基礎物理學中的四個大問題

物理學家對一些大的科學問題感興趣，例如世界從何而來？到目前為止，尋找答案的過程已經帶來了令人難以置信的發現：從大爆炸到粒子物理學的標準模型。但這些發現並不是故事的結局，因為它們提出了更多問題。因此，這裡將討論四個尚未解開的基礎物理學的最大謎團。

第一個問題

首先，第一個問題是：為什麼我們能記住過去，卻不能記住未來？這聽起來可能很愚蠢，但物理定律告訴我們這是一個合理的問題。基本上，物理的基本定律是可以告訴我們事物如何隨時間變化。鑒於系統的當前狀態，它們可以告訴我們系統接下來會發生什麼。但它們也能很好地告訴我們該系統過去發生了什麼。例如，我們可以使用相同的信息來確定滾動球的最終位置以及幾秒鐘前的位置。換句話說，物理定律同樣適用於時鍾來回運行。

但這不是我們體驗日常生活的方式。我們只體驗到一個方向的時間移動，原因是熵。熵是一個物理概念，用於跟蹤系統中的無序程度。在我們的日常生活中，它總是在增加：隨著時間的推移，系統往往會變得更加無序和混亂。那是因為日常事物有大量的部分相互作用，所以總是有更多的方式讓事物變得無序，而不是自發地整理自己。

所以，隨著時間的推移，我們所經歷的只是宇宙從低熵流向高熵。這就是一個很大的、沒有答案的問題出現的地方：這一切從哪裡開始的？就像我們從宇宙學證據中知道，整個宇宙有一個熵非常低的開始：大爆炸。在那裡，一切都被擠壓成一個整齊的小球體。但是為什麼宇宙會處於那種狀態呢？為什麼過去的熵較低？

宇宙應該更有可能處於最大熵狀態，以至於熵不再上升，時間也不再流動。但相反，宇宙一開始是高度有序的。這是一件不可能偶然發生的事情，科學家們為此正在尋找合理的解釋。所以，對於物理學家來說，「為什麼破鏡不能自發重圓」和「為什麼大爆炸會這樣發生」原來是類似的問題。

第二個問題

大約40年前，宇宙學家提出了一個稱為暴漲的想法，以解釋宇宙學大爆炸模型的許多問題。所以現在的問題是：暴漲是否真的發生了？如果發生了，它到底是什麼？

大爆炸理論說，宇宙從小而密集開始，然後向外擴展。暴漲理論是對它的補充，它說在宇宙存在的最初一小部分時間裡，它以更快的速度膨脹。大多數宇宙學家認為暴漲是真實的，因為它有助於解決大爆炸模型的一些問題，並且他們已經在望遠鏡中看到了它的大部分預測效果。

大爆炸模型預測，在儘可能大的尺度上，我們應該會看到顯著的溫度變化和一些翹曲。但是，宇宙看起來真的很均勻，而且似乎沒有任何整體曲率。我們所看到的任何地方，事物都大致相同，星系等事物的分布相似，環境溫度也相似，我們也沒有看到任何證據表明空間在最大尺度上發生了彎曲。

對於所有這一切，暴漲可以解釋原因。如果那個極端的增長階段發生了，那麼整個宇宙就會比我們所看到的要大得多。如果我們能看到的宇宙真的只是整體的一小部分，那麼它看起來光滑平坦是有道理的。這就像從空間站上看到的地球是彎曲的，但如果你放大它的一小部分，它看起來是平坦的。

但並不是每個科學家都相信這個想法是正確的。暴漲的概念也意味著存在一種叫做「暴脹」的粒子，但任何物理理論都沒有預測到這一點，我們對此也沒有直接的證據。因此，一些物理學家提出了暴漲的替代方案，比如諾貝爾獎獲得者羅傑·彭羅斯提出的非常抽象的「共形循環宇宙學模型」。

好消息是，下一代望遠鏡和引力波探測器可能能夠識別暴漲的信號，甚至告訴我們什麼類型的暴漲是真實的。

第三個問題

接下來是微調問題，它與常數有關。每當科學家確定物理理論時，他們總是會發現一些殘酷事實的數字。比如光速是每秒300000公里，但我們不知道為什麼。從電子的質量到重力的強度，有很多這樣的常數。

據統計，有26個基本常數，它們不能被解釋為來自更深層次的理論，只能通過實驗測量，這引發了各種各樣的問題。因為如果其中一些數字略有不同，我們所知道的生命就不會存在。例如，如果引力稍強或稍弱，恆星將無法產生生命運轉所需的多樣性和豐富的元素。

那麼，這裡發生了什麼？可能有一個我們還不知道的更基本的理論來解釋為什麼這些常數具有它們所具有的值。或者，答案可能在別處。一些研究人員推測存在一種多元宇宙，其中常數具有不同的值，物理學的工作方式也不同。其他人則更進一步，認為我們存在只是因為我們處於適合生命的宇宙中。不過，最後一個是一個非常投機的想法，而且由於它不是我們可以真正測試並提供證據的東西，它也接近於不科學。

事實是，物理學家只是不知道這裡發生了什麼。要了解更多信息，我們需要更好地了解物理學的基礎知識。這就把我們帶到了最後一個問題，物理學基礎的聖杯：對萬物理論的追求。

第四個問題

問題是：有沒有一種理論可以解釋所有的物理學？物理學家認為應該有一個萬物理論，因為過去兩個世紀的許多物理學突破都是某種統一。現在，我們有兩個重要的理論：廣義相對論和量子力學，它們有點不相容。

廣義相對論描述了引力的工作原理，量子場論描述了其他三種基本力：電磁力、強核力和弱核力。令人難以置信的是，整個宇宙中的一切都可以用這四種力量中的一種或多種來解釋。但廣義相對論和量子場論有時實際上是相互矛盾的，其結果可能會在極短距離或高能量等問題上發生衝突。因此，這裡的目標是找到一個更深層次的底層結構，在某些情況下看起來像量子場論，而在其他情況下又像廣義相對論。

最流行的萬物理論想法被稱為弦理論，它說一切都是由一維振動的「弦」組成的。物質的所有力和類型都來自它們不同的振動。我們可以花幾個小時談論弦理論，或者像圈量子引力這樣的其他想法。但是，這些理論中的任何一個都沒有證據支持。