宇宙中有哪些未解之谜

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NO.1 为什么会存在时间之箭

热力学第二定律即熵增定律赋予了时间以方向，如果把宇宙看作是一个孤立的系统，那么宇宙的时间总是向着熵增的方向前进，如同打碎的玻璃杯无法被复原，海边的沙堡会被冲刷回沙子。

问题是，宇宙为什么会有以及如何产生了一个熵值极小的开端，换句话说：为什么宇宙诞生之初就是一个美丽的沙堡呢？

NO.2 测量如何使波函数塌缩？

这是量子力学的核心问题，波函数描述了微观粒子的位置、动量、能量、自旋、同位旋等属性随时间演化的关系，在这个系统中，粒子会处于多个类似确定状态的叠加状态，比如薛定谔的猫中既生又死、非生非死的猫，又比如单电子双缝干涉实验中那个在某一时刻同时以各种路径穿过2道缝隙的电子，在未进行测量前，这种概率分布的状态，其每一种都倾向于真实的存在。

但测量后，粒子的波函数就塌缩了，从叠加态变为本征态，对于为什么测量会导致塌缩，产生了很多的解释，诸如几率解释、退相干、多世界假说，但清晰的图像还有待科学理论与实验的进一步发展。这个谜题的答案可能会是我们理解什么是现实，或者是否真的存在现实这些问题的“钥匙”。

NO.3 弦理论是否正确？

弦理论的创建者为美国著名物理学家迈克尔·格林，目前他接替英国著名科学家史蒂芬·威廉·霍金的位置，接任了世上最为驰名的学术职位——“卢卡斯数学讲席教授”。

弦理论认为，宇宙间的万事万物都由一条极小的开放或闭合的弦构成，“弦与点最大的区别，就是它能够振动，不同模式的振动，可以看成不同类型的基本粒子。

在追求统一理论的过程中，引力一直是一个难点，因为它被证明在统一的过程中，无法通过重整化的数学手段来消除产生的无穷大问题，也就是说，目前，广义相对论和量子力学有着各自统辖的区域，而弦理论被认为是一座桥梁，弦理论设想了其中的一种振动状态会产生引力子，因此，弦理论也被认为是量子引力理论。

虽然弦理论被认为是很有潜力的统一理论，但尚未实验观测到理论框架中的任何要素，首先这些弦太小了，从未有人看到过什么物质有一点点像弦。另外，弦理论仅仅在拥有 10 维或 11 维的宇宙中才起作用，这样的宇宙包含有三个大的空间维度、6 个或者 7 个紧凑的空间维度以及一个时间维度。然而，这种紧凑的空间维度以及不断波动的弦本身的大小仅为普朗克尺度大小（10的-35次方米）。目前，没有办法来探测这么微小的事物，所以，也没有可知的方式来通过实验证实或者证伪弦理论。

如果弦理论是正确的，那么弦将成为宇宙中最小的物体。问题是一旦我们能够探索到这么小的尺度，那我们固有的关于小和大的概念，也许会完全颠倒过来。“当你探测到弦这么小的尺度，整个宇宙就尽在你的掌控之中，因为宇宙也是从这样的大小开始，演化成我们今天所看到的样子。所以这个你认为是最小的部分，可能实际上包含了万事万物。你可以说它是宇宙中最小的物质，也可以放心大胆地说，它就是整个宇宙。”

NO.4 多重宇宙与平行宇宙

量子力学法则指出，粒子可能的组合的数量是有限的（共有 10 的 10次方的 122 次方）。而天体物理学的数据表明，宇宙时空可能是“平直”的，而非弯曲的，因此，它会永远延伸下去。

据此，如果我们的宇宙是无限大的，那么其间必然会重复出现相同的粒子组合——不断重复无数次。这就意味着，存在着无限多的重复组合，这便是平行宇宙的版本1。

在“薛定谔的猫”和“单电子双缝干涉实验”中，用来解释猫的非生非死、用来解释电子以无数个路径通过2条狭缝的叠加状态为什么在测量后就会消失时，除了波函数塌缩解释，还有另一种另人震惊的解释，即每一种可能的状态都发生了并继续影响着一切，而只有一种结果被我们这个宇宙所观测到，这种解释首先由埃弗里特（Everett）提出，被称为多世界假说，也算是平行宇宙的版本2。

而根据现代物理学，我们的宇宙可产生于无，我们的宇宙可能是一个巨大的量子涨落，其总能量非常接近于0，而这种量子引力效应占据主导地位的创生时刻，可能会产生无数个量子涨落，对应着无数个泡泡宇宙，不同的泡泡宇宙可能对应不同的物理法则。这被称为多元宇宙。

