到目前为止，有哪些尚未解开的物理之谜可以研究？第1页

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1900年，开尔文勋爵在英国皇家研究做了一次著名的演讲，演讲中开尔文提到，物理学大厦的上空一篇晴朗，但是远处飘着两朵令人不安的乌云。（注:历史中好像并没有这样的演讲内容，特此说明。)

在那之后，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。在过去的一百多年里，经过无数科学家的努力，物理学大厦之上的天空，终于飘满了乌云！

1、乌云之暗物质和暗能量

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：

（来源：https://zhuanlan.zhihu.com/p/28250730）

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，

宇宙的构成

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]。

暗物质占据了宇宙总物质和能量的27%，而暗能量则占据了68%。宇宙膨胀加速，宇宙中总的压强必为负值，即今天的宇宙是由一种具有很强负压的物质所主导（重子物质和暗物质压强为0）。这种神秘的负压物质就是暗能量。我们目前对暗能量的本质知之甚少，只了解它具有负压强，且近乎光滑，即不结团。暗能量的更多性质由其压强与能量密度的比值，即状态方程参数来描述。暗能量的本质决定着宇宙的命运^[2]。

也就是说，对于宇宙中95%的物质和能量，我们现在毫无头绪！我想，这也是目前物理学大厦上空最大的一朵乌云！

上面说了，宇宙中95%的物质和能量我们一无所知，那么剩下5%的物质我们就了解地很清楚吗？实际上也不是，这5%的物质中依然有不少未解之谜

2、乌云之正负物质不对称

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）。后来美国物理学家安德森在1932年观测到了正电子（如下图所示，正电子穿过云室，留下轨迹）

正电子的发现：正电子穿过云室轨迹

正反物质相遇会发生湮灭反应，在这个过程中会发释放出高能光子。但物质和反物质的地位是完全等价的，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的。

然而观测表明，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。

3、乌云之夸克禁闭

夸克是基本粒子之一，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：

把介子中的两个夸克分开过程

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（）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

夸克相互作用强度（纵坐标）随着能量（横坐标）的增加而降低

也就是能量越低，夸克之间的相互作用越强；能量越高，夸克之间的相互作用越弱，这一点被称为渐进自由。在强相互作用中，有大量有趣的现象是发生在低能量区域的，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，而渐进自由只是系统在高能下的行为。总而言之，夸克禁闭现象到目前为止仍然没有完全解决。

4、乌云之中微子质量问题

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。^[3]

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）

粒子物理标准模型。中微子一共有三种。

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！

我国在对中微子震荡的研究也保持领先状态，比如说高能所的大亚湾中微子实验以及正在建设中的江门中微子实验。大亚湾中微子实验精确测量了中微子混合角在未来几十年内, 大亚湾将保持对这一基本参数的最高测量精度；江门中微子实验 2008 年提出建议, 2013 年正式启动. 通过在 53 km 处探测反应堆中微子振荡，它将能确定中微子质量顺序，并精确测量3个中微子混合参数^[4]。

大亚湾中微子实验

（上图^[5]）

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^[6]。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。虽然经过了很多年的努力，但是中微子质量之谜到目前为止还是没有被解决。

以上列举的是一些比较“有名”的乌云，实际上，在各个领域的细分领域还有大量的小块乌云漂浮着。那么，这是不是说明我们现在的成果一无是处呢？

答案当然是否定的！

对于自然的探索，从来就是波动式前进，螺旋式上升的！

科学研究的过程就是这样的，

一边发现问题，一边解决问题；

一边解决问题，一边发现问题。

问题总是会有，问题也总是会被解决。

虽然目前的理论还有很大的不完善，

但是百年前对宇宙的认知与现在无可比拟。

退一步讲，

如果宇宙已经完全被我们掌握了，

那该会是多么无聊的事情，

不是吗？

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1、乌云之暗物质和暗能量

2、乌云之正负物质不对称

3、乌云之夸克禁闭

4、乌云之中微子质量问题

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