第一節：物理學未解之謎

宇宙的起源真的來自大爆炸么？我們所在的銀河系、太陽系真的來自于大爆炸學說嗎？所有星系的秩序來自于哪里呢？萬有引力是正確的么？黑洞真正的存在么？如果黑洞不存在，那么光是怎么被星系的黑洞中心吸附走的，以至于光都無法逃逸出來？反物質是怎么回事？暗物質與能量存在么？如果不存在，偉大的力量來自那里呢？構成萬物的基本粒子應該是什么？

這些問題不斷地追問著當代的物理界，當今的科學理論框架已經不能夠更好地解釋世界了，因為很多宇宙的關鍵未解之謎，需要更好的理論框架來解釋。包括中國在內的全球幾十個國家三千個科學家參與、耗費百億歐元的大型對撞機最近為希格斯粒子的存在找到大量證據，但目前來看還沒有最終確定。如果確定了，誰又能保證這種對撞機模擬的是真實的宇宙粒子呢？有的科學家承認粒子模型已經過時，愛因斯坦相對論與量子理論是沖突的，在此基礎之上的現代物理學急需新的物理理論來解釋世界，為此愛因斯坦后半生一直在研究大統一理論，希望來更好的解釋物理與宇宙現象，而霍金等世界頂尖科學家們也一直在探索大統一理論。讓我們先看看當今宇宙科學的未解之謎：

謎團之一：宇宙是如何開始的，平行宇宙是怎么回事？宇宙是大爆炸而來的嗎？

目前理論認為宇宙起源于137億年前的一次大爆炸，這次爆炸是源于一個非常非常小、比電子還小的很多數量級別的點，在非常非常短的一瞬間、一個極小的空間內所產生的。關于宇宙大爆炸的證據其一就是宇宙微波背景輻射，它是大爆炸的余燼，但是很多跡象表明，我們所觀察到的宇宙之外還有宇宙，那么宇宙大爆炸的邏輯性與起源就會存在更多的疑問，微波背景輻射是否能成為宇宙大爆炸假說的鐵證呢？宇宙大爆炸的證據之二是目前科學家觀察到的宇宙正在加速膨脹，這個觀察是否正確？另外宇宙大爆炸證據之三的紅移證據是否值得質疑？

謎團之二：存在大統一終極理論（萬有理論）嗎？

愛因斯坦后半生一直致力于研究大統一理論，試圖用一種理論統一目前的所有力。霍金與世界很多頂尖物理學家目前也在研究這一終極理論。霍金認為基于弦理論的M理論最接近這個萬有理論。目前科學界公認的自然界的四種基本力為：萬有引力、電磁相互作用力、弱相互作用力、強相互作用力。

萬有引力定律是物體間相互作用的一條定律，任何物體之間都有相互吸引力，從電子到光，到相距幾個億光年的兩個星球或者小物體。這個力的大小與各個物體的質量成正比例，而與它們之間的距離的平方成反比。

電磁相互作用力乃是帶電荷粒子或具有磁矩粒子通過電磁場傳遞著相互之間的作用。

對于弱相互作用力來說，表現為中子的β衰變。即中子衰變成質子、電子與電子中微子。在費曼圖中表現為中子與電子中微子發生碰撞，在碰撞過程中發生了力的作用，這種力就是弱相互作用力。碰撞后的中子改變方向，其固有能量與動量都發生改變，變成了質子。電子中微子也改變方向，固有能量與動量也發生改變，變成了電子。

強相互作用是質子、中子間的核力屬于強相互作用，是質子、中子結合成原子核的作用力，現在進一步認識到強子是由夸克組成的，強作用是夸克之間的相互作用力。

由于現代物理學中量子理論與相對論的矛盾，所以如何把四種基本作用力統一成一種新的大統一理論就成為了世界謎題之一。

謎團之三：什么是暗物質？什么是暗能量？

我們現在的物質，包括地球、太陽、銀河系的各個星系加起來物質占不到宇宙的4%，剩余的23%屬于暗物質，73%屬于暗能量。暗能量與推動宇宙加速膨脹有關，暗物質參與到星系中的作用。對于宇宙來說，決定宇宙的并不主要是我們觀察到的物質世界，而是暗物質與暗能量，但是人類對于兩者的認識都是有限的，何時能解開暗物質與暗能量之謎，何時就會對我們宇宙規則有全新的認識，包括新的物理學規律。

