有哪些当前科学理论无法解释，却又被明确承认的物理现象？ 第1页

说一个最近让我狂掉头发的问题：氢致金属脆化，简称氢脆。

1、什么是氢脆

金属材料有两个核心性能，即强度和塑性。强度指的是让一定截面积金属变形/断裂所需力的大小，而塑性代表金属在断裂前能够承受的变形量。

强度代表材料能承受的最大静载荷，其重要性无需多说。在强度相差不大的情况下，塑性往往表示材料抵抗冲击的能力。非材料领域的人经常会忽视塑性这个性能，但很多时候，塑性往往比强度更加重要。

你家的瓷碗一摔就碎，不是因为强度不够，而是因为塑性太差，产生一点点变形就断了，不能有效的吸收冲击。这种低塑性的特征也称为脆性。

将原本塑性很好的金属暴露在富含氢的环境下，会使得金属脆化，这种现象就叫氢脆。

2、氢脆的危害

早在1874年科学家Johnson就发现，原本要反复弯折几次才能折断的铁材，在酸液中浸泡几分钟后，一次就折断了。原因是酸液中的氢进入铁中，使得铁材变脆。

不过Johnson也是生不逢时，他的论文在发表后的60多年内都没有受到多大的重视，直到有1943年，人家美国的自由轮号安安静静的停在港口内，风平浪静也没被攻击，却突然就断成两截了：

这个事故促使政府调查断裂的原因，一开始很多学者认为断裂来自冰冷的海水诱发的低温冷脆。但后来也发现，由于焊接技术不成熟，钢板焊缝中残留有大量的氢，这些氢也是导致断裂的罪魁祸首之一。

由于氢是宇宙中丰度最高的元素，金属在服役中或多或少都会和氢接触。但这也使得原本塑性非常好的金属，可能用着用着就变脆了，从而在远低于设计载荷的情况下发生断裂，并且断裂前几乎没有征兆，十分难以预防，极易造成灾难性的事故。

三、盲人摸象式的氢脆研究

其实人们很早就知道，如果金属在冶炼中混入了过多的杂质（如氧、硫、磷等）就很容易变脆。氢也属于杂质元素，氢脆自然也属于杂质脆性之一。

但氢特殊的地方在于，它是元素周期表上最小的元素。氢就好比大象群中的蚂蚁一样，能够轻易的穿过金属间的缝隙，从而快速的移动、扩散。因此，氢脆问题实际上是个动态甚至是瞬态的问题。

实验上想要对这类动态问题进行直接的原子级观测是十分困难的，相应的数据也非常稀少。因此，我们只能盲人摸象一般，从断裂后的结果出发，提出各种机制猜想来反推原因。

也正是由于缺乏一锤定音的直接观测手段，学术界对氢脆原理的争议非常大。对氢脆现象全面、准确的解释和预测依然十分困难。

这个问题，science已经安排的明明白白。2016年，Science公布了125个最具挑战性的科学问题，在今后1／4个世纪的时间里，人们将致力于研究解决这些问题。这125个问题如下（前25个被认为是最重要的问题）：

ps…我现在的课题和第43个问题高度相关，感觉是毕不了业了。

以下来源于网络。

125个最具挑战性的科学问题

1.宇宙由什么构成?

2.意识的生物学基础是什么?

3.为什么人类基因会如此之少?

4.遗传变异与人类健康的相关程度如何?

5.物理定律能否统一?

6.人类寿命到底可以延长多久?

7.是什么控制着器官再生?

8.皮肤细胞如何成为神经细胞?

9.单个体细胞怎样成为整株植物?

10.地球内部如何运行?

11.地球人类在宇宙中是否独一无二?

12.地球生命在何处产生、如何产生?

13.什么决定了物种的多样性?

14.什么基因的改变造就了独特的人类?

15.记忆如何存储和恢复?

16.人类合作行为如何发展?

17.怎样从海量生物数据中产生大的可视图片?

18.化学自组织的发展程度如何?

19.什么是传统计算的极限?

20.我们能否有选择地切断某些免疫反应?

21.量子不确定性和非局部性背后是否有更深刻的原理?

22.能否研制出有效的HIV疫苗?

23.温室效应会使地球温度达到多高?

24.什么时间用什么能源可以替代石油?

25.地球到底能负担多少人口?

26.宇宙是否唯一?

27.是什么驱动宇宙膨胀?

28.第一颗恒星与星系何时产生、怎样产生?

29.超高能宇宙射线来自何处?

30.是什么给类星体提供动力?

31.黑洞的本质是什么?

32.正物质为何多于反物质?

33.质子会衰减吗?

34.重力的本质是什么?

35.时间为何不同于其他维度?

36.是否存在比夸克更小的基本粒子?

37.中微子是其自己的反粒子吗?

