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物理学中18大未解决的奥秘

深刻的物理学

(图片信用: 图像 via Shutterstock)

1900年,英国物理学家们据说据说是发表的:“现在物理学中没有任何新的东西。所有这些仍然是越来越精确的测量。”在三十年内,量子力学和爱因斯坦的相对论理论彻底改变了该领域。今天,没有物理学家敢于断言我们对宇宙的身体知识接近完成。相反,每个新发现似乎解锁了潘多拉的箱子甚至更大,甚至更深层次的物理问题。这些是我们最深刻的开放问题的选择。

在你的内心’LL了解并行宇宙,为什么时间似乎只在一个方向上移动,以及为什么我们不’t understand chaos.

什么是黑暗能量?

宇宙的内容。

(图片信用:美国宇航局)

无论天性物理学家如何紧缩数字,宇宙根本就不会加起来。尽管重力在时空上向内拉动—宇宙的“面料”—它保持更快,更快地扩展。为了考虑这一点,Astrophysicists提出了一种隐形代理,通过推动空间时间来抵消重力。他们称之为 黑能量 。在最广泛接受的黑能模型中,它是一个  “宇宙常数”:空间本身的固有特性,它具有“负压”驾驶空间。随着空间展开,创建了更多空间,并带有更多的空间,更暗的能量。基于观察到的扩张速度,科学家知道所有黑能的总和必须占宇宙的总内容的70%以上。但没有人知道如何寻找它。最好的研究人员在近年来已经做到了狭窄的暗能可能隐藏的位置,这是 议题 发布于2015年8月。

接下来:暗物质 (向上滚动以查看“下一个”按钮)

什么是暗物质?

 这位艺术家

(图片信用:ESO / L. CALçada )

显然,宇宙中约有84%的物质不会吸收或发光。 “暗物质”,“被称为”,不能直接看,它尚未通过间接手段检测到。相反,暗物质的存在和性质是从其对可见物质,辐射和宇宙结构的引力效应推断出来的。这种阴暗的物质被认为是遍布星系的郊区,并且可以由“弱相互作用的大规模颗粒”或WIMPS组成。在全球范围内,有几个探测器在寻找WIMPS的范围内,但到目前为止,没有找到一个。最近的一项研究表明Dark Mater可能在整个宇宙中形成长,细粒度的植物,并且这些溪流可能 从地球辐射出来 像毛发。 [有关的: 如果不是暗物质,那么什么?]

接下来:时间的箭头

为什么有时间箭头?

你不能解除蛋的事实是增加熵的法律的常见例子。

(图片信用: 图像 via Shutterstock)

时间向前移动,因为宇宙的财产称为“熵”,大致被定义为疾病程度,只有增加,因此在发生后没有办法逆转熵升高。熵增加的事实是逻辑问题:粒子的含量更为无序,而不是有序安排,因此随着事情的变化,它们往往会陷入混乱。但这里的潜在问题是,为什么过去熵如此低?换句话说,为什么宇宙如此开始,当时大量的能量在少量空间中挤满了? [宇宙中的总能量是多少?]

接下来:平行宇宙

有平行的宇宙吗?

艺术家的绗缝多层的概念。

(图片信用: 图像 via Shutterstock)

天体物理数据表明时空可能是“平坦”,而不是弯曲,因此它永远持续下去。如果是这样,那么我们可以看到的区域(我们认为是“宇宙”)只是一个无限大的“绗缝多层”中的一个补丁。同时,量子力学规则决定了每个宇宙贴片内只有有限数量的可能的粒子配置(10 ^ 10 ^ 122不同的可能性)。所以,有一个  无限数 在宇宙贴片中,它们内的颗粒布置被迫重复—无限多次。 这意味着有无数的平行宇宙:宇宙补丁与我们的宇宙补丁完全相同(包含一个完全像你的人),以及不同只是一个粒子的位置不同的补丁,两个粒子位置不同的贴片,等等与我们完全不同的补丁。

那个逻辑有什么问题,还是它的奇怪结果是真的?如果是真的,我们如何检测到平行宇宙的存在? 看看这很棒 从2015年开始观点 这看来了“无限宇宙”意味着什么。

接下来:物质与反物质

为什么有更多的东西而不是反物质?

