未解決的物理學問題

有一些重要但尚未解決的物理問題。其中包括理論性的，即現時理論未能夠給予觀測到的物理現象或實驗結果令人滿意的解釋；還有實驗性的，即能夠周密測試某先進理論或深入研究某物理現象的實驗，不過現時現地很難建造或完成。純理論方面的問題.這裡列出的基礎理論問題或理論構想缺乏實驗證明。在這些問題之間，可能有強烈的相互關聯。例如，額外維度或超對稱可能有辦法解釋。物理學者認為，完整無瑕的量子重力理論應該能夠解釋大多數列出的問題。從航海家探測衛星測量到的資料所推斷出的真空能量密度上限為1014 GeV/m3，而從量子場論估算出的零點能量密度卻為10121 GeV/m3，兩個數值竟然相差了107個數量級。物理史上從未見到這麼大的差距，很多物理學者認為這是當今物理理論的重大瑕疵。如何整合量子力學和廣義相對論成為完整一致的理論？在超小尺度、超大尺度或其它極端案例，廣義相對論的預測與量子重力理論有甚麼差異？理論預期的黑洞熱輻射現象是否屬實？此種輻射是否帶有關於黑洞內部結構的資訊，如同所建議，還是不然，如同史蒂芬·霍金的原本計算？若為不然，則黑洞能夠蒸發乾淨，注意到量子力學並沒有給出摧毀資訊的機制，那麼，儲存於黑洞的資訊又會怎麼樣？是否黑洞蒸發到某一程度就會自動停止，只剩下殘餘黑洞？根據無毛定理，黑洞只有三種屬性：質量、電荷量、角動量；除此以外，沒有任何內部結構。這定理是否正確？為何尚未找出探勘黑洞內部的方法？大自然是否擁有多於四個時空維度。假若答案為「是」，則到底有多少時空維度？維度是不是宇宙的基本屬性，還是其它物理定律的合理結果？物理實驗能否觀測到更高維度的證據？宇宙暴脹理論是否正確？若為正確，這段時期所發生事件的細節為何？這造成暴脹的假定到底為何？假若暴脹在過去某一時間曾經發生，有否有可能藉著量子力學漲落的暴脹機制，繼續自我維持暴脹，因此在宇宙某超遠處，這暴脹仍舊正在進行中？是否有足夠的物理理論基礎來支援期待其它宇宙的存在，雖然這些宇宙從根本而言是無法觀測到的？例如，量子力學的多世界是否存在？在這些宇宙裡，在高能量狀況，由於使用別種方式破壞物理力的明顯對稱，所造成的物理定律是否會迥然不同。使用人擇原理來消解全域性宇宙困境是否正確？在廣義相對論的愛因斯坦場方程式的某些解答中，會出現有封閉類時曲線，即粒子移動於時空的世界線為封閉迴路，從初始點移動經過一段路程後，又會返回初始點。封閉類時曲線意味著一種時間旅行，能夠返回過去的時間旅行。史蒂芬·霍金的時序保護猜想表明，強烈地不允許任何除了微觀尺度以外的時間旅行。結合廣義相對論與量子力學在一起的量子重力理論，能否排除封閉類時曲線的可能性？物理學在微觀的層次幾乎完全是時間對稱的。這意味著，假設將時間流逝的方向倒轉，則原本物理定律仍然會保持為正確。但是在巨觀層次，時間存在著明顯的流逝方向。時間箭頭就是用於描述這種不對稱的現象。由於時間演進和時間反演而產生的不同物理現象，它們給出的關於時間屬性的資料為何？根據CPT對稱理論，從CP破壞的證實可以立即斷言時間是無法反演的。因此，時間對稱性不成立，時間箭頭可以建立起來。但是，這方法並不是直接地，而是間接地證實時間對稱性不成立。測量基本粒子的內稟電偶極矩實驗可以更強烈、更直接地證實這性質。假設基本粒子擁有內稟電偶極矩，則宇稱對稱性和時間對稱性都會被破壞。