物理學(xué)十大謎題，物理學(xué)家們也沒有共識？

一項迄今為止針對全球物理學(xué)家開展的最大規(guī)模的調(diào)查顯示，在物理學(xué)的許多最重要的問題上，從黑洞和暗物質(zhì)的本質(zhì)，到引力理論與量子力學(xué)之間尚未完成的統(tǒng)一，學(xué)界并沒有形成明確共識。

這項調(diào)查共有1675名參與者，他們的背景十分多元：

以下是這項調(diào)查所涉及的10個問題以及調(diào)查結(jié)果：

Q1. 大爆炸意味著什么？

大量觀測證據(jù)已經(jīng)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(yīng)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(tài)，萬物都從這個狀態(tài)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(xiàn)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(nèi)不可能通過因果聯(lián)系相互影響：光在宇宙的壽命內(nèi)不可能傳播如此遙遠的距離。另一個令人困惑的現(xiàn)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(xué)中的謎題？

Q3. 暗物質(zhì)、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(fā)光物質(zhì)，它們產(chǎn)生的引力似乎不足以維持星系這樣高速旋轉(zhuǎn)。按理說，星系外圍物質(zhì)應(yīng)該更容易被甩出去，但觀測顯示它們?nèi)匀环€(wěn)定地繞星系旋轉(zhuǎn)。這些旋轉(zhuǎn)速率以及相關(guān)觀測結(jié)果（如星系團、重子聲學(xué)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(zhì)的形式出現(xiàn)，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(fā)揮作用的力，那么我們本應(yīng)預(yù)期宇宙膨脹會逐漸放緩。那么，最有可能導(dǎo)致宇宙加速膨脹的候選因素是什么？

Q5. 哈勃常數(shù)爭議

當前的宇宙膨脹率，也就是哈勃常數(shù)，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(yīng)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(yīng)于宇宙歷史中的“早期”。這兩種方法給出了不同的結(jié)果，而且隨著更多數(shù)據(jù)的積累，這一差異的統(tǒng)計顯著性也在增加。那么，對于哈勃常數(shù)爭議，最有可能的解釋是什么？

Q6. 人擇原理與物理常數(shù)

自然界中物理常數(shù)的取值，并不是由現(xiàn)有理論決定的。有人提出，如果這些數(shù)值稍有不同，宇宙很可能就無法形成復(fù)雜結(jié)構(gòu)，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(xué)假說，來解釋這些常數(shù)為何看似“恰好”被調(diào)節(jié)到允許生命存在的取值。然而，也有人質(zhì)疑這類論證是否站得住腳。那么，應(yīng)當如何解釋物理常數(shù)的取值以及這些所謂的“人擇原理”？

Q7. 量子力學(xué)的詮釋

量子力學(xué)能夠?qū)ΜF(xiàn)實世界中的現(xiàn)象作出極其精確的預(yù)測。然而，物理學(xué)家仍無法解釋：我們所經(jīng)驗的現(xiàn)實，究竟是如何從量子力學(xué)定律中涌現(xiàn)出來的。許多量子力學(xué)“詮釋”試圖回答的，正是這個問題。那么，哪一種量子力學(xué)詮釋最有可能是正確的？

Q8. 黑洞事件視界與落入物質(zhì)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(zhì)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(zhì)在穿過這一邊界之后會發(fā)生什么？

Q9. 黑洞信息

掉入黑洞的物質(zhì)會永遠被困在里面，還是并非如此？霍金及其他物理學(xué)家曾預(yù)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(zhì)具有自身固有的性質(zhì)（如量子自旋和夸克味），而計算表明，這些信息不會隨著發(fā)出的霍金輻射重新出來。換句話說，相對論似乎預(yù)言了信息會丟失。然而，量子力學(xué)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(xué)與引力統(tǒng)一起來，是物理學(xué)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(diào)查結(jié)果表明，在基礎(chǔ)物理學(xué)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(shù)甚至沒有達到半數(shù)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(xué)模型（ΛCDM模型），也沒有獲得多數(shù)支持。獲得了多數(shù)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(xué)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(tài)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(xué)家勉強達成共識：早期宇宙曾經(jīng)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(zhì)問題上，支持率最高的解釋并不是“暗物質(zhì)是一種或多種尚未發(fā)現(xiàn)的低質(zhì)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(xué)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(diào)查結(jié)果呈現(xiàn)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(jù)似乎已經(jīng)較為穩(wěn)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(shù)據(jù)、更精確的理論，或者不同子領(lǐng)域之間新的連接。

#參考來源：

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

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

https://physics.aps.org/articles/v19/34

#圖片來源：

封面圖&首圖：DESI Collaboration/KPNO/NOIRLab/NSF/AURA/P. Horálek/R. Proctor