新书上市 | 目前无法解释的物理学问题，每一个都困扰着无数科学家

在物理领域，我们已经发现了很多事实，掌握了很多规律，例如基本粒子的分类、四种自然力的性质、自然常数的数值，以及宇宙诞生的形式。

然而，与之相伴的，还有更多的未解之谜：黑洞最小能有多小？反物质为什么比普通物质少得多？暗物质是什么？暗能量又该如何解释？ 这些谜团关乎宇宙的演化进程与未来走向。

德国康斯坦茨大学纳米科学专家格尔德·甘特佛的《原来物理还有这么多未解之谜》一书中探讨了一些充满奇思妙想的理论猜想，如额外维度、多重宇宙等。大自然是否存在多于四维的时空维度？不同宇宙的物理定律是否截然不同？这些猜想虽未得到证实，却拓展了物理学的边界，激发着人们的探索热情。

本书不仅能让物理学爱好者了解学科前沿的困惑与挑战，感受科学探索的魅力，还能促使我们对宇宙和世界的本质进行更深入的思考。

来源 | 《原来物理还有这么多未解之谜》

作者 |【德】格尔德·甘特佛（Gerd Ganteför）

译者 | 司晓明 徐承志

本书探讨了一个引人深思的问题：物理学能否解释所有事物？本书的主题关乎我们对现实的理解——包括目前我们已知的、我们认为已知的，以及我们尚未了解的。我们的讨论基于各大科学期刊上已经公开发表的实验结果，其中有些结果与当前的理论不吻合。这暗示我们对现实的理解或许存在盲区，事实上，有更多事物已经超出了我们现有的认知。

物理学家以唯物主义视角看世界，仿佛宇宙是一台按照自然规律运行的庞大机器。这种观点摒弃了精神、感觉、意识乃至生命的存在，侧重于从机械的角度分析万物，拒绝讨论超自然现象。

虽然这并非什么新鲜观念，但主流思想往往会影响我们的认知。人们曾相信地球是平的，是宇宙的中心，而如今这些观点都已被证伪。当下，生命和意识被视为偶然出现的小概率事件，这让世界丧失了神秘感。

如果一个物理模型和主流观念相吻合，人们可能会忽视与之相悖的观测结果。但实际上，现实世界极其复杂，我们的认知可能过于简单。期待随着时间的推移，我们的认知会更加深入。

自然科学需要理论与实验相匹配。尽管理论繁多，但真正与现实相符的只有少数，而且这种相符必须经由实验的验证。只有当一个理论通过了实验验证后，我们才能认为它是正确的，因为它至少准确地描述了现实的一部分。

即使在本书中，我们也必须提供实证，以证明存在超越当代物理学的现实。然而，我们无法描述未知，而只能提供这些领域在现实世界中存在的证据。这种证据有很多，我们只会讲述其中最重要的部分。

这些证据主要体现在物理学中尚未解决的问题和存在的矛盾上。人们可能认为这些只是小问题，会随着时间的推移自行解决。虽然我们无须从根本上改变世界观，但问题和矛盾可能暗示着我们当下的认知存在局限。

从前，宇宙中有一片暗星云。这些由宇宙尘埃组成的聚集体在很大尺度上不透光。利用空间望远镜进行红外观测，我们知道其中也存在恒星。

在我们的设想中，暗星云中的“太阳”周围有三颗绕着它运转的行星：一颗是位于中心附近的极热岩石行星，类似我们的水星；一颗是位于边缘的红色气态巨行星，类似我们的木星；最后还有一颗是蓝色的“水星”，在无尘的区域以合适的距离绕着太阳运转（见图 1-1）。

图 1-1：想象中的暗星云中的文明。暗星云的中心是一个有三颗行星的“太阳系”。

蓝色行星上生活着智慧生命，但他们并不知道其他恒星或星系的存在假设这颗蓝色行星上的条件与地球一样，有利于生命的发展，那么生命也会在这里诞生，并经历类似我们所熟悉的演化阶段。

