大问题的简明指南
大问题的简明指南原原 原理
4 days ago
1.
宇宙是由什么组成的？
当被问及这个问题时，或许你很快就会在纸上列出一张长长的名单：
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的确，这些都是我们所熟悉的。但除了在这颗星球上的一切，宇宙中还充满了行星、恒星、星系等令人惊奇的复杂结构。在过去的100年中，随着对宇宙的不断探索，我们知道的越来越多：我们发现宇宙始于138亿年前，并在某一个时刻开始加速膨胀；我们探测到了更多的系外行星、脉冲星等天体；我们甚至拍摄到了超大质量黑洞的第一张照片。
但当我们了解的越多，却又发现了一个令人惊讶的事实：这些我们所熟悉的物质只占据了宇宙总质量和能量的5%！
那么剩下的95%呢？
其中27%被称为“暗物质”，68%被称为“暗能量”。在过去的几十年中，世界各地的大型探测器和望远镜竞相揭开它们的神秘面纱，但目前一无所获。
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而就算是我们所知道的那5%，依然有许多谜题仍未解开。
2.
早在两千多年前，古希腊哲学家就已经开始在追问：万物是由什么构成的？从最初的土、气、水、火，一直到原子、原子核、质子和中子，经历了漫长的探索，物理学家终于建立起了迄今为止最精确的理论：标准模型（详见：《已知最精确的科学理论是？》）。
在标准模型中，一切物质都是由被称为基本粒子的夸克和轻子组成的。上个世纪，科学家发现了12种基本物质粒子：六种夸克和六种轻子。这12种基本粒子又被分为三代，第二代和第三代具有和第一代粒子相同的性质，除了拥有更大的质量。但为什么恰好有三代？为什么自然界“需要”另外两代粒子？物理学家还无法理解其中的深意。https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/tqOuxs8dsHNGzK6R3EEb0SebUZfLKtgeOKdYNkKd976IJk5LndEGg7r8Y2LybJvcOicKHvCqzCYo35bnpRiahUUg/640?wx_fmt=jpeg○图片来源：
除此之外，宇宙中还存在着规范玻色子和希格斯玻色子。光子就是一种规范玻色子，它负责传递电磁力。当两个电子相互排斥的时候，它们实际上是在交换一个光子。
2012年，物理学家终于在大型强子对撞机中发现了希格斯玻色子。但我们对希格斯玻色子的理解并不完整。目前，中国和欧洲都在计划建造下一代对撞机，其中的一个重要目的就是为了研究希格斯玻色子。
3.
所有的基本物质粒子都有其反物质版本，例如夸克的反物质版本是反夸克，电子的反物质版本是正电子。
如果有一天，你遇到了一个由反物质构成的“你”，千万不要触碰他/她，因为当物质和反物质相遇时，就会发生湮灭，化作一团能量。而物理学家预期，在138亿年前应该曾发生过一次这样的大湮灭事件 。
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根据标准模型，在宇宙大爆炸之后，应该有等量的物质和反物质被创造出来，这就意味着正反物质的相遇会导致湮灭的发生，从而毁灭了宇宙的形成。显然这样的事情并没有发生，否则今天我们也不会在这里有此疑问。
是什么原因导致了物质要多过于反物质？3月21日，物理学家宣布他们找到了一个解释物质-反物质不对称性的新来源（详见：《新发现！粒子物理学迎来新的里程碑！》），但这还无法为我们提供最终的解答。
4.
标准模型虽然精确地描述了基本粒子和三种基本力（电磁力、弱核力和强核力）间的相互作用，但是它却无法解释第四种基本力——引力。
虽然引力是我们每天都会体验到的，但事实上我们对它还不是很了解。例如，为什么相比于其它三种基本力，引力是如此的微弱？试想一下，如果在桌面上一枚曲别针，你只需要一块小小的磁铁就能让抵抗整个地球的引力，轻而易举地将曲别针吸起，可见磁力远比引力强大。这是为什么？标准模型并没有提供答案。
一个诱人的解决方案是：额外维度。
上下、左右、前后，这是我们熟知的三维世界。每个维度都代表一个独立的运动方向，“独立”意味着你在某一个方向上的运动与其他方向上的运动无关。但宇宙真的只有三维吗？有没有可能存在四维（这里是指除了时间以外的第四维）或更高维度？
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我们很难通过图像去理解更高的维度，但我们可以通过数学来研究额外维度。事实上，早在1919年的时候，物理学家为了统一电磁力和引力就提出了第五维的思想。经历了100年的发展，物理学家早已发展出了更具有潜力的理论，比如M理论认为宇宙有11维。
物理学家认为，引力之所以这么弱是因为它很可能进入到额外维度，从而强度被稀释。但目前在实验中并没有发现任何关于额外维度的证据，验证这一想法的重担也落在了下一代对撞机中。
5.
为什么从古至今，就不断在追问宇宙从何而来，又将往何处去？我们在宇宙中是孤独的吗？空间是什么？时间又是什么？……
这些大问题似乎与我们毫无关系。但历史却告诉为我们，你永远也无法预知对这些问题的追问最终能带给我们怎样的惊喜。例如，爱因斯坦根本无法预料自己提出的相对论对今天的GPS有多么重要，他当时仅仅只是为了更加深刻地去理解时间、空间和引力的本质。而这样的例子还有很多（详见：《没有实际应用的科学，值得研究吗？》）。
所有追问这些问题的科学家，都有一致的目标：渴望理解我们的宇宙。这种动机可以追溯到古代，当人们第一次抬头仰望星空的时候，他们希望能理解他们所生活的世界，并努力地发展出一套可以描述这个世界的理论。在好奇心的驱动下，无论是对微观世界还是宏观宇宙（详见：《最小有多小？最大有多大》和《现代物理学的两大基石》），我们都已经作出了令人惊叹的发现。但是，这还不够。
每当我们对一个问题有了一个深层次的理解后，便会发现在背后其实还有更基本的问题。我们无法知道我们现在到底知道了多少，但重要的是：不要停止好奇，停止探索。
：本文图片源自《一想到还有95%的问题留给人类，我就放心了》，经「未读·探索家」授权使用。
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