如果艾萨克·牛顿乘坐时光机回到今天，他会很高兴地发现物理学已经取得了巨大的进步。 几个世纪前的谜团现在已成为新生物理课上的话题，恒星的形成就是一个很好的例子。
当牛顿看到像大型强子对撞机（LHC）这样的巨型实验装置时，他一定会惊得合不拢嘴。 当他得知自己的引力理论已被爱因斯坦的引力理论取代时，他可能会感到沮丧。 量子力学可能会让他感到奇怪，尽管今天的科学家也有同样的感觉。
然而，一旦了解最新进展，他无疑会对现代物理学的成就喝彩，无论是19世纪发现光的本质，20世纪确定原子结构，还是去年发现引力波。
尽管如此，当代科学家承认他们并没有找到所有答案。 “我们还不了解宇宙的一些基本事实，”加州大学旧金山分校的物理学家、《我们不知道：未知宇宙指南》的合著者丹尼尔·怀特森博士说。 ”
以下是当今物理学中七个最大的未解之谜。
1. 物质是由什么构成的？
众所周知，物质是由原子组成的，原子是由质子、中子、电子组成的，而质子和中子又是由更小的粒子夸克组成的。 如果我们深入挖掘，我们会发现更多基本粒子吗？ 没有人能说清楚。
我们确实有粒子物理学的标准模型，它很好地解释了亚原子粒子之间的相互作用，也用于预测未知粒子的存在。 通过这种方法发现的最后一个粒子是大型强子对撞机研究人员于 2012 年发现的希格斯玻色子。
但标准模型并不是万能的。
“标准模型并不能解释一切戴姆物理学家，”费米国家加速器实验室的粒子物理学家唐·林肯博士说。 “它不能解释希格斯玻色子为何存在。它不能解释希格斯玻色子的质量。” 事实上，希格斯玻色子比最初预测的要轻得多。 林肯说，根据之前的理论，它的质量应该是“实际质量的 1000 万亿倍”。
大型强子对撞机的粒子探测器
谜题并没有就此结束。 原子被认为是电中性的（质子的正电荷抵消了电子的负电荷），但这是为什么呢？ “没有人知道，”林肯说。
2. 为什么重力如此奇怪？
对于我们来说，没有什么力比重力更熟悉了。 毕竟，重力使我们能够站在地面上。 爱因斯坦的广义相对论提出了引力的数学公式，将引力描述为“扭曲”的空间。 但引力比其他三种已知力（电磁力、弱力和强力）弱一万亿亿万亿倍。
一种可能性（目前只是猜测）是，除了我们每天注意到的三个空间维度之外，还隐藏着其他维度，或许以一种无法察觉的方式“卷曲”起来。 如果确实存在额外的维度，并且引力可以“泄漏”到这些维度中，这可以解释为什么引力对我们来说如此弱。
怀特森说：“重力可能与任何其他力一样强大，但当它泄漏到其他看不见的维度时会迅速减弱。” 一些物理学家希望大型强子对撞机的实验能够提供其他维度的线索，但到目前为止还没有任何发现。
3. 为什么时间只能朝一个方向流动？
自从爱因斯坦提出相对论以来，物理学家们认为空间和时间形成了一个称为“时空”的四维结构。 但空间和时间之间存在一些根本差异。 在太空中，我们可以自由地移动到任何我们想要的地方。 久而久之，我们就完全没有自由了。 我们只会变老，再也不会年轻了。 我们记得过去，但不记得未来。 与空间不同，时间似乎只有一个特定的方向，物理学家称之为“时间之箭”。
一些物理学家推测热力学第二定律提供了线索。 热力学第二定律可以表述为物理系统的熵（无序程度）逐渐增加。 物理学家认为，熵的增加为时间提供了方向。 例如，破碎的茶杯比完整的茶杯具有更高的熵。 毫无疑问，破损的茶杯总是出现在完好的茶杯之后，而不是之前。
熵增加是因为它之前的值较低，但为什么它一开始就低呢？ 140亿年前宇宙随着大爆炸诞生时，宇宙的熵很低吗？
包括加州理工学院教授肖恩·卡罗尔在内的一些物理学家认为，这是缺失的一环。 卡罗尔说：“如果你能告诉我为什么早期宇宙的熵很低，我就能解释其余的事情。” 在惠特森看来，熵理论并不能解释整个情况。 “我认为根本问题是，为什么时间和空间如此不同？” 他说。 最近的计算机模拟似乎表明时间不对称可能源于物理基本定律，但这一结论存在争议。 时间的最终本质仍然是个谜。
4.所有的反物质都去了哪里？
反物质在科幻小说中比在现实生活中更出名。 在《星际迷航》中，反物质和物质相互作用来驱动曲速引擎，使企业号航空母舰的飞行速度超过光速。 曲速驱动纯粹是虚构的，但反物质是真实的。 我们知道组成物质的每个粒子都可能有一个带相反电荷的相同粒子。 例如，反质子类似于质子，但带有负电荷。 对于带负电的电子，其反粒子是带正电的正电子。