这样的话，这颗行星最初为一个灼热的熔岩球，然后逐渐冷却。经历了数万年的雨水冲刷之后，这颗行星上出现了海洋。在海洋中，简单的单细胞生物诞生了。在接下来的二三十亿年里，光合作用使大气层中的氧气越来越多。这加速了生命演化的进程。

新形成的臭氧层使生命免受紫外线辐射，从而使生命能来到陆地上。陆生植物和陆生动物逐渐发展到更高的阶段，最终演化出了智慧生命。这种智慧生命的具体形态并不重要。重要的是，他们会使用工具，建造机器，并会思考自己所生活的世界是如何在宇宙中形成的。

因此，到目前为止，几乎一切都和地球上的情况一样，只有一个重要的区别：智慧生命对其他恒星、星系和宇宙微波背景辐射（大爆炸的余晖）一无所知。由于身处暗星云中，他们对宇宙的认识受到严重限制。

这里的科学家发现了和地球上类似的自然规律，发展出了复杂的生物学、化学和物理学。他们知道，物质是由原子构成的，原子又由基本粒子构成。他们发现了夸克和四种自然力，成功用数学描述了“太阳”内部的核聚变过程。他们研究了周围的宇宙空间，但只看到了无限延伸的宇宙尘埃。

他们的探测器深入暗星云数十亿千米，却仍然只能看到黑暗。他们不知道自己所处的只是一片暗星云，而后者只是更大的银河系里的一小部分。从他们的角度看，整个宇宙似乎都是由尘埃构成的。但这些尘埃从哪里来，为什么会有一个“太阳”和三颗行星在其中？

暗星云中的科学家经过长时间的思考，最终提出了“原初洞理论”。根据这个理论，在很久很久以前——根据尘埃体量的粗略估计，至少是 100 亿年前——时空中突然产生了一个洞。通过这个洞，氢原子以恒定的速率流入时空，并在洞周围形成了一个不断膨胀的气泡。

气泡通过自身的引力聚集在一起。随着气泡质量的增加，这种引力不断增大，直到整个体系收缩，中心的氢原子开始聚变。“要有光”（《圣经·创世纪》里的一句经典话语）——“太阳”就此诞生。因为聚变燃料源源不断地从原初洞中流入，所以太阳可以一直燃烧下去。按照该理论，宇宙中的大部分尘埃只是太阳燃烧的副产品，它们会被太阳风携带到远处的太空。科学家收集到的尘埃的组成成分也与在恒星中心进行的聚变反应相匹配。

尽管原初洞理论的支持者用大量观测结果来支撑他们的理论，且能解释许多以前令人费解的现象，但还是有人持怀疑态度。例如，有人会质疑，为什么几十亿年来，氢原子会以恒定流量从原初洞中流出。该理论的支持者提供了一个解释，该解释基于四维时空结构中的奇点理论，除了他们自己，没有人能理解。

无论如何，他们坚信已知的自然规律并不会与恒定流量的现象相矛盾。虽然怀疑者仍然保持怀疑，但他们无法反驳这一点，因为原初洞理论的数学知识远超他们的理解范畴。此外，这类理论属于物理学的模型构想，无法被证伪——除非能在实验室中创造出一个原初洞，或者将探测器送入太阳的中心。但二者在技术上都无法实现。

怀疑者还有另一个问题：那些比铁重的化学元素是如何产生的？这些元素无法通过太阳中的聚变过程产生，那么它们来自哪里？原初洞理论的支持者有些尴尬地回答说：“我们目前没有确切的解释，只有一个假设。”

他们推测存在一种未知的物质——他们称之为“亮物质”，这种能催化重元素产生的物质只能在太阳中心的白炽状态下存在。此后，人们对这种神秘物质进行了大量的研究，但始终未能发现它。

然而，怀疑者还有更多的疑问：原初洞是如何形成的，原初洞形成之前的宇宙又是什么样子的？但原初洞理论的支持者逐渐感到不耐烦。他们意识到一个问题：这个理论不能解释原初洞本身。支持者反驳道：“在原初洞形成之前，宇宙中没有物质，每一个时间点的状态都与之前的时间点完全相同。因此，他们的问题是无意义的。”面对这样的反驳，怀疑者起初感到惊讶，后来认为这只是一种托词。他们的问题仍然没有得到解答。

