昨天我們介紹了物理學(xué)的六個原理，基于這幾個原理，物理學(xué)家發(fā)展了標準宇宙學(xué)模型和粒子物理學(xué)的標準模型。用一張圖概括如下：
這兩個理論都出色的扮演著自己的角色，精確地描述著這個宇宙的運作方式。這是許多人奉獻出了自己一身的時間在研究著當時看起來對實際生活毫無作用的基本問題的智慧結(jié)晶。但是，自然遠遠比我們聰明，每當我們自以為解開了謎題的時候，往往是打開了一個通往更深層次的問題的大門。幸運的是，我們這一代人更加的謙遜，沒有人會公開發(fā)言說：“現(xiàn)在的物理學(xué)中已不會再有什么新發(fā)現(xiàn)，所剩之事只是測量精度的不斷提高而已。”
- 問題 1 -
暗物質(zhì)
地球繞著太陽旋轉(zhuǎn)，它的速度取決于距離、太陽的質(zhì)量和引力強度（自然界中的普適常數(shù)）。這里并不需要用到復(fù)雜的廣義相對論，只要用牛頓引力就可以計算出。以太陽系為例，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(yīng)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(zhì)心運動。在1930年代，天文學(xué)家Fritz Zwicky發(fā)現(xiàn)在后發(fā)星系團中，外層的星系運動速度遠遠超過了星系團質(zhì)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(fā)現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象，并推斷在星系中應(yīng)該存在著大量看不見的物質(zhì)。
△ 理論預(yù)測星系的旋轉(zhuǎn)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(zhì)量提供引力，那么星系早已分崩離析。
雖然我們看不見這些“暗物質(zhì)”，但是我們可以觀測和測量它的引力效應(yīng)。它占據(jù)了宇宙總質(zhì)量和能量的26.8%。顯然，粒子物理學(xué)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(zhì)粒子，或者試圖利用高能粒子對撞中產(chǎn)生暗物質(zhì)粒子，都毫無收獲。暗物質(zhì)模型正面臨著最嚴峻的考驗。
擴展閱讀：《探索宇宙的黑暗面》
- 問題 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(fā)的測量得出了一個結(jié)論：雖然預(yù)計這些超新星發(fā)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(yù)測的要多。換句話說，宇宙不僅在膨脹，而且在加速膨脹！科學(xué)家把造成加速膨脹的幕后黑手稱為“暗能量”。暗能量支配著宇宙的命運，占據(jù)了宇宙總質(zhì)量和能量的68.3%。
△ 真空漲落。（ Derek Leinweber）
但暗能量究竟是什么？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(fù)蘇。為了使宇宙看起來是靜態(tài)的，愛因斯坦在方程中加入了一個宇宙學(xué)常數(shù)。根據(jù)量子力學(xué)，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(chǎn)生能量，可以充當宇宙學(xué)常數(shù)的角色。但是，基于量子力學(xué)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(shù)量級，這個結(jié)果被驚嘆為“物理史上最糟糕的理論預(yù)言”。這便是宇宙學(xué)常數(shù)問題。但宇宙學(xué)常數(shù)并不是唯一的選擇，也有可能暗能量其實是一種“精質(zhì)”（quintessence），這是一種自然界中未被發(fā)現(xiàn)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(xué)家提出了其它的可能性。
擴展閱讀：《神秘的暗能量只是一個美麗的誤會？》、《新數(shù)據(jù)再次引發(fā)爭論：宇宙的膨脹速度究竟有多快？》，《這只變色龍支配了宇宙的命運》
- 問題 3 -
宇宙暴脹
當你放眼整個宇宙的時候，有幾個特征曾經(jīng)困擾了物理學(xué)家無數(shù)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(nèi)經(jīng)歷一場比光速還快的膨脹。暴脹的其中一個重要預(yù)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(xué)家宣稱自己探測到了原初引力波，很可惜后來被證明是錯誤的。
△ 宇宙經(jīng)歷了一次指數(shù)式的暴脹（Inflation）。（圖片來源：http://daisy.astro.umass.edu/~myun/teaching/a100_old/longlecture25.html）
事實上，我們并不知道是什么導(dǎo)致了宇宙發(fā)生了暴脹，而且，暴脹一旦開始就不會完全停止，其結(jié)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(xiàn)在的快，就可以解釋溫度一致的問題?；蛟S光速現(xiàn)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。
擴展閱讀：《一場光和引力之間的追逐戰(zhàn)》，《宇宙暴脹和暗能量之間有聯(lián)系嗎？》
- 問題 4 -
力的統(tǒng)一
△ 電弱力和強核力能夠被統(tǒng)一嗎？這樣的一個理論被稱為大統(tǒng)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，并沒有完美地統(tǒng)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(xué)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(tǒng)一起來？（圖片來源：Fermilab）
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