38.是否有解释所有相关电子系统的统一理论?

39.人类能够制造最强的激光吗?

40.能否制造完美的光学透镜?

41.是否可能制造出室温下的磁性半导体?

42.什么是高温超导性之后的成对机制?

43.能否发展关于湍流动力学和颗粒材料运动学的综合理论?

44.是否存在稳定的高原子量元素?

45.固体中是否有超流动性?如果有，如何解释?

46.水的结构如何?

47.玻璃态物质的本质是什么?

48.是否存在合理化学合成的极限?

49.光电电池的最终效率如何?

50.核聚变将最终成为未来的能源吗?

51.驱动太阳磁周期的原因是什么?

52.行星怎样形成?

53.是什么引发了冰期?

54.使地球磁场逆转的原因是什么?

55.是否存在有助于预报的地震先兆?

56.太阳系的其他星球上现在和过去是否存在生命?

57.自然界中手性原则的起源是什么?

58.能否预测蛋白质折叠?

59.人体中的蛋白质有多少存在方式?

60.蛋白质如何发现其作用对象?

61.细胞死亡有多少种形式?

62.是什么保持了细胞内的通行顺畅?

63.为什么细胞的成分可以独立于DNA而自行复制?

64.基因组中功能不同于RNA的角色是什么?

65.基因组中端粒和丝粒的作用是什么?

66.为什么一些基因组很大，另一些又相当紧凑?

67.基因组中的“垃圾”(“junk”)有何作用?

68.新技术能使DNA测序的成本降低多少?

69.器官和整个有机体如何了解停止生长的时间?

70.除了继承突变，基因组如何改变?

71.在胚胎期，不对称现象是如何确定的?

72.翼、鳍和面孔如何发育进化?

73.是什么引发了青春期?

74.干细胞是否位于所有肿瘤的中心?

75.肿瘤更容易通过免疫进行控制吗?

76.肿瘤的控制比治愈是否更容易?

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7.炎症是所有慢性疾病的主要原因吗?

78.疯牛病会怎样发展?

79.脊椎动物在多大程度上依赖先天免疫系统来抵抗传染病?

80.对抗原而言，免疫记忆需要延长暴露吗?

81.为什么孕妇的免疫系统不拒绝其胎儿?

82.什么与有机体的生物钟同步?

83.迁徙生物怎样发现其迁移路线?

84.为什么要睡眠?

85.人类为什么会做梦?

86.语言学习为什么存在临界期?

87.信息素影响人类行为吗?

88.一般麻醉剂如何发挥作用?

89.导致精神分裂症的原因是什么?

90.引发孤独症的原因是什么?

91.阿兹海默症患者的生命能够延续多久?

92.致瘾的生物学基础是什么?

93.大脑如何建立道德观念?

94.通过计算机进行学习的极限是什么?

95.有多少个性源于遗传?

96.性别倾向的生物学根源是什么?

97.生命树是生命之间系统关系最好的表达方式吗?

98.地球上有多少物种?

99什么是物种?

100.横向转移为什么会发生在众多的物种中以及如何发生?

101.谁是世界的共同祖先?

102.植物的花朵如何进化?

103.植物怎样制造细胞壁?

104.如何控制植物生长?

105.为什么所有的植物不能免疫一切疾病?

106.外界压力环境下，植物的变异基础是什么?

107.是什么引起物质消失?

108.能否避免物种消亡?

109.一些恐龙为什么如此庞大?

110.生态系统对全球变暖的反应如何?

111.至今共有多少人种，他们之间有何关联?

112.是什么提升了现代人类的行为?

113.什么是人类文化的根源?

114.语言和音乐演化的根源是什么?

115.什么是人种，人种如何进化?

116.为什么一些国家向前发展，而有些国家的发展停滞?

117.政府高额赤字对国家利益和经济增长速度有什么影响?

118.政治与经济自由密切相关吗?

119.为什么改变撒哈拉地区贫困状态的努力几乎全部失败?

120.有没有简单的方法确定椭圆曲线是否存在无穷多解?

121.霍奇闭链是代数闭链的和吗?

122.数学家将会最终给出Navier-Stokes方程的解吗?

123.庞加莱实验能否确定4维空间的球?

124.黎曼zeta函数的零解都有a+bi形式吗?

125.对粒子物理标准模型研究

是否会停止在量子Yahg-Mills理论上?

