物理學十大謎題，物理學家們也沒有共識

圖片來源：DESI
Collaboration/KPNO/NOIRLab/NSF/AURA/P.Horálek/R. Proctor

撰文 | 不二北斗

一項迄今為止針對全球物理學家開展的最大規模的調查顯示，在物理學的許多最重要的問題上，從黑洞和暗物質的本質，到引力理論與量子力學之間尚未完成的統一，學界并沒有形成明確共識。

這項調查共有1675名參與者，他們的背景十分多元：

以下是這項調查所涉及的10個問題以及調查結果：

Q1. 大爆炸意味著什么？

大量觀測證據已經有力地支持了“大爆炸”理論。但對于我們究竟該如何理解“大爆炸”這一表述，尚未達成共識。它應該被理解為一個具有無限密度和壓力的奇點？一個有明確開端的宇宙？還是僅僅指一個高溫、致密的狀態，萬物都從這個狀態演化而來？那么，“大爆炸”意味著什么？

Q2. 早期宇宙的謎題與暴脹

大爆炸理論留下了一些未解之謎。其中一個基本問題是，宇宙表現出出乎意料的均勻性。即使在極其巨大的空間尺度上也是如此，而這些尺度大到在宇宙的壽命內不可能通過因果聯系相互影響：光在宇宙的壽命內不可能傳播如此遙遠的距離。另一個令人困惑的現象是，正在膨脹的宇宙空間具有極其平坦的曲率。那么，哪種理論能夠最好地解釋這些早期宇宙學中的謎題？

Q3. 暗物質、修正引力，以及引力異常

如果只計算星系中可見的恒星、氣體等發光物質，它們產生的引力似乎不足以維持星系這樣高速旋轉。按理說，星系外圍物質應該更容易被甩出去，但觀測顯示它們仍然穩定地繞星系旋轉。這些旋轉速率以及相關觀測結果（如星系團、重子聲學振蕩以及宇宙微波背景各向異性）促使人們提出了“新物理”方案：要么以暗物質的形式出現，要么通過修改引力定律來解釋。那么，最有可能解釋這些引力異常的候選方案是什么？

Q4. 暗能量與宇宙加速膨脹

對超新星的觀測表明，宇宙膨脹并沒有減速——如果引力是星系之間唯一發揮作用的力，那么我們本應預期宇宙膨脹會逐漸放緩。那么，最有可能導致宇宙加速膨脹的候選因素是什么？

Q5. 哈勃常數爭議

當前的宇宙膨脹率，也就是哈勃常數，可以通過兩種不同方式來測量。一種方法是測量近域宇宙中恒星和超新星的距離，這對應于宇宙歷史中的“晚期”。另一種方法則是測量來自宇宙微波背景輻射（CMB）和大尺度星系巡天的更遙遠信號，這對應于宇宙歷史中的“早期”。這兩種方法給出了不同的結果，而且隨著更多數據的積累，這一差異的統計顯著性也在增加。那么，對于哈勃常數爭議，最有可能的解釋是什么？

Q6. 人擇原理與物理常數

自然界中物理常數的取值，并不是由現有理論決定的。有人提出，如果這些數值稍有不同，宇宙很可能就無法形成復雜結構，并最終孕育生命。這一想法促使一些人尋求其他物理假說，甚至形而上學假說，來解釋這些常數為何看似“恰好”被調節到允許生命存在的取值。然而，也有人質疑這類論證是否站得住腳。那么，應當如何解釋物理常數的取值以及這些所謂的“人擇原理”？

Q7. 量子力學的詮釋

量子力學能夠對現實世界中的現象作出極其精確的預測。然而，物理學家仍無法解釋：我們所經驗的現實，究竟是如何從量子力學定律中涌現出來的。許多量子力學“詮釋”試圖回答的，正是這個問題。那么，哪一種量子力學詮釋最有可能是正確的？

Q8. 黑洞事件視界與落入物質的命運

當黑洞吞噬一顆恒星、一顆行星或一艘宇宙飛船時，這些物質被認為會越過“事件視界”——這是一道邊界，一旦越過它，任何信號都無法逃脫。那么，物質在穿過這一邊界之后會發生什么？

Q9. 黑洞信息

掉入黑洞的物質會永遠被困在里面，還是并非如此？霍金及其他物理學家曾預言，黑洞會緩慢地輻射出熱能。但這帶來了一個問題：落入黑洞的物質具有自身固有的性質（如量子自旋和夸克味），而計算表明，這些信息不會隨著發出的霍金輻射重新出來。換句話說，相對論似乎預言了信息會丟失。然而，量子力學則表明信息不能被破壞。那么，對于落入黑洞的信息，哪一種描述才是正確的？

Q10. 量子引力的候選理論

將量子力學與引力統一起來，是物理學家面臨的最困難問題之一。因此，最后一個問題是：哪一種理論最有可能成為量子引力理論的最佳候選？

共識少、分歧大

這樣的調查結果表明，在基礎物理學中，真正能獲得壓倒性支持的“標準答案”少之又少，其中大多數甚至沒有達到半數支持。

即便是有著“目前解釋宇宙膨脹最成功的理論”之稱的標準宇宙學模型（ΛCDM模型），也沒有獲得多數支持。獲得了多數人共識的問題只有兩個：

1、與公眾對“大爆炸”的常見理解不同的是，68%的物理學家認為，大爆炸并不一定標志著時間的開端，而是認為相反，大爆炸理論描述的是宇宙如何從一個高溫、高密度狀態演化而來，至于時間本身的起源，它并沒有給出說明。

2、51%的物理學家勉強達成共識：早期宇宙曾經歷過一段被稱為“暴脹”的快速膨脹時期。

在其他問題上，共識則要弱得多。例如，在暗物質問題上，支持率最高的解釋并不是“暗物質是一種或多種尚未發現的低質量粒子”（17%），也不是“需要修改引力理論”（12%），而是認為它可能來自多種已提出方案的某種組合（21%）。

與此同時，對于量子引力問題，弦理論仍然是支持率最高的可能方案，但也只有19%的物理學家持這一觀點。它還面臨來自圈量子引力（12%）以及“引力根本無法被量子化”這一觀點（18%）的有力競爭。

分歧的意義

研究人員認為，雖然調查結果呈現出這么多分歧，但共識的存在或缺失，可以告訴我們：哪些地方的證據似乎已經較為穩固，哪些地方研究者仍然認為還有容納完全不同觀點的空間。

從這個意義上說，缺乏共識本身也可能是一條線索。它標示出一些位置，表明在那里，我們或許需要更好的數據、更精確的理論，或者不同子領域之間新的連接。

參考來源

[1] https://uwaterloo.ca/news/science/largest-ever-survey-physicists-puts-standard-model-cosmology

[2] https://nafshordi.github.io/aps-dashboard/APS_survey_Arxiv_paper.pdf

[3] https://physics.aps.org/articles/v19/34

本文經授權轉載自微信公眾號“原理”。

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