艺术家的粒子灭绝的概念。

(图片信用: 图像 via Shutterstock)

为什么为什么重要的问题比其相反的被充电和相反的旋转双胞胎,反物质实际上是一个问题,为什么有任何东西存在。假设宇宙会对对称的物质和反物质进行治疗,因此,在大爆炸的那一刻,应该制作平等的物质和反物质。但如果发生这种情况,本两者都会彻底剥落:质子会用反滴答取消,电子用抗电子(正弦),中子与抗南鲁顿,等等,留下了一个暗淡的光子海底excanse。出于某种原因,有多余的物质并没有被歼灭,在这里我们是。为此,没有接受的解释。这 最详细的测试 迄今为止在2015年8月宣布的物质和反物质之间的差异,确认他们是彼此的镜像,为理解为什么重要的奥秘提供了零零的新道路。

接下来:宇宙的命运

宇宙的命运是什么?

大咬嚼。垂直轴可以被认为是加号或减去时间。

(图片信用:创意公共归因归因 - 份额相似3.0未受到| Bjarmason)

宇宙的命运强烈取决于价值不明的因素:Ω,在整个宇宙中测量物质密度和能量的尺寸。如果Ω大于1,那么时空将是“关闭”,就像巨大的球体的表面一样。如果没有暗能量,这种宇宙最终会停止扩大,而是将在一个事件中被称为“大紧缩”的事件上的自身倒闭。如果宇宙关闭但是在那里 黑能量,球形宇宙将永远扩大。

或者,如果Ω小于1,那么空间的几何形状将像马鞍的表面一样“打开”。在这种情况下,其最终命运是“大冻结”,其次是“大裂纹”:首先,宇宙的外向加速会撕裂星系,恒星分开,留下所有物质寒冷和单独。接下来,加速度将增长如此强烈,即它会压倒将原子保持在一起的力量,并且一切都会被扭结。

If Ω= 1,宇宙将是平坦的,像各个方向的无限平面一样延伸。如果没有暗能量,这种平面宇宙将永远扩大,但以不断减速的速度膨胀,接近停滞不前。如果有黑能量,扁平的宇宙最终会经历失控的扩张,导致大裂纹。无论它是如何发挥的,宇宙正在垂死,一个事实 详细讨论 由Astrophysicist Paul Sutter在2015年12月的论文中。

que血清,血清。

接下来:一个甚至陌生的概念

测量如何崩溃量子波力?

在粒子上进行测量坍塌其浪潮,使其假设正在测量的属性的一个值。

(图片信用:John D. Norton)

在电子,光子和其他基本粒子的奇怪领域中,量子力学是法律。颗粒不能表现得像个小球,而是像波浪一样 蔓延到一个大面积。每个粒子由“挥舞功能”或概率分布描述,概率分布讲述其位置,速度和其他属性更可能是什么,而不是那些属性的位置。粒子实际上具有所有属性的一系列值,直到您通过实验测量其中一个—例如,它的位置—此时,粒子的挥发性“折叠”并且它采用一个位置。 [新生婴儿了解量子力学]

但是如何以及为什么测量粒子会使其挥动坍塌,从而产生我们认为存在的具体现实?这个问题,称为测量问题,可能看起来是疏远的,但我们对现实的理解是什么,或者一个完全存在,铰接在答案上。 

接下来:字符串理论

字符串理论是否正确?

Calabi-Yau-String-Toy-ofer-02

(图片信用:创意共享|午餐)

当物理学家假设所有基本粒子实际上是一维环路时,或者“字符串”,每个频率都振动,物理变得更加容易。 弦理论 允许物理学家协调控制颗粒的法律,称为量子力学,规定时空,称为一般相对性,并将四种基本力量统一到一个框架中。但问题是,弦理论只能在10或11个尺寸的宇宙中工作:三个大型空间,六个或七个压实的空间,以及时间尺寸。压实的空间尺寸—以及振动的弦圈自己—大约是原子核大小的十亿日。没有可想到的方法来检测任何小的东西,因此没有已知的方法来实验验证或无效字符串理论。

最后:我们以混乱结束。 。 。

在混乱中是否有订单?