更詳盡細節，請查閱基本粒子的電偶極矩。對於各種粒子的電偶極矩，現在最準確的實驗測值為中子formula_1 、電子formula_2 、水銀formula_3 。另外一個衍生的問題是，為什麼CP破壞只有在某些弱互動作用的衰變中才能觀測得到，例如，而在其它互動作用都觀測不到？定域性原理表明，物體只會被其緊鄰周遭環境事物影響。1935年，阿爾伯特·愛因斯坦等發表EPR弔詭，認為量子力學的基礎理論，因為違背了定域性原理，可能不完備。三十年之後，約翰·貝爾提出反駁，主張不能複製量子力學的所有預測。在量子力學裡，是否會出現非定域現象？假設非定域現象存在，這是否只侷限於貝爾不等式被違背所顯露出的量子糾纏；資訊、能量或物質能否能以非定域方式的傳播？在哪種狀況可以觀測到非定域現象？非定域現象的存在與否，對於時空的基本結構，有甚麼含意？非定域現象與量子糾纏有甚麼關聯？如何藉著非定域現象來說明量子力學基礎性質的正確詮釋？根據天文觀測和宇宙學理論，可以對可觀測宇宙未來的演化作出預言。宇宙最終是否走向熱寂、大崩墜、大撕裂、大反彈，還是按照多重宇宙論的論述，可能存在很多各種各樣的宇宙，新的宇宙可能正在誕生，同時老舊的宇宙可能正在湮滅，但整個平行宇宙永遠不會完全終結？在最初宇宙、高能量的時期，粒子有否帶有磁荷？若有，則為何現在那麼難偵測到它們？現在有沒有任何磁單極子仍舊存在？。怎樣能夠將量子場論的三種不同的基本互動作用，即強互動作用、弱互動作用和電磁互動作用，統一成為單獨一種互動作用？至今為止，一些常見的主流大統一模型為SO(10)模型、等等。由於這些模型預測的新粒子的質量為數量級，大大地超過碰撞實驗的可能範圍，所以，物理學者無法做實驗直接觀測到這些新粒子。因此，物理學者必需使用間接方法，例如，質子衰變實驗、基本粒子電偶極矩實驗、微中子屬性實驗、磁單極子偵測實驗等等。注意到質子為質量最輕的重子，質子是否為絕對的穩定？倘若不是，質子的半衰期為何？日本的超級神岡偵測器並沒有確切地偵測到任何質子衰變事件。從實驗得到的資料，質子的壽命被設定為超過1033年。時空超對稱是否實現於大自然？假若是，超對稱破壞的機制為何？超對稱是否能夠穩定電弱尺度，避免大幅度量子修正？最輕的超對稱粒子是否為暗物質的組成成分之一？由於共同提出卡比博-小林-益川矩陣來解釋CP破壞的現象，並且給出了標準模型會允許多達三代夸克與輕子存在的原因，小林誠與益川敏英因此榮獲2008年諾貝爾物理學獎。這理論並沒有限制最多隻能有三代。那麼，有否可能找到第四代夸克或輕子？是否能夠構想出解釋不同代粒子之間質量差異的理論，一種關於湯川耦合的理論？在宇宙中，為什麼偵測實驗結果顯示，物質比反物質多很多？大爆炸應該製造出同樣數量的粒子與反粒子，而粒子會和反粒子湮滅產生光子。因此宇宙應該充滿了光子，而不會有很多物質存在。但是，宇宙現在的狀況並不是這樣。在大霹靂發生之後，一定有某些物理定律不平等地作用於物質與反物質。請問這些物理定律為何？在最初宇宙是否有某些作用力存在，但是後來隨著宇宙演化，這些作用力已消失無蹤？強互動作用物質有哪些相態？在宇宙中，這些相態的角色為何？核子的內部結構為何？量子色動力學對於強互動作用物質的屬性方面的預測為何？哪種機制主掌了夸克和膠子的變遷為π介子與核子？