NO.9 混亂中有秩序嗎?
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物理學(xué)家不能精確地解決描述流體行為的方程組，從水到空氣再到所有其他液體和氣體。事實(shí)上，我們不知道所謂的Navier-Stokes方程（簡(jiǎn)稱N-S方程）的通解是否存在，或者，如果存在一個(gè)解，它是否描述了各處的流體，或者包含內(nèi)在不可知的稱為奇異點(diǎn)。結(jié)果，混亂的本質(zhì)并沒有被很好地理解。物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家都想知道，天氣僅僅是難以預(yù)測(cè)，還是不可預(yù)測(cè)?湍流是否超越數(shù)學(xué)描述，或者當(dāng)你用正確的數(shù)學(xué)處理它時(shí)，它是否都有意義?
NO.10 宇宙的所有力統(tǒng)一了嗎?
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宇宙經(jīng)歷四種基本力:電磁力、強(qiáng)核力、弱相互作用(也稱為弱核力)和重力。到目前為止，物理學(xué)家們知道，如果你把能量調(diào)大到足夠的程度——例如，在粒子加速器中——三種力就會(huì)“統(tǒng)一”并成為一個(gè)單一的力。物理學(xué)家已經(jīng)運(yùn)行粒子加速器，統(tǒng)一了電磁力和弱相互作用，在更高的能量下，同樣的事情應(yīng)該發(fā)生在強(qiáng)大的核力和最終的重力上。
但是，盡管理論認(rèn)為這是必然發(fā)生的，但大自然并不總是施惠于人。到目前為止，還沒有一種粒子加速器達(dá)到足夠高的能量，可以用電磁學(xué)和弱相互作用來統(tǒng)一強(qiáng)大的力。包括重力意味著更多的能量。目前還不清楚科學(xué)家是否能造出如此強(qiáng)大的機(jī)器人;位于日內(nèi)瓦附近的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)，能以萬億電子伏特(約14太電子伏特)的能量相互碰撞。要達(dá)到大統(tǒng)一能，粒子需要至少一萬億倍的能量，因此物理學(xué)家只能尋找這些理論的間接證據(jù)。
除了能量問題，很多大統(tǒng)一理論(GUTs)仍然存在一些問題，因?yàn)樗鼈冾A(yù)測(cè)了迄今為止還沒有得到充分利用的其他觀測(cè)結(jié)果。有幾個(gè)大統(tǒng)一理論說質(zhì)子在巨大的跨度的時(shí)間后(10 ^ 36年)應(yīng)該變成其他粒子。這是從未被觀察到的，所以質(zhì)子的持續(xù)時(shí)間或者比任何人想象的要長得多，就是它們永遠(yuǎn)是穩(wěn)定的。某些大統(tǒng)一理論的另一種預(yù)測(cè)是磁單極的存在——獨(dú)立的“北極”和“南極”磁極——目前沒有人見過其中的一個(gè)。有可能我們只是沒有足夠強(qiáng)大的粒子加速器?；蛘?，物理學(xué)家對(duì)宇宙如何運(yùn)行的看法可能是錯(cuò)誤的。
NO.11 黑洞內(nèi)部發(fā)生了什么?