描述天气和水的方程,以及其他事情尚未解决。

(图片信用: 图像 via Shutterstock)

物理学家不能完全解决描述流体行为的等式,从水到空气到所有其他液体和气体。实际上,它不知道所谓的Navier-Stokes方程是否存在甚至存在的一般解决方案,或者如果存在解决方案,它是否描述了各地的流体,或者包含称为奇点的本质上不可知的点。因此,混乱的性质并不熟知。物理学家和数学家奇迹,是天气只是难以预测,还是本质上不可预测?湍流是否会转换数学描述,或者在解决它时是否有意义 正确的数学 ?

恭喜通过此重型主题列表进行。现在打火机怎么样? 25科学事实& History

宇宙的力量是否合并成一个?

模拟了一种颗粒碰撞,其中Higgs玻色子在世界上最大的原子挤渣器中产生,大型强子撞机。

(图片信用:Lucas Taylor / CMS)

宇宙经历了四种基本力量:电磁, 强大的核力量,弱互动(也称为 核心弱势 ) 和 重力 。迄今为止,物理学家知道如果你足够出现能量—例如,在粒子加速器内部 —其中三个力“统一”并成为一个力量。物理学家们已经运行粒子加速器,统一电磁力和弱相互作用,并且在更高的能量下,相同的事情应该以强大的核力和最终引力发生。

但即使理论说明 应该 发生,性质并不总是有义务。到目前为止,没有粒子加速器达到足够高的能量,以统一强力 电磁学 和弱互动。包括重力会意味着更多的能量。尚不清楚科学家甚至可以建立一个强大的科学家;在日内瓦附近的大型特罗龙撞机(LHC)可以将颗粒射入彼此碰撞,在千克电子伏特(约14个Tera-Collts或Tev)中。为了达到大统一能源,颗粒需要至少花费数十万亿次,因此物理学家留下来寻找这种理论的间接证据。 

除了能量问题外,大统一理论(胆量)仍然存在一些问题,因为他们预测到目前为止还没有否定的其他观察结果。有几个肠道说质子,超过巨大的时间跨越(约^ 36岁),应该变成其他颗粒。从未观察过这一点,所以要么的质子比任何人都要长得多,或者他们真的永远稳定。某些类型的肠道的另一个预测是存在磁垄断—孤立的“北”和“南”磁铁的杆子—没有人见过其中一个。我们可能没有足够强大的粒子加速器。或者,物理学家对宇宙如何工作可能是错误的。  

在黑洞里面发生了什么?

这位艺术家的概念显示了一个黑洞的周围环境,包括它的吸收盘,喷射和磁场。

(图片信用:ESO / L. CALçada)

对象信息会发生什么 如果它被吸入一个黑洞?根据当前的理论,如果你要把铁的多维数据集放进黑洞,就无法检索任何信息。这是因为黑洞的重力是如此强烈,即其逃生速度比光更快— and 光线是最快的东西。然而,一种称为量子力学的科学分支说 量子信息 不能被摧毁。 “如果你以某种方式歼灭了这个信息,那么罗伊拉大学芝加哥物理学副教授罗伯特·麦克塞斯(Robert McNees)说。 [如何通过黑洞无线信息]

量子信息有点不同于计算机上的信息和计算机上的1S和0S的信息,或者在我们的大脑中的东西。这是因为量子理论不提供关于例如对象的精确信息,例如计算力学中棒球的轨迹。相反,这些理论揭示了最可能的位置或一些行动的结果。因此,各种事件的所有概率应增加1或100%。 (例如,当你滚动六面的模具时,给定的脸的机会即将到来的是六分之一,所以所有面孔的概率都会增加1,你不能超过100%的某些东西将发生。)量子理论因此称为单一。如果您知道系统如何结束,您可以计算它的开始。

为了描述一个黑洞,你需要的只是质量,角动量(如果它的纺纱)和充电。除了被称为霍金辐射的慢速辐射的缓慢涓涓细流之外,没有出来的黑洞。就任何人都知道,没有办法做那种反向计算来弄清楚黑洞实际吞噬的东西。信息被销毁。然而,量子理论说信息不能完全遥不可及。其中谎言“信息悖论 。“

McNees说,这是对这个问题有很多工作,特别是斯蒂芬·霍金和斯蒂芬·佩里(Stephen Hawking和Stephen Perry),他们建议于2015年,而不是储存在黑洞的深层离合器内, 信息仍在其边界,称为活动范围。许多其他人试图解决悖论。到目前为止,物理学家不能同意解释,他们可能不同意一段时间。 

裸体奇点是否存在?