(注：最后6个数学问题选自Clay数学研究所提出的新千年问题)

简单归纳统计这125个问题，其中涉及生命科学的问题占46%，关系宇宙和地球的问题占16%，与物质科学相关的问题占14%以上，认知科学问题占9%。其余问题分别涉及数学与计算机科学、政治与经济、能源、环境和人口等。

1900年，开尔文勋爵在英国皇家研究所做了一次演讲，演讲中开尔文提到了，物理学大厦的上空飘着两朵乌云。在这之后的几十年里，正是通过对这两朵乌云的研究，得到了二十世纪最伟大的两个理论——量子力学和相对论。而在二十一世纪初的现在，我们可以自豪的说：

物理学大厦之上的天空，飘满了乌云

（逃）

1、正反物质不对称之谜

任何一种粒子都有其对应的反粒子，正反粒子的性质（如电荷等）是相反的，但是质量相同，比如电子（带负电）的反粒子就是正电子（带正电）。

最先提出“反物质”的是狄拉克（Dirac），他提出了描述电子的狄拉克方程，他通过解狄拉克方程发现，每一种粒子（自旋1/2的粒子）都必定存在其对应的反粒子，反粒子和粒子的质量完全相同，但是电荷等属性完全相反（注意与暗物质区分）。

1932年，安德森发现了正电子。从1930年起安德森负责用云室观测宇宙射线。安德森采用一个带有非常强磁铁的威尔逊云室来研究宇宙射线。他让宇宙射线中的粒子通过室内的强磁场，并快速拍下粒子径迹的照片，然后根据径迹长度、方向和曲率半径等数据来推断粒子的性质。1932年8月2日，安德森在照片中发现一条奇特的径迹，这条径迹和负电子有同样的偏转度，却又具相反的方向（下图），显示这是某种带正电的粒子。从曲率判断，又不可能是质子。于是他果断地得出结论，这是带正电的电子。狄拉克预言的正电子就这样被安德森发现了。

正反物质相遇会发生湮灭反应（当然也有一定的概率发生散射而不是湮灭），在这个过程中会发释放出高能光子。单纯的从Dirac方程来看，物质和反物质的地位是完全等价的，不存在谁比谁更优先，两者是互为反物质，也就是说，物质和反物质的产生和湮灭过程在统计上应该是平衡的。如果我们假设宇宙大爆炸时正反物质数量是相等的，那么现在的正反物质数量也应该是相等。

宇宙中的物质和反物质的不对称主要体现为正反重子的不对称，这是因为当今宇宙中的普通物质的能量主要集中在重子部分。但是天文观测数据却显示，在可观测的宇宙范围内，二者严重失衡，只发现了正物质，没有反物质。假设宇宙中有反物质存在的区域，那么在正反物质的交界处会发生剧烈的湮灭，产生很强的伽马射线，但是宇宙观测中并没有发现这种伽马射线。在高能宇宙线中观测到的反物质比如反质子是宇宙线传播过程中发生碰撞而产生的次级粒子, 并不是来自于宇宙深处的原初反物质其它的观测也给出了相同的结果。

到目前为止，提出了很多理论解释宇宙正反物质不对称，但是还没有任何一个理论能完美的解决这个问题。

2、暗物质之谜

宇宙中的星系一般都是有自转的，星系中的天体绕着星系中心旋转。根据牛顿理论以及观测到的星系物质分布，可以得到星系中天体绕着星系中心旋转速度与到星系中心距离的关系，定性来说，就是随着距离的增加，旋转速度先增加后降低：

然后对很多星系的观测发现，实际结果与理论预测结果并不相同：在距离较小时，旋转速度随着距离的增加而增加；但是距离较大时，旋转速度不再随着距离增大而变化。

实际上，根据观测，暗物质在宇宙中的含量是可见物质的五倍多，

虽然人们已经对暗物质作了许多天文观测，其组成成分至今仍未能全然了解。暗物质不参与电磁相互作用，因为无法通过光学手段或者电磁观测到；也不会参与强相互作用。暗物质应该会参与弱相互作用，因此与我们周围物质的相互作用极弱，或许暗物质就在我们周围，但是很难被观测到。

现在世界上也运行着一些仪器对暗物质就行探测，比如中国于2015发射的暗物质粒子探测卫星（DAMPE）“悟空号”，2017年11月30日中科院发布，悟空号发现可能是暗物质存在的证据^[1]。

丁肇中目前主导的AMS项目，就是一个安装于国际空间站上的粒子物理试验设备，其关键目标就是寻找暗物质粒子。

3、中微子质量问题

中微子是奥地利物理学家沃尔夫冈·鲍利于1930年，为了解释β衰变中能量、动量以及自旋角动量守恒而提出的。中微子是电中性粒子。1942年，王淦昌首次提出利用电子俘获来在实验中观测中微子。在1956年7月20日发行的《科学》杂志中，克莱德·科温、弗雷德里克·莱因斯等人发表了他们对于中微子的观测结果。而在这一结果发表近40年后，莱因斯才因为发现中微子而获得了1995年的诺贝尔物理学奖。^[2]