现代物理实验已经能计算出宇宙在1000亿亿亿度状态时的状态，这个温度对应着宇宙大爆炸约10亿亿亿亿分之一秒的时间点，倾向于支持宇宙随着真空中的量子紊动怦然而出，但不同宇宙间的相互影响或存在的证据至今仍未被实验观测到。

NO.5 暗物质和暗能量

宇宙中大约 84%的物质既不吸收光也不释放光。“人如其名”，这种“暗物质”无法被直接观察到，因为它们不带电，仅与可见物质发生微弱的引力影响（可能也发生弱相互作用力影响），它们对于维系大尺度旋转天体的稳定发挥了重要的作用，对于其探测，WIMP弱相互作用力大质量粒子和轴子axion是有希望的候选者，但迄今为止科学家们也没有通过直接或间接的手段探测到其“踪迹”。

暗能量就更“神”了，因为连用什么方法探测它们都是个问题，它们占据了宇宙总质能的70%，科学家们对遥远的超新星进行的观察表明宇宙正在加速膨胀，而这种效应则是由暗能量造成的，目前，最为人所接受的暗能量模型中，暗能量是一个“宇宙常数”，是宇宙空间本身固有的属性，其会对空间施加“负压力”，将空间撕开。不断膨胀的宇宙会制造出更多空间，这些空间也会拥有更多的暗能量。这种正反馈效应将导致我们的宇宙最终会“大撕裂”。

NO.6 为什么物质最终战胜了反物质

为什么宇宙中物质的数量比与其电荷相反、自旋方向相反的“双胞胎”——反物质的数量多？

这一问题也可以理解成，为什么万事万物会存在？一种假定认为，早期宇宙中的能量应当混合生成了数量相等的物质和反物质，它们随后本来应该彼此湮灭的：质子会同反质子相互抵消；电子和反电子（正电子）、中子和反中子相互抵消等等，结果就是，在一个无质量的“苍天”里，只留下一片光子的海洋。

但事实却是，某种神秘而非常有用的机理让天平向物质一方倾斜，留下了足够多的物质，从而形成了我们现在看到的布满恒星的星系、宇宙以及我和你。除此之外没有其他可以接受的解释。

为什么物质占据了上风，最起码从地球看出去是这样的，这种不对称性的确切机制仍未得到解决，其必要条件之一是宇称不守恒，这个已经在弱相互作用力中被实验观察到了，提出者便是杨振宁和李政道。

NO.7 为什么宇宙这么大却没看到外星人

被称为费米悖论？费米悖论指的是外星生命的高可能性与明显缺乏此类生命存在的证据之间的矛盾。

宇宙真的很大。喜欢，真的很大。在宏伟的计划中，人类只是小鱼苗。但是，我们目前似乎是唯一参加聚会的人。

现在，我们已经确定了极少数可能适合居住的“类地球”行星，但是我们仍然没有从“那里”看到任何智能生活的迹象。那么，为什么无线电保持沉默？有许多理论，从智慧生命异常稀少或短暂的可能性到外来物种有意避免检测的概念。

NO.8 黑洞

黑洞，可以说是宇宙中一个极特殊的存在，尽管我们对黑洞的研究和了解已经很多，我们探测到了引力波，我们有了第一张真实的黑洞写真，但关于黑洞，我们仍知之甚少。

霍金提出了宇宙会蒸发，被称为霍金辐射，为了避免黑洞吞噬一切并蒸发而造成的信息丢失问题，产生了有关黑洞会留下残留物、黑洞会在某一时刻停止蒸发的调和理论。所有这一切，都还没有任何的观测证据。

特别是黑洞存在的奇点，可能量子引力理论能加以解释，它通常被应用于引力效应和量子效应都超强的地方，比如黑洞。但目前这样的理论也没有得到实验的验证。

有人将黑洞与白洞、虫洞、多元宇宙联系在了一起，但目前也仅限于理论猜测。

结语

宇宙总是与现代物理息息相关的，相关的链接、资料列举了很多甚至上百个未解之谜，但总的说来，都是上述问题的子或母课题，或与之前联系，在这里就不再赘述了，”科学剃刀“想说的是，现代物理和宇宙学发展至今，急需理论与实验的相互支撑，而上述问题所涉及到的实验往往都是巨大数量级的能量、温度、极小数量级的能量、时间、尺度等条件下可能去印证的，而这往往都需要巨大的实验装置，不再是某一人甚至某一国家努力就能取得突破性进展的。