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如果一個(gè)物體被吸入黑洞，它的信息會(huì)發(fā)生什么變化?根據(jù)目前的理論，如果你把一個(gè)鐵立方體扔進(jìn)黑洞，就沒有辦法獲得任何信息。這是因?yàn)楹诙吹囊Ψ浅?qiáng)大，它的逃逸速度比光速還快——光是宇宙中速度最快的東西。然而，一個(gè)量子力學(xué)研究的科學(xué)分支說量子信息是不能被破壞的。芝加哥洛約拉大學(xué)的物理學(xué)副教授羅伯特·麥克尼(Robert McNees)說:“如果你不知怎么地把這些信息消滅了，就會(huì)有麻煩?！?/p>
量子信息與我們?cè)谟?jì)算機(jī)上存儲(chǔ)的1和0或我們大腦中的東西有點(diǎn)不同。這是因?yàn)榱孔永碚摏]有提供確切的信息，例如，物體的位置，就像在力學(xué)中計(jì)算棒球的軌跡一樣。相反，這些理論揭示了最可能發(fā)生的位置或某些行為最有可能產(chǎn)生的結(jié)果。因此，各種事件的所有概率加起來應(yīng)該是1，或100%。例如，當(dāng)你擲一個(gè)六面骰子時(shí)，一個(gè)給定的面出現(xiàn)的概率是六分之一，所以所有的面的概率加起來等于1，你不能超過百分之百確定某件事會(huì)發(fā)生。如果您知道一個(gè)系統(tǒng)是如何結(jié)束的，您可以計(jì)算它是如何開始的。
要描述一個(gè)黑洞，你需要的是質(zhì)量、角動(dòng)量(如果它在旋轉(zhuǎn))和電荷。黑洞里除了一種叫做霍金輻射的緩慢的熱輻射之外，什么也沒有。據(jù)大家所知，沒有辦法通過逆向計(jì)算來計(jì)算出黑洞到底吞噬了什么。信息被摧毀。然而，量子理論認(rèn)為，信息不可能是完全摧毀，這就是“信息悖論”。
麥克尼斯說，在這個(gè)問題上已經(jīng)有了很多研究，特別是史蒂芬·霍金（已故）和斯蒂芬·佩里的研究。許多人試圖解決這個(gè)悖論。到目前為止，物理學(xué)家們還不能對(duì)這個(gè)解釋達(dá)成一致，而且他們很可能會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生分歧。
NO.12 裸奇點(diǎn)存在嗎?
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當(dāng)“事物”的某些性質(zhì)是無限的時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)奇異點(diǎn)，因此我們所知道的物理定律就會(huì)失效。在黑洞的中心有一個(gè)無窮小和稠密的點(diǎn)(充滿有限的物質(zhì))，一個(gè)被稱為奇點(diǎn)的點(diǎn)。在數(shù)學(xué)中，奇點(diǎn)總是會(huì)出現(xiàn)，除以0是一個(gè)例子，坐標(biāo)平面上的一條垂直線有一個(gè)“無限”的斜率。實(shí)際上，一條垂直線的斜率是沒有定義的。但是奇點(diǎn)是什么樣子的呢?它如何與宇宙的其他部分相互作用?說一個(gè)物體沒有真正的表面并且無限小是什么意思?
“裸”奇點(diǎn)是一種可以與宇宙其他部分相互作用的奇點(diǎn)。黑洞有視界——球形區(qū)域，沒有任何東西可以逃脫，甚至光也不能。乍一看，你可能會(huì)認(rèn)為裸奇點(diǎn)的問題至少在一定程度上解決了黑洞的問題，因?yàn)闆]有任何東西能脫離視界，奇點(diǎn)也不會(huì)影響到宇宙的其他部分。(可以說，它是“穿上衣服”的，而裸奇點(diǎn)則是一個(gè)沒有視界的黑洞。)
但是，如果沒有視界，奇點(diǎn)能否形成仍然是一個(gè)懸而未決的問題。如果它們存在，那么阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對(duì)論就需要修正，因?yàn)楫?dāng)系統(tǒng)太接近奇點(diǎn)時(shí)，它就會(huì)崩潰。裸奇點(diǎn)也可以作為蟲洞，也就是時(shí)間機(jī)器——盡管在自然界中沒有證據(jù)證明這一點(diǎn)。
NO.13 違反cp對(duì)稱
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如果你把一個(gè)粒子和它的反物質(zhì)兄弟交換，物理定律應(yīng)該保持不變。舉個(gè)例子，帶正電荷的質(zhì)子應(yīng)該和帶負(fù)電荷的反質(zhì)子看起來是一樣的。這就是電荷對(duì)稱的原理。如果你左右交換，物理定律應(yīng)該是一樣的。這是奇偶對(duì)稱。兩者在一起被稱為CP對(duì)稱。大多數(shù)時(shí)候，這個(gè)物理規(guī)則都沒有被違反。然而，某些外來粒子違反了這種對(duì)稱性。McNees說這就是為什么它很奇怪。“量子力學(xué)不應(yīng)該有任何違反CP的行為，”他說?！拔覀儾恢罏槭裁磿?huì)這樣?！?/p>
