復可能仍是：「閉上嘴，去計算!」然而，一些物理學家仍在想辦法去解決這些時間問題。其中一個觀點認為，我們只需要對過去、現在和未來給出一個更好的物理定義，那麼許多問題就有可能得到解決了。這個觀點是否正確呢?只有時間才能告訴我們答案。

宇宙常數

入圍，出局，再入圍，再出局……宇宙常數的歷史就是這麼折騰。

愛因斯坦曾把它加入到他的廣義相對論方程中，來穩定宇宙，並確保它在自身的引力下不會膨脹也不收縮。然後，在20世紀20年代，美國天文學家愛德文·哈勃和其他人發現宇宙實際上正在膨脹，這促使愛因斯坦拋棄了宇宙常數這個概念，並認為這是他一生中「最大的錯誤」。

然而在20世紀90年代，天文學家通過觀測發現，宇宙實際上正在加速膨脹，而導致加速膨脹的背後力量被稱之為「暗能量」。物理學家又把宇宙常數引入進來，認為暗能量就是一種宇宙常數，它能起到與引力相反的作用，能把宇宙中各個事物推開。

唯一的問題是，20多年過去了，人們還沒有搞清楚宇宙常數(暗能量)的來源。當前最好的猜想是，宇宙常數是一種真空能，是真空中無數個轉瞬即逝的虛粒子貢獻出的能量。不過，物理學家根據量子理論推導出的真空能密度，約為1094g/cm3。但是，他們根據對宇宙膨脹情況的觀測，得出的結果卻只有10-29g/cm3。也就是說，宇宙常數的理論值竟然是觀測值的10123倍。物理學家到現在也沒搞清楚這麼大的差距是怎麼來的。

無窮

數學家相信無窮的存在，他們還認為，不僅存在無窮，而且還存在很多種無窮。事實上，無窮常常能大幅度簡化數學的計算過程，數學家還經常發明出全新種類的無窮概念，來堵住他們在研究時遇到的邏輯漏洞。

但對物理學家來說，無窮無疑是一種痛苦。無窮令人難以駕馭，只要它在一個物理理論中出現，它就傾向於毀掉這個物理理論。例如，物理學家曾試圖把電磁力和弱核力統一起來，但是他們的公式中老是出現無窮大的結果，使得計算無法進行下去。物理學家最終花了幾十年才找到正確的數學方法，解決了該問題。而現在，黑洞、大爆炸之前的宇宙都存在密度無窮大的「奇點」，這些無窮仍在阻礙了引力理論與量子理論的統一。

一些物理學家已經受夠無窮了。他們認為，宇宙可能不存在真正的無窮，那些被認為是無窮的東西，可能近似無窮而已。麻煩的是，完全沒了無窮的概念，數學很難計算下去。

宇宙的熱寂

宇宙的末日是什麼樣的?一些人認為，宇宙可能會在一場巨大的天文學暴力事件中結束。但是，許多物理學家認為，宇宙更可能會在漫長的時間裡逐步地走向它的終點。

要怪就怪熱力學第二定律。這個定律認為，宇宙的熵(表示混亂程度的物理量)會隨著時間的流逝而增加，從有序走向無序。當熵達到最大值時，宇宙中所有可以被利用的能量都變為了無法利用的熱能，宇宙各處都達到了熱平衡。這種狀態稱為熱寂。此時，宇宙各個天體都不復存在，一切都一樣，沒有任何變化發生。再加上暗能量使得宇宙膨脹得越來越快，最終宇宙會變得空曠、黑暗且寒冷。

我們當然不會在這裡看到這一切，因為早在宇宙達到熱寂之前，變為紅巨星的太陽就已經把我們的地球烤化掉了。

但是，熱寂這種結局不僅令人沮喪，走向結局的過程也比較乏味。於是，物理學家開始去考慮一些其他的可能，雖然結局仍令人沮喪，但其過程至少是驚心動魄的。其他的可能包括了大撕裂(宇宙在更強大的暗能量下被完全撕裂)，以及大坍縮(宇宙萬物反過來坍縮在一起)。

當然最有趣的一個可能是大崩潰——量子漲落導致宇宙某個區域變得不穩定，導致所有原子無法穩定存在下去，物質結構發生崩潰，並且從那裡以光速向宇宙四周擴張。與其他的可能不同的是，我們不會提前知道何時會發生大崩潰。

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