现代物理学还有多少乌云？至少三大乌云，几十朵小乌云...

现代物理学还有多少乌云？至少三大乌云，几十朵小乌云，甚至更多原创 科学认识论 2019-03-05 16:53:51

从17世纪开始，伽利略通过系统化实验归纳了自然规律，从而标志着物理学的诞生。从伽利略到牛顿，从麦克斯韦再到爱因斯坦，从哈勃提出宇宙膨胀论到霍金提出黑洞辐射。物理学的新理论层出不穷，每一个都颠覆着常人的思维。

从伽利略的自由落体实验那年开始计算，物理学到今天走过来将近400年的时光。

纵观物理学史，有两次大巅峰时期。第一次是以伽利略和牛顿为代表的实验科学的兴起，第二次是相对论和量子力学的崛起。

21世纪为止，物理学没有出现颠覆性理论。反而留下来更多的乌云。

普朗克

这些乌云全都是在20世纪被科学家提出，驱散其中任何一朵乌云，必将在物理学史上留下浓墨重彩的一笔。

18世纪末的大部分科学家曾天真地以为物理学的大厦基本完成，其他只是缝缝补补的小事情。直到普朗克提出能量量子化的概念，彻底打破了这违和又尴尬的“和谐”局面。

20世纪的物理学全线推进，不仅将微观世界的研究尺度缩小到普朗克级别，还在高速世界将粒子的运动提高到狭义相对论级别。

不过物理学一直残留着形形色色的矛盾。比如在20世纪初，物理学家认为的乌云基本就是量子力学和广义相对论的不可调和性。爱因斯坦在晚年就着手研究如何将电磁力和引力统一起来，这就是爱因斯坦心中的大一统理论。以目前的认知层次来看，爱因斯坦注定是失败的。毕竟那时候强力和弱力还未被纳入物理学的研究范畴。

随着量子力学的发展，越来越多的问题浮现到世人面前，比如正反物质对称性破缺，量子引力的传播子还未被找到。

在高能物理中，物理学家还曾搞不懂质量产生的根本机制

在宇宙学上，既然按照霍金的黑洞辐射理论，那么被黑洞吸收的信息终将释放出来，那这些信息又会去哪？如果黑洞不会释放信息，那么理论预测的的黑洞辐射又该如何解释？

还有额外维度，多重宇宙论，暗物质，和暗能量等一系列亟待解决的问题。

现代物理学不仅存在理论矛盾，还存在理论之间的矛盾。在实验物理上，还存在验证手段不足的窘境。

但归根结底就是可验证理论的手段远远落后于挺进的理论。如果所有的理论都有可靠的实验基础，那么目前的物理学也不会出现理论的百花齐放局面。

我简单盘点一下物理学现存的大乌云

在理论层面上，量子力学和广义相对论不兼容，也就是说引力子目前还没有找到，其引力子还未被纳入标准模型。

解决的方案就是超弦理论，M理论甚至是圈量子引力理论。

万有理论

这些都是万有理论的候选者。正如前文所言，这些理论基本上很难，甚至没有手段可以验证，超弦理论甚至沦为数学上的自嗨。

在宇宙层面，暗物质和暗能量是否确凿无疑地存在？即便大多数科学支持暗物质和暗能量的存在，但是其信心仅仅来自无法解释的星系旋转现象引发的额外引力猜想，以及宇宙加速膨胀导致的能量缺失现象。