中微子是标准模型中的基本粒子，一共有三种，它们都只参与弱相互作用，而弱相互作用在标准模型中扮演着非常特殊的角色。弱相互作用破坏宇称守恒定律，也就是它对于空间反演变换是不对称的。（杨振宁与李政道正是研究弱相互作用中宇称不守恒而获得1957年的诺贝尔物理学奖。）中微子是费米子，而费米子可以按照手性分为左手性和右手性，它们在弱相互作用中的参与方式是不同的。然而，实验结果显示，中微子只有左手性的，没有右手性的。因此，在标准模型中，只有左手中微子而没有右手中微子。但是不存在右手中微子的严重后果就是中微子无法产生质量！也就是说，标准模型理论中的中微子是没有质量的粒子。（类似光子）

然而，在对中微子观测的实验中，人们发现了“中微子振荡”现象。那么什么是中微子振荡呢？简单的说，中微子一共有三种，在一次反应中产生了大量的特定的中微子，但是在远处对这种中微子进行观测的时候，却只观测到了1/3的此中微子，另外的2/3变成了另外的两种中微子。而中微子振荡现象要求中微子有质量！

因此，理论与实验产生了矛盾。日本科学家梶田隆章以及加拿大科学家阿瑟·麦克唐纳两人由于发现了中微子振荡现象存在的证明，并取得中微子质量数据，因此获得了2015年诺贝尔物理学奖。中微子振荡是目前唯一直接超出标准模型的实验结果^[3]。为了产生微小的中微子质量，我们必须超越粒子物理学标准模型，引入新的基本粒子或者对称性。但是目前为止，新引入的粒子或者对称性还没有被观测到。

4、夸克禁闭之谜

夸克是标准模型中的粒子，夸克之间通过强相互作用构成复合粒子，比如，质子是由两个上夸克和一个下夸克构成，中子是由一个上夸克和两个下夸克构成。这样的复合粒子叫做重子。夸克也可以和一个反夸克构成粒子，这样的粒子称为介子。介子和重子统称为强子（参与强相互作用的粒子）。

虽然夸克可以三三两两的构成复合粒子，但是夸克却无法单独存在。考虑把一个介子中的两个夸克分开：

在这个过程中，需要给系统输入能量。这个可以用引力说明：把地球上的物体和地球分开，需要给这个物体输入能量，比如用火箭，才能把它发射出去。然而对于介子中的夸克，实际发生的情况是，当介子中的两个夸克被扯断时，给系统输入的能量足够能从真空中再激发两个新的夸克，这两个新的夸克会和被分离的两个夸克分别结合，最终就是由一个介子变为两个介子。还是没有单独的夸克被分离出来。

上面是定性的解释，要想真正的理解这个过程，要从描述强相互作用的理论——量子色动力学——出发。夸克之间的相互作用的强度可以用一个参数（后面用 ）来表示，越大，相互作用越强，反之则越小。研究发现，会随着能量的变化而变化，实际上，会随着能量的增加而降低，如下图所示

也就是能量越高，夸克之间的相互作用越弱。但是遗憾的是，这个理论非常复杂，尤其是在低能量下，我们还做不到对这个理论进行严格求解，而上述的结果是就只是系统在高能下的行为。因此，目前还无法通过量子色动力学直接得到夸克禁闭。但是，通过研究高能下量子色动力学的行为，我们发现了夸克物质在高能下的一个行为，渐进自由，这个现象给出了一个可能解决夸克禁闭问题的可能。

5、中子寿命之谜

前面提到了，中子是强子，由两个下夸克和一个上夸克构成。自由的中子可以通过弱相互作用发生衰变，变成质子，同时释放一个电子和（反电子）中微子，

既然中子可以衰变，就有寿命。而对于中子寿命的测量，目前有两种办法：第一种是把很多中子放到瓶子里，经过一段时间后再数一下瓶子中还剩多少中子，用这种方法测得中子寿命为14分39秒；第二种是产生一束中子束，然后统计其中生成的质子数，得到的中子寿命为14分48秒。

理论上说，中子寿命不应该依赖测量方法，然而这两种不同的测量方法给出的中子寿命竟然有9秒的不同。要解释这样的不同，有两个思路：第一个，两种方法有一种是有错误的，为了检验这种可能，就需要把两种不同的测量方法同时放在一个设备中进行试验；第二个，就是中子的衰变没有我们想象的那么简单，中子不仅可以衰变成质子，甚至有可能衰变成不可见的暗物质！

但是，具体什么原因，目前为止还没有明确的答案。中子的寿命具体是多少，我们还不知道。

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参考

1. ^ http://www.cas.cn/yw/201711/t20171129_4625129.shtml
2. ^ https://zh.wikipedia.org/wiki/%E4%B8%AD%E5%BE%AE%E5%AD%90
3. ^ https://www.zhihu.com/question/36233811