NO.14 當(dāng)聲波發(fā)光時(shí)
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盡管粒子物理問題解釋了許多未解決的問題，但在一個(gè)臺(tái)式實(shí)驗(yàn)室的設(shè)置上可以觀察到一些謎團(tuán)。聲波發(fā)光就是其中之一。如果你取一些水，用聲波撞擊它，泡沫就會(huì)形成。這些氣泡是被高壓包圍的低壓區(qū)；外部壓力推入低壓空氣，氣泡迅速崩塌。當(dāng)這些氣泡坍縮時(shí)，它們發(fā)出光，閃爍的光持續(xù)了萬億分之一秒。
問題是，還遠(yuǎn)不清楚光源是什么。理論范圍從微小的核聚變反應(yīng)到某些類型的放電，甚至是氣泡內(nèi)部氣體的壓縮加熱。物理學(xué)家們已經(jīng)測(cè)量了這些氣泡內(nèi)部的高溫，溫度大約為數(shù)萬華氏度，并拍攝了大量它們產(chǎn)生的光的照片。但是，對(duì)于聲波是如何在氣泡中產(chǎn)生這些光，并沒有很好的解釋。
NO.15 超越標(biāo)準(zhǔn)模型的是什么?
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標(biāo)準(zhǔn)模型是最成功的物理理論之一。40年來，它一直經(jīng)受著實(shí)驗(yàn)的考驗(yàn)，新的實(shí)驗(yàn)不斷證明它是正確的。標(biāo)準(zhǔn)模型描述了構(gòu)成我們周圍一切的粒子的行為，并解釋了為什么，例如，粒子有質(zhì)量。事實(shí)上，2012年發(fā)現(xiàn)的希格斯玻色子(一種賦予物質(zhì)質(zhì)量的粒子)是一個(gè)具有歷史意義的里程碑，因?yàn)樗C實(shí)了對(duì)希格斯玻色子存在的長期預(yù)測(cè)。
但標(biāo)準(zhǔn)模型并不能解釋一切。標(biāo)準(zhǔn)模型已經(jīng)做出了許多成功的預(yù)測(cè)——例如希格斯玻色子、W玻色子和Z玻色子(介導(dǎo)了控制放射性的弱相互作用)，以及它們之間的夸克。也就是說，大多數(shù)物理學(xué)家都認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)模型并不完整。有幾個(gè)新的，更完整的模型的競(jìng)爭(zhēng)者——弦理論就是一個(gè)這樣的模型——但是到目前為止，沒有一個(gè)被實(shí)驗(yàn)最終證實(shí)。
NO.16 基本常數(shù)
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無量綱常數(shù)是沒有單位的數(shù)。例如，光速是一個(gè)基本常數(shù)，單位是米每秒(或186,282英里每秒)。與光速不同，無量綱常數(shù)沒有單位，它們可以測(cè)量，但不能從理論推導(dǎo)出來，而像光速這樣的常數(shù)可以。
天文學(xué)家馬丁·里斯(Martin Rees)就是一個(gè)專注于一些他認(rèn)為是物理學(xué)基礎(chǔ)的“無量綱常數(shù)”，他的著作《只有六個(gè)數(shù)字:塑造宇宙的深層力量》(Basic Books, 2001)。事實(shí)上，這些數(shù)字遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過6個(gè)；標(biāo)準(zhǔn)模型中大約有25個(gè)。
例如，精細(xì)的結(jié)構(gòu)常數(shù)，通常寫成alpha，決定了磁相互作用的強(qiáng)度。這是約0.007297。使這個(gè)數(shù)為奇數(shù)的原因是，如果它有任何不同，穩(wěn)定物質(zhì)就不存在。另一個(gè)是許多基本粒子的質(zhì)量之比，如電子和夸克，普朗克質(zhì)量(1.22×10^19 GeV / c^2)。物理學(xué)家很想弄明白為什么這些特定的數(shù)字有它們的價(jià)值，因?yàn)槿绻鼈兎浅２煌?，宇宙的物理定律就不?huì)允許人類存在。然而，對(duì)于為什么他們有這些價(jià)值，仍然沒有令人信服的理論解釋。
NO.17 重力到底是什么?