是甚麼機製造成了量子色動力學的重要特色：夸克禁閉與漸近自由？怎樣將量子色動力學與廣義相對論合併為一個完整理論？核力如何將質子與中子結合為？有些化學元素的原子核，其質子和中子的數目恰巧為幻數數目，核物理學家推測這些化學元素特別穩定。這理論稱為穩定島理論。鑑於這理論，最沉重的穩定或介穩定原子核為何？量子理論的描述怎樣成為做實驗所觀查到的大自然實在，這包括量子態疊加、波函式塌縮、量子去相干等等？換句話說，這是一種測量問題，造成波函式塌縮為確定態的量子測量所倚賴的機制為何？又稱為「終極理論」，萬有理論試圖解釋與聯結所有已知的物理現象，並且預測在原則上可行的任何實驗的結果。但是，構築這理論所遇到最困難的問題是，怎樣將廣義相對論與量子力學統一為單一理論？於2000年，克雷數學研究所發表七大千禧年大獎難題，其中一道題目為楊-米爾斯存在性與質量間隙。這是理論物理中規範場論的一道基礎問題。楊-米爾斯理論是一種規範場論。獲勝者必須嚴格證明楊－米爾斯場論存在，亦要證明質量間隙，即此理論所預測質量最輕的粒子，其質量為正值。形成宇宙或多重宇宙的物質、能量、時空、基本作用力，它們的物質源頭為何？能否設計出可行的實驗來證實多重宇宙存在。為什麼在可觀測宇宙中，重子的數量比反重子多很多？根據廣義相對論，宇宙真空裡蘊藏的能量會產生引力場，真空能量密度 formula_4 與宇宙學常數 formula_5 之間的關係為 formula_6 。怎樣計算真空能量密度是物理學尚未解決的一個大問題。最簡單演算法總和所有已知量子場貢獻出的零點能，但這理論結果超過天文觀測值120個數量級，被驚歎為「物理史上最差勁的理論預測」！為什麼從真空能量密度計算出的宇宙學常數，會與天文觀測值相差這麼大？這問題稱為宇宙學常數問題。到底是甚麼物理機制抵銷這超大數值？解決這問題可能要用到量子引力理論。:186-187無法用電磁輻射偵測，而是從作用於可見物質與背景輻射的重力效應連帶推斷出來的物質，稱為暗物質。物理學者尚不清楚甚麼是暗物質的基本成分？是否與超對稱有關？歸因於暗物質的天文現象，實際上是否是重力的延伸？暗能量是一種充溢於整個空間的能量的假定形式。暗能量傾向於增加宇宙膨脹速度。最近完成的關於超過20萬座星系的調查，似乎確定了暗能量的存在。但是，物理學者仍舊無法精確地描述與解釋暗能量的物理性質。暗能量主要有兩種模型：宇宙學常數模型與第五元素模型。每一種模型都有其強點與弱點，尚未有任何實驗結果令人信服地顯示哪一種模型為正確模型，也可能都不夠正確。如右圖所示，物質密度formula_7與宇宙標度因子formula_8的三次方成反比：formula_9，而暗能量密度formula_10與宇宙標度因子的關係式為formula_11 ;其中，formula_12是依暗能量的本質而定的常數，必需小於3。假設暗能量是宇宙學常數或真空零點能，則formula_13，暗能量密度formula_10為常數，那麼，這種萬年不遇的巧合實在令人費解。難道暗能量密度是某種純量場，或許暗能量與物質會發生某種耦合，從而造成暗能量密度與物質密度幾乎等值？微波天空在距離一百三十億光年以外的某些大型特徵，似乎跟太陽系的運動與定向有所關聯。這是否為系統誤差、觀測結果被定域效應汙染，還是哥白尼原則未經解釋的破壞？宇宙的3-流形，又稱為「宇宙的形狀」，是甚麼樣子？