艺术家的绘图展示了一个大型恒星大量黑洞,将气体拉出伴侣之星。

(图片信用:美国宇航局E / PO,索诺玛州立大学,Aurore Simonnet)

A 奇点 当“东西”是无限的某些财产时,以及我们所知道的物理法则崩溃。 在黑洞的中心 谎言是无限的青少年和致密的点(用有限量包装)—一个名为奇点的点。在 数学 ,奇点一直都在上来— dividing by 是一个实例,坐标平面上的垂直线具有“无限”斜率。实际上,垂直线的斜率只是未定义的。但奇点看起来像什么?它会与宇宙的其余部分互动如何?说什么意味着什么没有真实的表面并且无限小?

A “裸体”奇点 是一个可以与宇宙的其余部分互动的人。黑洞有活动视野 —球形区域从中没有,甚至没有光,可以逃脱。乍一看,您可能认为裸体奇点的问题至少部分地为黑洞解决了,因为没有任何东西可以摆脱事件范围,而且奇点不能影响宇宙的其余部分。 (它是“穿上的”,所以说,赤裸的奇点是没有活动范围的黑洞。)

但是在没有活动视野的情况下是否可以形成奇点仍然是一个开放的问题。如果他们可以存在,那么 Albert爱因斯坦的一般相对论理论 需要修改,因为系统太接近奇点时会崩溃。裸体奇点也可能起到 虫子 ,这也是时间机器—虽然本质上没有证据。

违反充电平价对称

量子纠缠

(图片Credit:agsandrew | shutterstock.com)

如果您将粒子与其反物质兄弟姐妹交换,物理学法律应保持不变。因此,例如,带正电荷的质子应该看起来与带负电的抗滴水相同。这是充电对称的原则。如果你左右交换,物理学法律应该看起来相同。这是奇偶的对称性。一起,两者称为CP对称性。大多数时候,这种物理规则不会违反。然而,某些异种颗粒违反了这种对称性。麦克尼斯说这就是为什么这很奇怪。 “在量子力学中不应该有任何违反CP的行为,”他说。 “我们不知道为什么是这样。”

当声波发光时

在黑暗中声波。

(图片信用:DMitrySteshenko / Shutterstock)

虽然粒子物理问题占许多未解决的问题,但可以在台式实验室设置上观察到一些谜团。声明是其中之一。如果你拿一些水并用声波击中它,泡沫将形成。那些气泡是低压区域,围绕着高压;外压推动在下压空气中,气泡迅速塌陷。当那些泡沫坍塌时,它们发光,闪烁,闪烁的最后一秒钟。

问题是,它远非清除光源是什么。理论范围从微小的核聚变反应到某种类型的放电,甚至甚至压缩气泡内的气体。物理学家在这些气泡内测量了高温,大约成千上万华氏度的顺序,并采取了它们产生的众多光的照片。但是,声波如何在泡沫中创造这些灯具没有良好的解释。

超出标准型号的是什么?

抽象图像代表弦理论

(图片信用: 罗伯特斯普利格斯 | Shutterstock. )

标准模型是有史以来最成功的物理理论之一。在四十年内测试它的实验已经站起来,新的实验一直表明它是正确的。标准模型描述了构成我们周围的一切的颗粒的行为,以及解释例如颗粒具有质量的原因。实际上, 发现Higgs Boson的发现 —一种粒子,弥撒物质—2012年是一个历史性里程碑,因为它确认了对其存在的长期预测。 

但标准模型并没有解释一切。标准模型取得了许多成功的预测—例如,Higgs Boson,W和Z玻色子(介绍了控制放射性的弱相互作用),以及其中的夸克—所以很难看出物理学可能超越它的地方。也就是说,大多数物理学家都认为标准模型不完整。新的,更完整的模型有几个竞争者—字符串理论是一种这样的模型—但到目前为止,这些都不是通过实验结论性地验证。 

基本常数

 数字

(图片信用: andreas guskos. | shutterstock.com. )