物理学家已经在实验室中创造了反物质。 但在此过程中，他们也创造了等量的物质。 这表明大爆炸一定创造了等量的物质和反物质。 然而，我们看到的几乎所有东西都是由物质构成的，无论是我们脚下的地面还是遥远的星系。
到底发生了什么？ 为什么物质比反物质多？ 最可能的解释是大爆炸产生的物质比反物质多一点。 林肯说：“在宇宙的早期历史中（大爆炸后不久），有 100 亿个反物质粒子对应 100 亿个物质粒子。” “100亿个物质和反物质粒子相互湮灭，留下一个物质粒子落下。这个小小的‘一’组成了我们。”
但为什么物质一开始就比反物质多一点呢？ “我们不知道，”林肯说。 “这是一个谜。” 如果物质和反物质的初始数量相同，它们应该会在能量爆发中完全湮灭彼此。 林肯说，如果真是这样，“就不会有人类了”。
位于美国伊利诺伊州巴达维亚的费米国家加速器实验室
当 2026 年深层地下中微子实验开始收集数据时，一些答案可能会出现。 该项目将分析从费米国家加速器实验室发射到桑福德地下研究设施的中微子束（不带电荷且几乎失重的微小粒子）。 光束将包含中微子和反中微子，目标是看看它们的行为是否相同，从而为自然界的物质-反物质不对称性提供线索。
5. 固体和液体之间的灰色区域会发生什么？
固体和液体很好理解。 但有些物质的行为既像固体又像液体，这使得它们的行为难以预测。 沙子就是一个例子。 一粒沙子像岩石一样坚固，但数百万粒沙子可以像水一样流过漏斗。 交通也是如此，汽车可以自由行驶戴姆物理学家，直到在拥堵区域停下来。
因此，更好地认识这个“灰色地带”可能具有重要的现实意义。
“人们一直在问，交通系统在什么情况下会发生堵塞？” 曼荷莲学院物理学家 说道。 “避免堵塞的关键参数是什么？” 奇怪的是，在某些情况下，交通拥堵实际上会减少更多的交通拥堵。 “这违背了人们的直觉，”她说。
6.我们能找到统一的物理理论吗？
我们现在有两个主要理论可以解释几乎所有物理现象：广义相对论和量子力学。 前者擅长解释所有物体的运动，从高尔夫球到宇宙中的星系。 后者在原子和亚原子粒子领域也表现出色。
但问题是这两种理论对世界的描述截然不同。 在量子力学中，事件在固定的空间和时间背景下展开。 在广义相对论中，时空本身并不是固定的。 弯曲时空的量子理论会是什么样子？ “我们不知道，”卡罗尔说。 “我们甚至不知道我们要量化的是什么。”
这并没有阻止人们尝试。 几十年来，弦理论——物质是由微小振动的弦或能量环组成的想法——被认为是最有可能产生统一的物理学理论。 但一些物理学家更喜欢圈量子引力。 该理论认为，空间本身是由微小的圆圈组成的。
弦理论和圈量子引力都有优点，特别是弦理论家开发的技术可以帮助解决物理学中一些最棘手的问题。 但弦理论和圈量子引力都没有得到实验证实。 目前，我们努力寻求的统一理论仍然难以捉摸。
7. 生命是如何从无生命物质演化而来的？
在最初的5亿年里，地球上没有生命。 然后，生命诞生并逐渐繁衍和扩展。 但生命是如何出现的呢？ 科学家认为，在生物进化开始之前，就存在化学进化。 简单无机分子形成复杂有机分子的化学反应最有可能发生在海洋中。 但是什么推动了这个过程呢？
麻省理工学院物理学家杰里米·英格兰（ ）最近提出了一种理论，试图从物理学基本原理的角度解释生命的起源。 他认为生命是熵增加的必然结果。 如果真是这样，那么按照他的话说，生命的出现“就像石头从山上滚下来一样自然”。
这个理论涉及很多猜测，但最近的计算机模拟可能为其提供支持。 计算机模拟表明，普通的化学反应（地球最初形成时常见的化学反应）可以产生高度结构化的化合物，这是生命之路上的关键一步。
大约40亿年前，生命出现在地球上，然后传播到世界各地，但生命是如何从非生命物质进化而来的仍然是个谜。
为什么生命的起源对于物理学家来说如此难以理解？ 物理学家会说任何有生命的东西都是“非常不平衡的”。 在平衡系统中，一个组件的行为与其他组件非常相似，没有能量流入或流出（例如一块岩石和一个充满气体的盒子）。 生活恰恰相反。 例如，植物吸收阳光并利用其能量产生复杂的糖分子，同时向外界散发热量。
理解这些复杂的系统“是物理学中一个未解决的重大问题”。 “这些非常不平衡的系统自组织成极其复杂的物体，比如生命。我们如何解释这一点？” 多伦多大学物理学家斯蒂芬·莫里斯说。
翻译：于波