这个故事旨在说明，悬而未决的问题意味着人类目前对现实的认识仍然有限。这些问题体现在我们发展出来的科学理论中，而后者的产生则是基于我们所拥有的不完备的知识。事实上，这样的理论甚至可能是完全错误的。

故事中的问题就是一个例子：为什么氢原子会以恒定流量从原初洞中涌出，从而让太阳可以长时间稳定地燃烧？我们对宇宙的认识更广泛，也自然知道原初洞并不存在。但在我们的世界观中，也面临着无法回答的问题。如果某些自然常数的值稍有不同，宇宙的特性就会发生巨大的变化，以至于我们所理解的生命无法存在。

那么，为什么宇宙好像是专为我们的存在而“精心设计”的呢？故事中还提到了“亮物质”，这与我们宇宙中的暗物质和暗能量相对应。最后，故事中还提到了关于原初洞本身的起源问题。对于这个问题，故事中的科学家没有给出解释。他们的观点是，原初洞形成之前没有时间，因此这个问题是无意义的。这与现实中的一些物理学家被问到大爆炸之前的宇宙时的回答类似。

但这并不意味着现实中的宇宙没有发生过大爆炸。相反，我们将在第 2 章中看到，有大量的实验证据证明大爆炸理论的正确性。尽管如此，我们仍然会怀疑，这可能并不是宇宙起源问题的答案。

我们从第 2 章开始讨论物理学当前的世界观。这个世界观是物理学发展至今形成的对现实的理解，基本上没有人会怀疑其正确性。即使在暗星云的故事中，人们也普遍认可原初洞理论成功地解释了许多观察结果。因此，人们也会对任何怀疑予以否定。第 2 章相对较长，因为它大致覆盖了物理学的完整历史。如果想对物理学的世界观提出有效且深入的质疑，你应该熟悉其中的理论。

在第 3 章，我们将首次踏入物理学的边缘，或者说是抵达人类的知识边界。这会让我们接触到一些科学尚不能解释的现象。然而，正如物理家所相信的，这些未能解释的现象可能在不久的将来被现有的理论所解释。

在第 4 章，我们将越过知识的边界，深入未知的领域。对于这些领域，我们只能进行推测。尽管我们的推测基于实验可验证的结果，但它仍然超出了人类的理解能力。这涉及可能存在的更高维度和其他宇宙。古时候，人类坚信只有一颗行星，即地球。当这种观点被证明是错误的之后，人们开始相信只有一颗恒星，即太阳。

在发现天空中那些明亮的点也是恒星之后，人们又修正了自己的世界观，并认为只有一个银河系在宇宙中心孤独地转动。然而，这个观点也是错误的，因为宇宙中几乎有无数的星系。目前，我们认为大爆炸只产生了一个宇宙——我们的宇宙。但在未来，这种认识也有可能被推翻。

第 5 章则是本书的末章，这一章讨论的是信息在有生命和无生命的自然界中的作用。到底什么是信息？它是真实存在于物理世界中，还是只存在于人类的思维中？它可以解释什么？有些人将信息而非物质视为一切存在的基础。他们的信条是“万物源自比特”。

在这种观点下，我们的世界变成了一台巨大的计算机。这听起来有点儿像是好莱坞编剧的幻想，然而，确实存在一些实验性的发现，它们暗示了信息在无生命的自然界中发挥着基础性作用。

  推荐阅读

《原来物理还有这么多未解之谜》

作者：【德】格尔德·甘特佛（Gerd Ganteför）

译者：司晓明 徐承志

德国物理学家聚焦那些课本中没有写的物理真相！

曾经爆火的“未解之谜”书系，在这个新的时代，步入了新的阶段。阅读本书，会带来智力上的享受；

物理学家在研究什么？面临着什么困难？未来又该何去何从？正是这些看似与大众无关的问题，塑造了我们如今的生活。本书将深奥的问题以大众能理解的方式拆解降维，它让我们明白，认识科学，是以一种更高的维度认识世界。