让物理学家头疼的五件事

物理理论的研究过程通常是这样的：经过多年的发展和完善，一个物理理论终于成形了，它可以很完美地解释现实，然后，它却预测出了没人想要的东西。爱因斯坦的广义相对论就是一个典型的例子。它是我们目前最好的引力理论，但是它却预测出了黑洞的存在——一个引力极强的时空区域，任何物质包括光都无法从中逃离出来。即使到了现在，物理学家都还在为黑洞这个概念感到头疼，因为关于它，有太多棘手的问题等待解决。而黑洞并不是唯一能让物理学家感到头疼的概念，下面我们就再举5个类似这样的例子。

量子的多重性

现实似乎非常确定，对吧？你在这里，足球在那里，你把足球踢飞，它最终会落到不远处，这都看起来很正常。但在量子力学那里，所描述的画面将会是完全不同的。

量子力学认为，事物在我们测量之前的状态是不确定的，它会同时处于多种状态之中，直到测量时，它的状态才被唯一地确定下来。例如，一件东西可以同时位于不同的地方，只有当我们测量到它时，它才会最终停留在某一个地方。就像那只足球，如果我们没有检测到它时，那么它可以同时处于各个位置上，只有当我们检测到它时，它才可能确定在操场某处。

爱因斯坦有点不信这一套，他在一次散步中，曾向他旁边的学生提问题，“你是否相信，月亮只有在看着它的时候才真正存在？”爱因斯坦认为，事物在测量之前应该也是确定的，而量子力学的解释恐怕不正确。但是，许多物理学同行并不这么认为，毕竟量子力学是有史以来最成功的科学理论，理论与实验结果极为相符。对此，美国物理学家戴维·慕尔明总结了大多数人的感受。他说：“闭上嘴，去计算！”意思是，像爱因斯坦提出这类问题没必要讨论，只要量子力学管用就行了。

为了理解量子力学这种看似荒谬的推论，物理学家还提出了很多不同的诠释。一个很出名的诠释叫做多世界诠释，它认为在测量之后，每个之前曾存在的量子状态都会继续存在下去，只不过它们处于平行世界中，我们只是看不见它们而已。还是用那只足球来比喻，当我们看到它时，它虽然确定在操场上，但也可能在别处，只是在别处的那只足球在与我们世界相平行的另一个世界里。

时间

关于时间，出问题的地方不是来自于物理学，而是来自于你。你可能会相信，时间正不断地从过去流向未来，但这其实是你的大脑产生的错觉。自从20世纪初爱因斯坦提出相对论以来，物理学中的时间概念已经被表达得很清楚了：时间并不流逝，客观的过去和客观的未来也都不存在。

除了这个矛盾以外，相对论和量子力学对描述时间的方式也不相同。相对论认为，时间与空间紧密相连，它们都是相对的概念。比如物体运动得越快，时间流逝得越慢。但量子力学却又回到经典的框架下，认为存在一个绝对的时间。

如何解决这些矛盾呢？大多数物理学家的回复可能仍是：“闭上嘴，去计算！”然而，一些物理学家仍在想办法去解决这些时间问题。其中一个观点认为，我们只需要对过去、现在和未来给出一个更好的物理定义，那么许多问题就有可能得到解决了。这个观点是否正确呢？只有时间才能告诉我们答案。

宇宙常数

入围，出局，再入围，再出局……宇宙常数的历史就是这么折腾。

爱因斯坦曾把它加入到他的广义相对论方程中，来稳定宇宙，并确保它在自身的引力下不会膨胀也不收缩。然后，在20世纪20年代，美国天文学家爱德文·哈勃和其他人发现宇宙实际上正在膨胀，这促使爱因斯坦抛弃了宇宙常数这个概念，并认为这是他一生中“最大的错误”。

然而在20世纪90年代，天文学家通过观测发现，宇宙实际上正在加速膨胀，而导致加速膨胀的背后力量被称之为“暗能量”。物理学家又把宇宙常数引入进来，认为暗能量就是一种宇宙常数，它能起到与引力相反的作用，能把宇宙中各个事物推开。

唯一的问题是，20多年过去了，人们还没有搞清楚宇宙常数（暗能量）的来源。当前最好的猜想是，宇宙常数是一种真空能，是真空中无数个转瞬即逝的虚粒子贡献出的能量。不过，物理学家根据量子理论推导出的真空能密度，约为1094g/cm3。但是，他们根据对宇宙膨胀情况的观测，得出的结果却只有10-29g/cm3。也就是说，宇宙常数的理论值竟然是观测值的10123倍。物理学家到现在也没搞清楚这么大的差距是怎么来的。

无穷

数学家相信无穷的存在，他们还认为，不仅存在无穷，而且还存在很多种无穷。事实上，无穷常常能大幅度简化数学的计算过程，数学家还经常发明出全新种类的无穷概念，来堵住他们在研究时遇到的逻辑漏洞。

但对物理学家来说，无穷无疑是一种痛苦。无穷令人难以驾驭，只要它在一个物理理论中出现，它就倾向于毁掉这个物理理论。例如，物理学家曾试图把电磁力和弱核力统一起来，但是他们的公式中老是出现无穷大的结果，使得计算无法进行下去。物理学家最终花了几十年才找到正确的数学方法，解决了该问题。而现在，黑洞、大爆炸之前的宇宙都存在密度无穷大的“奇点”，这些无穷仍在阻碍了引力理论与量子理论的统一。

一些物理学家已经受够无穷了。他们认为，宇宙可能不存在真正的无穷，那些被认为是无穷的东西，可能近似无穷而已。麻烦的是，完全没了无穷的概念，数学很难计算下去。

宇宙的热寂

宇宙的末日是什么样的？一些人认为，宇宙可能会在一场巨大的天文学暴力事件中结束。但是，许多物理学家认为，宇宙更可能会在漫长的时间里逐步地走向它的终点。

要怪就怪热力学第二定律。这个定律认为，宇宙的熵（表示混乱程度的物理量）会随着时间的流逝而增加，从有序走向无序。当熵达到最大值时，宇宙中所有可以被利用的能量都变为了无法利用的热能，宇宙各处都达到了热平衡。这种状态称为热寂。此时，宇宙各个天体都不复存在，一切都一样，没有任何变化发生。再加上暗能量使得宇宙膨胀得越来越快，最终宇宙会变得空旷、黑暗且寒冷。

我们当然不会在这里看到这一切，因为早在宇宙达到热寂之前，变为红巨星的太阳就已经把我们的地球烤化掉了。

但是，热寂这种结局不仅令人沮丧，走向结局的过程也比较乏味。于是，物理学家开始去考虑一些其他的可能，虽然结局仍令人沮丧，但其过程至少是惊心动魄的。其他的可能包括了大撕裂（宇宙在更强大的暗能量下被完全撕裂），以及大坍缩（宇宙万物反过来坍缩在一起）。

当然最有趣的一个可能是大崩溃——量子涨落导致宇宙某个区域变得不稳定，导致所有原子无法稳定存在下去，物质结构发生崩溃，并且从那里以光速向宇宙四周扩张。与其他的可能不同的是，我们不会提前知道何时会发生大崩溃。