无量纲常量是没有与它们附加的单位的数字。例如,光的速度是一个 基本常数 以每秒米为单位(或每秒186,282英里)以单位测量。与光的速度不同,无量纲常数没有单位,它们可以测量,但它们不能源自理论,而光速度可以是常数。

在他的书中“只是六个数字:塑造宇宙的深势”(基本书籍,2001年),天文学家马丁的重点关注某些“无量纲常量”,他认为对物理学的根本。事实上,有很多超过六个;标准模型中约25个存在。 [存在的9个最大数量]

例如,通常写入α的细结构常数控制磁相互作用的强度。它约为0.007297。是什么让这个数字奇数是如果它是任何不同的,那么稳定的事情就不存在。另一个是许多基本颗粒的质量的比例,例如电子和夸克,到普朗克群众(这是1.22´1019 GEV / C. 2)。物理学家们希望弄清楚为什么那些特定的数字有他们所做的价值,因为如果他们是非常不同的,宇宙的物理法律不会让人类成为这里。然而,对于他们有这些价值来说,仍然没有引人注目的理论解释。 

无论如何,赫克是重力的?

 重力

(图片信用: Koya979. | Shutterstock. )

什么是重力 , 反正?其他力由颗粒介导。例如,电磁识别是光子的交换。这 核心弱势 由W和Z玻色子携带,胶合携带坚强的核力,将原子核保持在一起。 McNees表示,可以量化所有其他力,这意味着它们可以表示为单独的粒子并具有非连续值。

重力似乎没有那样。大多数物理理论都说它应该由称为墓穴的假设的无麻颗粒携带。问题是,没有人发现格格雷那,并且尚不清楚任何可以建造的粒子探测器都可以看到它们,因为如果格格琴与物质相互作用,他们就会非常好,很少—很少有他们对背景噪音看不见。它甚至都不清楚的是,着名人都是麻马的,但如果他们有一个质量,那就非常非常小—小于中微子,其在已知的最轻的颗粒中。字符串理论假装观点(和其他粒子)是封闭的能量循环,但到目前为止,数学工作并没有产生太洞察力。

因为尚未观察到格雷尼,引力抵制了我们理解其他力量的方式理解它–作为粒子的交换。一些物理学家,特别是Theodor Kaluza和Oskar Klein,他们在超出空间(长度,宽度和高度)之外的额外尺寸中的粒度(长度,宽度和高度)和我们熟悉的时间(持续时间),但是是真的仍然是未知的。 

我们生活在一个虚假的真空吗?

多层膜例证

(图片信用:Shutterstock / Sandy Mackenzie)

宇宙似乎相对稳定。毕竟,它已经存在 约138亿年。但是,如果整个事情都是巨大的事故,怎么办?

这一切都始于希格斯和宇宙的真空。真空或空的空间,应该是可能的能量状态最低,因为它没有任何东西。与此同时,希格斯玻色子—通过所谓的higgs字段—让所有东西都弥撒。在洛杉矶大学的物理学和天文学教授亚历山大Kusenko写作,表示,真空能量状态可以根据HIGGS领域的潜在能量和HIGGS和顶部的群众来计算夸克(基本粒子)。

到目前为止,这些计算似乎表明宇宙的真空可能不是可能的最低能量状态。这意味着它是一个假真空。如果这是真的,我们的宇宙可能不稳定,因为假真空可以通过足够的暴力和高能量的事件被撞到较低的能量状态。如果发生这种情况,会有一种称为泡沫成核的现象。较低能量真空的球体将以光速开始生长。没有什么,甚至没有重要,都会生存。有效地,我们将宇宙与另一个人更换,这可能具有截然不同的物理法律。 [我们可以生活在多个人中的5个理由]

这听起来很可怕,但鉴于宇宙仍然在这里,显然还没有这样的事件,而天文学家已经看到了 伽马射线爆发 ,超新星和标准条件,所有这些都非常充满活力。所以我们不需要担心这可能不太可能。也就是说,假冒真空的想法意味着我们的宇宙可能会在那种方式中突然存在,当前宇宙的假真空被撞成较低的能量状态时。也许我们是用粒子加速器发生事故的结果。 

编者注:此列表最初于2012年发布。它于2017年2月27日更新,包括新信息和最近的研究。