現時，天文學者仍舊不清楚宇宙的曲率與拓撲，天文學者只知道，以可觀測尺度衡量，曲率接近於零。宇宙暴脹假設建議，宇宙的形狀可能無法測量，但是，於2003年，等與其他研究團隊建議，宇宙的形狀可能為龐加萊同調球面。經過威爾金森微波各向異性探測器三年觀測得到的資料確認了這模型的一些預測，但是，這模型的正確性尚未得到廣泛支援。究竟是甚麼機制賦予微中子質量？任何粒子，假若其反粒子就是自己，則稱此粒子為馬約拉那粒子。微中子是否為馬約拉那粒子？如果微中子滿足馬約拉納方程式，我們便有機會觀察到不放出微中子的雙重β衰變。有沒有可能會是因為微中子的特殊屬性，從而使得微中子無法與一個正常粒子發生碰撞而互相湮滅？目前有許多實驗試圖去驗證微中子是否為馬約拉納粒子。根據廣義相對論的等效原理，對於所有基本粒子，慣性質量與重力質量比率為1 。但是，對於很多粒子，並沒有任何實驗確認這論點。特別而言，物理學者很想知道，具有某巨觀質量的反物質，其重量為何？在涉及到描述原子核的能量尺度範圍，量子色動力學的方程式無法解析，雖然貌似可以給出在這極限的解答。那麼， 量子色動力學怎樣描述核子與核子內部組構的物理現象呢？為什麼所有實驗，都只能觀測到從夸克或膠子建成的粒子，像介子或重子，而無法觀測到自由存在的夸克或膠子？這現象是怎樣從量子色動力學裡面出現？為什麼強互動作用對於宇稱與運算具有不變性？1977年提出的皮塞-奎恩理論是否為這問題的正確解答？超對稱理論與其它廣為人知的理論預測了很多假想粒子，其中，哪些假想粒子真正存在於大自然？為什麼環繞著某些像活躍星系核一類的星體的吸積盤，會沿著其旋轉軸噴出相對論性噴流？天文學者認為這些噴流有很多用途，從除去正在形成的恆星的角動量，到將活躍星系核內部重新離子化。但是，天文學者仍舊不清楚吸積盤噴流的初始由來。有些像白矮星、中子星、黑洞一類的緻密星，其吸積盤的內部邊緣在某頻率附近會忽隱忽現地發射出X射線，這現象稱為「準週期性震盪」。可以從星體的功率譜的峰點找到震盪痕跡。物理學者不知道為什麼會出現準週期性震盪？為什麼這些震盪的頻率與中心物體的質量成正比？有時候，在功率譜會出現多個峰點。為甚麼對於不同的星體，這些峰點的頻率比率會不一樣。為什麼太陽的日冕？對於這問題，過去幾十年，物理學者提出了很多理論，但只有兩個理論可能最為正確：與[https: en磁重聯理論magnetic reconnection theory]。磁重聯理論的缺陷是，為什麼觀測到的磁重聯效應比較理論預測快過很多數量級？美國太空總署的預定於2015年啟航，準備勘測太陽的日冕加熱狀況。是甚麼物質造成了在天文線譜裡觀測到的多條星際吸收線？請問這些物質是否為分子物質？假若是分子物質，到底是哪些分子物質，它們是怎樣形成的？從遙遠的星系突然發生的超大能量爆炸，其所伴隨的快閃伽瑪射線，稱為「伽瑪射線爆發」，是宇宙最明亮的電磁事件，通常持續時間在0.01-1000秒。物理學者不清楚為甚麼會發生這種短時段、高強度的猝爆？於2008年，美國太空總署發射了費米伽瑪射線空間望遠鏡，該衛星搭載的伽瑪射線爆發監視系統可用來研究伽瑪射線爆發。星系核球內的恆星的formula_15與位於星系中心的超大質量黑洞的質量formula_16之間的經驗關係，稱為「質量-速度色散關係」：formula_17；其中，formula_18是常數，大約為formula_19。