严格来说，暗物质和暗能量只是科学家坚信现有主流物理学理论的正确性。而观察宇宙的结果却与现有的力学理论有明显冲突。

那么物理学该怎么办？

力学理论已经被无数实验验证，没人相信力学理论会错，也没有更好的理论替代现有的力学理论，于是我们不得已引入新的物质概念，并选择相信它们是客观存在的。

疑似暗物质存在的子弹星系团

按照宇宙大爆炸理论的结果，爆炸之初会产生同等量的正物质和反物质。而且在爆炸之初，大部分正反物质会湮灭并释放了巨大能量，可为什么同等量的正反物质没有湮灭完全？

正反粒子对示意图

现在的宇宙绝大数是由正物质主导的，这多余出的正物质势必意味着同等量的反物质消失。这些反物质的去向是科学家无法解释的。

这一问题的解决注定掀起新的物理学革命。

不过也有值得庆幸的一面。最近几年，物理学在实验领域有了新的突破。

寻找希格斯波色子

在基本粒子如何产生质量的这一问题上曾经令物理学家费解。不过科学家提出来希格斯机制回答这一问题。

希格斯粒子示意图

科学家首先假定宇宙中充满希格斯场，某些基本粒子在希格斯场的量子激发会获得质量。不过这样的假设必须找到希格斯粒子。

就在2013年，欧洲核子研究组织宣布找到符合理论预言的新粒子，该粒子就是曾经苦苦寻找的希格斯波色子。

彼得·希格斯

希格斯本人也因此获得了2013年诺贝尔物理学奖。

验证量子力学完备性的贝尔实验

爱因斯坦曾经在1927年的第五届索尔维会议上舌战量子哥本哈根学派的波尔，并反对哥本哈根学派对量子纠缠的诠释。

爱因斯坦

爱因斯坦认为，大自然绝对不会存在量子纠缠这么诡异的超距作用的出现，这肯定是在解释量子纠缠这件事上出现的纰漏。这种纰漏就是由于量子力学的不完备性导致的。

我们之所以不可以完全预测天气，在于我们无法精确了解大气层中每一个空气分子的物理量，如果我们有足够的能力了解每个气体分子的运动规律，以及相互作用，那么我们就完全可以精确预测天气。

同理，爱因斯坦认为波尔对量子纠缠的解释是由于类似于无法掌握每个空气分子物理量的某种关键信息的缺失，这才导致出现量子纠缠这样诡异的现象出现。

他还认为：量子纠缠的超时空作用是纠缠粒子分开之初就决定好的。就好比把一双手套放进两个完全相同的盒子里，并随机打乱盒子摆放顺序。如果我打开其中一个盒子发现这只手套为左，即便你把另一个手套拿的再远，都会同时知道那只手套为右。

于是爱因斯坦认为量子力学并不完备。不过这样的争论没有任何实验可作为对赌保证。

直到上个世纪六十年代，贝尔提出来贝尔不等式以专门解决这一矛盾。上个世纪已经进行过多次贝尔不等式验证实验，结果显示爱因斯坦错了。不过这些实验饱受存在漏洞的诟病。

直到2015年，由数万人参与的大贝尔自由意志实验才从99%的程度上否定了爱因斯坦的说法。量子力学的完备性是板上钉钉的事。

最后我总结一下，物理学在理论与实验上存在亟待解决的三大乌云

①量子力学与引力的矛盾

②暗物质和暗能量的探索

③正反物质不对称的原因

在其他方面，物理学还存在如下乌云

理论预测和实验观察产生数量级冲突矛盾的真空能量密度问题，简称真空灾变问题

是否存在四维空间甚至更高维空间，简称高维度问题。

磁单极在宇宙爆炸之初是否存在过。以及中微子震荡问题。

基本粒子的惯性质量与引力质量是否在数值上相等？

我相信随着科学得发展，这些问题会一一解开。目前物理学的乌云解开后，或许会出现更多的乌云。乌云就是矛盾，有矛盾才会前进。

不过在哲学层面上，物理学终将存在一个永恒的话题，那就是：宇宙为何而生？

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366 条评论

评论

• 伏桀 1年前
  

  谢谢分享，这些资料对我小说设定更完整了。

  回复 ⋅ 11条回复56
  
  
  
• 无无无无所畏惧 1年前
  

  感谢分享，脉络清晰，从17世纪到21世纪关于量子的提出，验证，写的都挺好的。 最后一句挺有意思的，我们宇宙到底为何而生？

  回复 ⋅ 6条回复34
  
  
  
• 天外飞仙2010 10月前
  

  暗物质，黑洞，宇宙大爆炸，

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• 西北大学数53毕业 1年前
  

  额外引力从何而来？是通过引力计算公式计算所得的结果小于需要。公式中有两个变量，质量与距离。当光轨迹证明不是欧氏直线之后，用红移距离标注。红移算得之值，是光线轨迹之弧长。而引为公式中的距离是欧氏直线之长。最简单的一种可能，光轨迹是二维球面上之测地线，一段大圆劣弧弧长L。欧氏距离是对应之弦长d。当球半径为R时 d=2Rsin(L/2R)<L。当用L代替d时，计算出约引力变小了。而且与L平方成反比，损失增大很快。调整为较小值之后，暗物质之需求量至少要不了那么多。搞准确之后，也许就不需要暗物质了。 光发弯的原因是什么？充分性解释存在多样。以下一种解释，也过得去。光在三维空间内，沿二维球面之大圆传播。只要球半径R=100亿当年。银河系内之劣弧，都可近似看成直线。对应着银河系之附加引力需要很小。

  回复 ⋅ 8条回复13
  
  
  
• 星耀思维 1年前
  

  我有个胡乱猜测，希望有科学家参考一下。 那就是，空间就是暗物质！引力不是正物质直接的吸引，而是暗物质和物质直接的吸引，物理密度越大的地方，吸引的暗物质密度也越大。 很奇怪重来就没有科学家质疑过空间这种东西吗？空间是什么构成的？是什么填满了”空”? 也许我们千辛万苦寻而不得的暗物质，其实时时刻刻就在我们身边！

  
  
  

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