21 世纪出现了什么物理界难题,就好像 20 世纪两大乌云! 如果只说两朵乌云

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21 世纪出现了什么物理界难题,就好像 20 世纪两大乌云!。暗能量|希格斯---

如果只说两朵乌云，那么个人觉得还是被提及最多的两个：暗物质和暗能量。

不过对暗物质和暗能量的理解却并没有那么简单。

1, 暗物质

暗物质的证据：

1），星系旋转曲线

就是天文学家观测星系，根据发光物质推算出其质量，但发现这些质量的引力不足于解释星系旋转速度所需要的向心力。如下图，测得星系转动速度随运动半径变化的曲线如B所示，而根据发光物质推算的理论速度如A所示。

暗能量|希格斯---傻大方小编总结的关键词

如果只有这一点，那么可以有多种解释。最重要的一个是修正牛顿引力(MOND，modified Newtonian dynamics)，还比如黑洞作为暗物质。

其它证据包括:

2），原初核合成

所谓原初核合成是指自然界的轻元素在宇宙极早期阶段被合成的过程，如宇宙中的绝大部分氢和氦就是在原初核合成时期合成的。宇宙中轻元素丰度依赖于合成时质子中子的密度，由轻元素丰度估算出的重子密度约只占宇宙总能量密度的大约5％。

3），大尺度结构

要让宇宙形成星系及星系团等大尺度结构，我们就需要宇宙中的物质能在极小的随机涨落下在一些地方率先聚集起来，这些聚集起来的物质通过引力吸引周围的物质聚集。普通物质在早期宇宙的行为有点像热辐射，它们四处流动，来不及聚集。因此我们需要不同于普通物质的暗物质。暗物质具有冷的特点，所谓冷直观来说是它们容易聚集在一起不会乱跑。而聚集起来的暗物质就会作为种子吸引周围的物质从而最终形成星系，进而形成星系团。由此估算出的总物质占总能量的大约30%。

4）, 最后微波背景辐射（CMB,cosmic microwae background）

所谓微波背景辐射是指在宇宙较早期，随着温度的下降光子跟电子的相互作用变慢，以至于最后不再相互作用（脱耦，decoupling），从此光子成为自由“气体”在宇宙中穿梭，宇宙变得透明。到如今，这些退耦的光子温度已经很低，接近2.7k，但是我们还是探测到了它们。如下图所示：

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宇宙微波背景辐射承载着退耦是物质的印记并保存下来了，暗物质与普通物质以不同的方式把它们的信息刻在了微波背景辐射里。微波背景辐射整体上看起来是各向同性的，各向同性是指各个方向看起来都一样，但是还是存在微小的各向异性，通过观测微波背景辐射的这些各向异性，我们也得出了暗物质存在的证据。

2，暗能量

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1）暗能量最可信的证据于1998年天文学家观测到宇宙加速膨胀。普通能量（物质和暗物质）具有正压强，这意味着你挤压它的时候，它会有抵触情绪，同样地你吹胀它的时候，它也会有抵触情绪，从而会使得宇宙膨胀越来越慢。而宇宙加速膨胀则需要一种负压的能量形式，这是物质无法解释的。

2）微波背景辐射的均匀性和各向同性的分析显示宇宙非常接近一个空间平直的宇宙，而这个事实能让我们估算宇宙总能量密度。除去估算出来的30%的物质，那么剩下的70%就属于暗能量了。

最主流的暗能量候选者应当是宇宙学常数，宇宙学常数是当年爱因斯坦为释静态宇宙而提出来的，就是给爱因斯坦场方程添加的一个常数项。它恰好扮演着一种负压的能量形式。但是宇宙学常数本身存在很多问题，下面会单独列出来。其实如果我们相信暗能量就是宇宙学常数，那么有问题的并不是暗能量而是宇宙学常数。除了宇宙学常数，还存在很多暗能量唯象模型，比如动力学暗能量，全息暗能量等等。

3，层级问题(hierachy problem)