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重力,到底是什么呢?其他力是由粒子介導(dǎo)的。例如，電磁就是光子的交換。弱核力由W和Z玻色子攜帶，而膠子攜帶著將原子核結(jié)合在一起的強(qiáng)大核力。麥克尼斯說，所有其他的力都可以被量化，這意味著它們可以用單個(gè)粒子來表示，并且具有非連續(xù)的值。
重力似乎不是這樣的。大多數(shù)物理學(xué)理論認(rèn)為，它應(yīng)該由一個(gè)假想的無質(zhì)量粒子——重力子攜帶。問題是，還沒有人發(fā)現(xiàn)過重子，也不清楚是否有任何粒子探測(cè)器可以觀測(cè)到它們，因?yàn)槿绻刈优c物質(zhì)相互作用，它們就會(huì)非常非常非常非常罕見——非常罕見，以至于在背景噪聲的作用下它們是不可見的。我們甚至不清楚重子是否沒有質(zhì)量，盡管如果它們有質(zhì)量的話，它非常非常非常小——比中微子還要小，中微子是已知的最輕的粒子之一。弦理論假設(shè)重子(和其他粒子)是能量的閉合環(huán)路，但是數(shù)學(xué)工作到目前為止還沒有產(chǎn)生太多的見解。
因?yàn)橹刈舆€沒有被觀測(cè)到，重力一直抵制著試圖以我們理解其他力的方式來理解它——作為粒子交換。一些物理學(xué)家，特別是Theodor Kaluza和Oskar Klein，認(rèn)為重力可能是一種額外維度的粒子，超出了我們所熟悉的空間(長度、寬度和高度)和時(shí)間(持續(xù)時(shí)間)的3個(gè)維度，但這是否正確還不得而知。
NO.18 我們是否生活在虛假真空中?
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宇宙似乎相對(duì)穩(wěn)定。畢竟，它已經(jīng)存在了約138億年。但如果整件事是一場(chǎng)大事故呢?
一切都始于希格斯粒子和宇宙的真空。真空，或者說空的空間，應(yīng)該是最低的能態(tài)，因?yàn)槔锩媸裁炊紱]有。與此同時(shí)，希格斯玻色子——通過所謂的希格斯場(chǎng)——賦予萬物質(zhì)量。加州大學(xué)洛杉磯分校的物理學(xué)和天文學(xué)教授亞歷山大·庫申科(Alexander Kusenko)在《物理學(xué)》(Physics)雜志上撰文稱，真空的能量狀態(tài)可以從希格斯場(chǎng)的勢(shì)能、希格斯粒子的質(zhì)量和頂級(jí)夸克(一種基本粒子)的質(zhì)量來計(jì)算。
到目前為止，這些計(jì)算似乎表明，宇宙的真空可能不是處于最低的能量狀態(tài)。這意味著這是一個(gè)虛假的真空。如果這是真的，我們的宇宙可能不穩(wěn)定，因?yàn)橐粋€(gè)虛假的真空可以被一個(gè)足夠猛烈和高能的事件撞擊成一個(gè)低能量的狀態(tài)。如果發(fā)生這種情況，就會(huì)出現(xiàn)一種叫做泡核的現(xiàn)象。一個(gè)低能真空球體將以光速開始生長。沒有任何東西，甚至連物質(zhì)本身都無法生存。簡(jiǎn)單地說，就是我們將用另一個(gè)宇宙取代宇宙，它可能有非常不同的物理定律。
這聽起來很可怕，但考慮到宇宙還在，顯然還沒有發(fā)生過這樣的事件，天文學(xué)家已經(jīng)看到了伽馬射線暴，超新星和類星體，所有這些都是非常高能的。所以我們不需要擔(dān)心這個(gè)問題。也就是說，假真空的概念意味著，當(dāng)先前宇宙的假真空被撞入較低的能量狀態(tài)時(shí)，我們的宇宙可能以這種方式突然存在。也許我們是粒子加速器事故的結(jié)果。
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