物理學科上的 18個未解之艱難題目

2023-04-19 | 來源: 煎蛋網 | 轉到微信 | 有0人參與評論 | 字體: 放大縮小 | 收藏 | 打印

例如，精細結構常數，通常寫為α，控制著磁相互作用的強度。它約為0.007297。使這個數字變得奇怪的是，如果它有任何不同，穩定的物質就不會存在。另一個例子是許多基本粒子的質量與普朗克質量(1.22 ×10GeV / c²)的比值。物理學家不知道為什麼這些比值采取它們所采取的值。如果任何常數的值有所不同，宇宙就不會如今天這樣。

裡斯認為，對這些常數的值進行精細調整來產生充足的碳和氧來支持生命是“令人費解的巧合”。他推測，也許這些值在不同的宇宙中會有所不同。如果真是如此，那麼生命需要的特定值組合可能會非常罕見。“在多宇宙假說中，生命甚至可能是非常罕見的，”裡斯寫道。“在大多數宇宙中，物理學常數的任意微小變化都可能導致穩定的化學物質的不存在以及生命的不可能。”因此，理解這些無量綱常數的數值有什麼含義及其修改會導致什麼後果，這些都是物理學家面臨的重大未解之謎。現在還沒有令人信服的理論解釋為什麼這些值是它們所采取的數值。“我們需要一種理論，一種量子理論，來說明為什麼這些常數具有觀察到的值，”麥克尼斯說。

14、引力是到底什麼？

到底什麼是引力？其他力量是由粒子傳遞的。例如，電磁力是光子交換引起的。弱核力是由W和Z玻色子傳遞的，而膠子傳遞強核力，使原子核緊密結合。麥克尼斯說，其他所有力量都可以量化，這意味著它們可以表示為單個粒子並具有非連續的值。

引力似乎不是這樣的。大多數物理理論認為，它應該由一種假想的無質量粒子引力子來傳遞。問題是，至今還沒有找到引力子，而且不清楚是否可以建造任何能檢測到它們的粒子探測器，因為如果引力子與物質相互作用，它們的相互作用頻率非常非常低——如此之低，以至於它們會消失在背景噪聲中。甚至不清楚引力子是否無質量，盡管如果它們有任何質量，這質量也非常非常小——比中微子更小，中微子是已知最輕的粒子之一。弦理論假定引力子(和其他粒子)是封閉的能量回路，但數學工作到目前為止並未產生太多洞見。

由於引力子還未被觀測到，引力一直難以理解為我們理解其他力那樣——粒子交換。一些物理學家，特別是泰奧多爾·卡魯扎和奧斯卡·克萊因認為，引力可能在我們熟悉的三維空間(長度、寬度和高度)和一維時間(持續時間)之外的額外維度中以粒子的形式運作，但這是否屬實尚不得而知。

15、我們生活在虛假的真空中嗎？

宇宙似乎相對穩定。畢竟，它已經存在約138億年了。但是，如果整個宇宙是一個巨大的意外呢？

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一切都始於希格斯粒子和宇宙的真空。真空或空間應該具有最低可能的能量狀態，因為裡面沒有任何東西。與此同時，希格斯玻色子——通過所謂的希格斯場——使一切具有質量。加利福尼亞大學洛杉磯分校物理學和天文學教授亞歷山大·庫森科在《物理學》期刊上寫道，真空的能量狀態可以從希格斯場的勢能能量以及希格斯粒子和頂誇克(一種基本粒子)的質量計算得出。

到目前為止，這些計算似乎顯示宇宙的真空可能不是最低可能的能量狀態。這意味著它是一個虛假的真空。如果屬實，我們的宇宙可能不是穩定的，因為虛假真空可以通過足夠激烈和高能的事件降至較低的能量狀態。如果發生這種情況，會產生所謂的氣泡成核現象。較低能量真空的球體會以光速開始增長。什麼也不會幸免，甚至連物質本身也不會。實際上，我們將用另一個宇宙來代替現有宇宙，該宇宙可能具有非常不同的物理定律。

這聽起來很可怕，但鑒於宇宙仍然存在，顯然迄今為止還沒有發生這樣的事件，天文學家已經觀察到伽馬射線暴、超新星和類星體，所有這些都是相當高能量的事件。所以，這種可能性很小，我們大可不必太擔心。也就是說，虛假真空的概念意味著我們的宇宙可能正是通過這種方式突然出現的，當先前宇宙的虛假真空被擊入較低的能量狀態時。或許我們就是某個粒子加速器意外的結果。

16、磁鐵的兩極是什麼？

磁鐵有一個北極和一個南極。然而，任何人都未直接觀測過這兩個極點——我們只觀測到它們的作用。這兩個極點可能只是人為定義的事件：采取定向的場線會集中在某一點並湧出，這點就是所謂的“北”極，而相反的點就是“南”極。實際上，沒有人看到過這些點——我們的加速器可能還不夠強大。或者，物理學家對宇宙的認識可能有誤。

17、光子有質量嗎？

根據愛因斯坦的相對論，光子應沒有靜止質量。這意味著理論上，光速應為最大速度，而光子的能量僅取決於其頻率。當然，這與實驗測量非常一致。