层级问题说的是引力为什么比电弱相互作用弱弱弱这么多？但这只是最naie的问法。因为引力为什么不能比电弱相互作用弱这么多呢。

更技术性的提法涉及到一个叫希格斯场的东西。它是一个给世间万物提供质量的场，所以它被称为上帝之场（平时说法是希格斯粒子是上帝粒子，我这里擅作主张了）。希格斯场赋予其它粒子的质量和希格斯粒子自身的质量成正比且都处在电弱能标，大约为100Ge（质量的一种单位）。问题出在希格斯场它会受到量子涨落的影响，从而它的质量也会受到量子涨落的修正。这个修正的大小取决于物理的最高能标。如果引力所代表的能标(普朗克能标，Ge)代表着物理基础能标的话，那么希格斯场的质量就会收到正比于普朗克能标的量子修正，而普朗克能标是电弱能标的倍！所以希格斯场应当获得相当于它自身质量倍的量子修正！

当然我们可以认为在这个量子修正之前希格斯本身就有一个很大的质量，量子修正把大的修正抵消了，从而留下的正好是一个小得多的质量。但这样就会有微调的问题。就是说，你必须把量子修正之前的质量进行微调(精度是)。而在粒子物理中一个无量纲的数值如果没有特殊的原因它应该是量级为1的。一个远小于1的无量纲的数通常需要有背后的某种对称性对它进行保护，这就是一开始超对称最重要的动机之一。在自然界中，粒子被分为玻色子和费米子两大类，玻色子喜欢扎堆成群，而费米子喜欢独自一人。超对称就是玻色子与费米子之间的对称性。由于希格斯场受到玻色子的修正与费米子的修正互为相反，如果玻色子与费米子存在对称性，那么对希格斯质量的量子修正就会精确抵消，从而保护了希格斯免受量子涨落的影响。随着实验数据的积累，最小超对称模型（MSSM, minimal supersymmetry model）生存状态已经很严峻了，所以层级问题又变得突出起来。

4，宇宙学常数问题 (cosmological constant problem)

宇宙学常数是暗能量的一种可能性，所以本来可以把这个问题归结到暗能量。但由于问题的属性不一样，所以单列出来。

1）首先第一个问题是宇宙学常数怎么来的？第一想到的自然是量子真空能，可是理论算出来的真空能比测到的宇宙学常数大120个数量级（倍！！！），这是一个更严重得多的微调疑难。

2）另一个问题是，因为宇宙学常数是一个常数，而物质的密度随着宇宙膨胀会迅速下降，所以宇宙很大概率处在一个要么完全由物质主导要么完全由暗能量主导的状态。但是当今，二者之比为量级1，这段窗口期与整个宇宙历史比起来是极其短的，所以为什么宇宙恰好处在这么个特殊时期。这被称为巧合性疑难。实际上，前面提到的微调疑难也可以看成是巧合性疑难。关于巧合性疑难，人们总是可以通过人择原理来解释。就是说，如果不是这样，那么宇宙就不存在人类生存的条件，我们也就不能存在，更不能站在这里提这种问题。但是如此一来，人择原理就过于泛滥了，这显然是一种消极的探索方式。

5，黑洞信息疑难

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黑洞是一个只能进不能出的天体。它看起来被一个叫黑洞视界的东西罩住了，里面的东西我们都看不到。这个特点也使得描述它比较简单，只需要几个参数就行。经典的黑洞只吸收东西不吐出东西的纯洁的特点，不幸地被量子力学的咸猪手给破坏了。在量子力学的情况，黑洞会吐出一种叫做霍金辐射的“气体”。从而使得黑洞变小，并且最终蒸发。

普通的星体与黑洞很不一样，它要复杂许多，要描述一个星体需要大量的参数，它的形状，它所含的物质等等，星体上的哪个地方有一个窟窿你都要需要用参数去描述。这样来看，要描述一个星体需要输入多得多的参数，我们也可以理解为一个星体携带了很多信息。

黑洞信息疑难则源于黑洞蒸发。让我们考虑如下一个过程，一个星体坍缩成黑洞再通过霍金辐射最后蒸发掉了。星体是携带大量信息的，当它坍缩成黑洞之后，我们可以认为信息藏在黑洞视界里面。但是一旦黑洞蒸发掉了，最后我们得到的是纯热辐射，而纯热辐射是随机的，它不携带信息（或者很少）。因此坍缩之前的星体的大量信息就丢失了，信息的丢失会破坏量子力学的幺正演化。所以这是一个很严重的问题。

关于更详细的介绍，参见我的另一个回答什么是黑洞信息悖论？

6, 暴涨

暴涨是发生在宇宙极极早期的宇宙指数膨胀的事件。如下图左端白色部分

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这个阶段会抹匀宇宙从而解释宇宙大尺度上看起来如此均匀和各向同性。但是关于暴涨到底怎么发生，由什么引发(通常假设一个称为暴涨场的东西)并没有定论。

