這六個問題讓物理學家寢食難安

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

1

暗物質

地球繞著太陽旋轉，它的速度取決於距離、太陽的質量和引力強度（自然界中的普適常數）。這裡並不需要用到複雜的廣義相對論，只要用牛頓引力就可以計算出。以太陽係為例，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發現在后髮星系團中，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，並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，那麼星系早已分崩離析。

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。它佔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，都毫無收穫。暗物質模型正面臨著最嚴峻的考驗。

2

暗能量

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後黑手稱為「暗能量」。暗能量支配著宇宙的命運，佔據了宇宙總質量和能量的68.3%。

真空漲落（Derek Leinweber）

但暗能量究竟是什麼？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甦。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，基於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。但宇宙學常數並不是唯一的選擇，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。

3

宇宙暴脹

當你放眼整個宇宙的時候，有幾個特徵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，很可惜後來被證明是錯誤的。

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，我們並不知道是什麼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。

4

力的統一

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，並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，由於引力太過於弱，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繫，但目前等效原理嚴格的經受住了所有實驗的考驗。

5

微調問題

粒子物理學的標準模型非常的有效，但不完備。例如，它並沒有完全解釋弱核力、強核力和電磁力之間為什麼會有不同的強度，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，那麼氫氣就不會產生，恆星也不會發光，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製造宇宙的「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。為什麼宇宙中的暗能量和暗物質的總量剛剛好，使星系能夠產生？為什麼宇宙中都是由物質構成的，而不是反物質？等等。

6

測量問題

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」並選擇一個確定狀態。這是否意味著我們是現實的共同製造者？對量子力學的測量問題，物理學家並沒有統一的看法。

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於死和活的狀態，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，那麼我們就要重新審視所有它背後的原理。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。

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