質量-速度色散關係可以用來精確地計算超大質量黑洞的質量。但是，物理學者不清楚促成這關係的物理原因為何？:為什麼衛星飛掠過地球後的能量會與理論預測不同？這異常最先發現於1990年伽利略號探測器的飛掠過地球。透過仔細檢查深空網路紀錄的都卜勒資料，天文學者意外地發現66mHz頻移，對應於速度在近地點增加了3.92mm/s。天文學者尚未能夠給出滿意答案。星系自轉問題觀測到的星球繞著星系中心轉動的速度與應用牛頓力學預測的理論速度，兩者為何不一致？暗物質和暗物質暈是否是造成這問題的主要因素？航海家1號與航海家2號分別於1981年及1982年飛越土星時測量得到無線電訊號週期為10 h 39 min。卡西尼太空船在2004年接近土星時，發現無線電的週期增加至10 h 45 m。造成變化的原因仍不清楚，但這種變化被認為是由於無線電的能移動到土星內部不同的緯度位置，從而改變了自轉週期，而不是出自於土星本身自轉週期上的變化。目前還沒有方法可以直接測量土星核心的自轉速率。到底是甚麼機制形成磁星的磁場？液態或固態物質是怎樣玻璃化轉變至玻璃態物質？是甚麼物理過程給出了玻璃的一般物理性質？某些物質能夠在高於50 K以上的溫度仍舊具有超導電性。但是，物理學者不清楚促成這現象的機制為何。能否設計出一個理論模型來解釋紊流的物理行為和內部結構？在甚麼條件下，納維-斯托克斯方程式有平滑解？這是克雷數學研究所於2000年設立的千禧年大獎難題中的一大難題。希格斯玻色子是標準模型預言的一種自旋為零的玻色子，可以解釋宇宙萬物的質量。歐洲核子研究組織於2013年3月14日正式宣佈發現此粒子。它是標準模型中最後一種被發現的粒子。先鋒10號與先鋒11號是美國太空總署分別於1972年與1973年發射的兩艘太空船，現在已逃離太陽系。在距離太陽大約20天文單位之後，觀測到的兩艘太空船的加速度與預測發生差異，大約為(8.74 ± 1.33)× 10−10 m/s2。物理學者現在認為這是因為先前未將熱反衝力的效應納入計算長時間伽瑪射線爆發分類為時間久過於2秒鐘的伽瑪射線爆發，這種爆發與大質量星體的死亡有關，此種星體的死亡過程類似於超新星事件，常稱為極超新星。這問題指的是測量到的太陽微中子透過地球的數量與理論計算有所差異。從對於微中子物理的研究結果，物理學者修改了粒子物理學的標準模型，提出微中子振盪的概念，要求微中子具有質量，可以在電中微子、μ中微子和τ中微子，這三種微中子之間相互變換。由於這些嶄新理論的提出，這問題已得解答。大約在1990年代中期，物理學者估計宇宙的年齡比銀河系最早的恆星還要年輕30至80億年。這意味著哈勃常數的估計不正確，或大霹靂理論不正確，或是需要宇宙學常數一類的暗能量。後來，對於恆星距離更精準的估計，將恆星年齡減少了好幾十億年，對於宇宙正在加速度擴張這論據也終於獲得天文實驗證實。由於這些進展，年齡危機不再成立。這是一種亮度特高、非常遙遠、紅移值特大的星體。最先發現於1950年代後期，多年以來，物理學者不清楚類星體的物理模型。後來，越來越多的證據顯示，類星體實際是一種活動星系核，其核心位置有一個超大質量黑洞，附近的物質不停地掉入黑洞裡，形成巨大的能量輻射與物質噴流向外噴出。現在，這理論已被學術界接受。