7，正反物质不对称问题

物质本身又存在正物质与反物质两种形式，这里请勿与暗物质相混淆，暗物质也有其相对应的反物质。反物质具有正物质相反的电荷，正反物质碰在一起会湮灭成能量。如果你跟一个由反物质组成的自己握手（其实不一定是自己啦！只要正反物质互相对应，跟谁握手都行！），你们就会湮灭掉

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我们有理由相信在暴涨之后，暴涨场释放了大量的能量，而这些能量将会转变成物质和反物质。但是为什么我们的宇宙几乎都是正物质而几乎没有反物质呢？这就是正反物质不对称问题。你可能会想，我们不是知道正反物质在一起会湮灭成能量吗？那么只有正物质的世界不是正常的么，反物质都被湮灭掉了啊。是的，但我们仍然有理由要考虑它。就算生成的正反物质产生之后都会碰到一起然后湮灭掉，我们也要考虑，为什么湮灭之后，还多出这么多正物质，这说明在产生的时候产生正物质的可能性比反物质的可能性要高，那么是什么破坏了正反物质产生的这种对称性的呢？

相应解释它的理论称为重子生成(baryogenesis)。这里的重子自然指正物质的重子. 重子生成最主流的两种方式是轻子生成(leptogenesis)和电弱重子生成（electroweak baryogenesis）。此处不展开讨论了。

8，中微子震荡。

标准模型中存在三种中微子，电子中微子、缪子中微子、陶子中微子.。它们称为不同味道的中微子。标准模型中中微子没有质量，不同味道的中微子不能相互转化。然而实验发现，不同味道的中微子可以相互转化，存在震荡，如下图所示

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这说明中微子存在质量。这是因为中微子的传播依赖于其质量，而一个确定质量的中微子未必是确定味道的中微子，同样一个确定味道的中微子未必是确定质量的中微子。比如，一个电子中微子是一个确定味道的中微子，它是通过特定方式不同质量的中微子的混合，而缪子中微子则是另一种混合方式。这些混合方式在中微子运动过程中会被打乱重组，从而实现不同味道的中微子相互转化。

然而要解释中微子的质量比较困难，首先为什么它如此之小，如今已有多个跷跷板机制（seesaw mechanism），它们假定存在很重的右手中微子，而这个右手中微子越重，那么标准模型中的左手中微子就会越轻，这就是跷跷板的含义。第二，质量出现的方式也不确定。一个简单粗暴的质量项是违反局域规范对称性的(规范对称性是一种被认为自然通用的对称性，说它是神之对称也不过分。它就是杨振宁和Mills提出来的)，所以我们需要某种方式机制让它们获得质量，可以跟粒子物理标准模型一样，也可以是其它方式，究竟是怎样的方式，目前还不确定。

9，强CP违反问题(Strong CP problem)

我们的质子中子由夸克构成，而描述夸克的理论叫做量子色动力学（CD， uantum chromodynamics）。这些夸克具有被称之为色的荷，分别为红，绿，蓝。你们可以想象成赋予一个夸克的色就相当于给一个夸克指定一个方向。只可惜这里的空间并不是我们生活中看到的三维空间，而是复的，被称为夸克的色空间。所有这些转动其实是色空间的一种对称操作，就像你转动一个球一样，这个球并不会改变。数学家用群来描述对称。色空间相应的对称群被取为一个让人讨厌的名字SU（3）。名字不重要，它其实就是色空间里的转动。(多处提到色，希望物理学家不会勾起你邪恶的冲动)

由于SU（3）这个结构，使得CD可以存在一个theta真空基态。关于这个涉及到CD基态规范场位型的拓扑结构，还和手征反常有关系。你可以脑补如下酷炫图片:

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总之，这个theta真空的直接体现是在拉格朗日量（物理学家发明的一种可以描述系统动力学的数学概念）中可以出现一项，这里的Ｇ是规范场强。这些名词在这里真的也不重要，重要的是我们发现了自然应当存在一个新的参数，而原则上可以取０到2。但是实验观测到小于。这就是强CP违反问题。这里出现的CP也是一种对称性，而上面出现在拉格朗日量的那个会破坏这个对称性。这个问题最典型的解释就让动力学化，意思就是让它不再是一个常数而变成一种动力学的场，这个场就是轴子（axion）场。轴子到现在还没有被观测到！