謎團之四：在量子不確定性和非定域性之下，還有更深層次的原理嗎？

量子理論已經誕生了一百年有余，它產生了令人信服的應用成果，但是它也帶來了反直覺：量子具有波與粒子的雙重性，就是波粒二象性。量子力學的不確定原理指出我們無法同時精確地獲得一個物體的動量和位置。而非定域性讓兩個處于量子糾纏態的粒子的糾纏態同時崩潰，而不管它們相距多遠。愛因斯坦就說過，盡管量子力學給他留下了非常深刻的印象，但是“一個內心的聲音告訴我，它還不是真實的東西。”

謎團之五：萬有引力從何而來？

一般人都認為對重力理論我們已經有很深刻的理解了，其實萬有引力是宇宙中存在的最弱的一種力。物理學的標準模型不能解釋它是如何發生的，理論家認為可能存在微小無質量的引力子在輻射引力場。萬有引力不同于標準模型所描述的其他力，費米實驗室的理論物理學家杰克遜說：“當你計算微弱的引力相互作用時，會得到愚蠢的結果，數學在它面前無效了。”

謎團之六：相對論的時空彎曲是正確的嗎？

愛因斯坦在牛頓的萬有引力理論基礎之上加以改善，推出時空彎曲概念，從三維空間加上了時間，成為四維空間。他將引力的概念予以延伸，把引力作用范圍也擴展到了比如地球、太陽系、星系等極其巨大的引力場和以接近光速的速度運動的物體。相對論主要思考的是宏觀方面物體，這與量子力學是矛盾的。萬有引力在原子級別上是可以忽略的，自然界中仍然存在著一些極端的條件，能夠讓引力和微小的物質發生親密的關系。在黑洞研究里，相對論與量子理論成為必須面對的兩個問題，必須需要有新的理論來重新解釋。這就對相對論提出了新的要求，相對論是正確的么？否則為什么與量子理論相矛盾呢？

謎團之七：光速為最高速度嗎？

光速恒定以及光為最高速度是現代物理學的基礎，粒子理論與弦理論、宇宙大爆炸理論等都是依賴于光速為最高速度為基礎的，如果光速不為最高速度，那么物理學將必然面臨新的改革。然而在早期的時候，物理學家們就都知道，量子糾纏本身就屬于超光速現象，有科學家驗證其速度可能為光速的萬倍以上。

最近意大利一個名為OPERA的實驗裝置在接收了相距七百三十公里外的歐洲核子研究中心的中微子后，竟然發現中微子比光速還快了60納秒（1納秒等于十億分之一秒）。這震動全球的科學界，因為這具有顛覆性的意義。參與實驗的瑞士伯爾尼大學的安東尼奧·伊拉蒂塔托說，他和同事被這一結果震驚了，他們隨后反復觀測到這個現象1.6萬次，并仔細考慮了實驗中其他各種因素的影響，認為這個觀測結果站得住腳，于是決定將其公開。但是最新消息因為連接光纖的部件松動而存在著系統誤差，已經被證明超光速是一個錯誤了！當然除了中微子，宇宙深層還有更小的微觀粒子，在他們世界更有可能存在超光速現象。

但是現代科學研究發現，量子糾纏速度可以達到光速的萬倍，那么宇宙深層中，是否存在超越光速萬倍，幾十萬億倍的粒子呢？

謎團之八：黑洞的本來面目是什么？

例如，在黑洞的中心附近，大量的物質都被擠壓到量子空間之內，在極小的距離之中，引力變得非常強大。同樣的情況，在宇宙大爆炸前后密集的原始宇宙中也必定會出現類似的情況。物理學家霍金發現了黑洞的一個特別問題，我們需要將量子力學和萬有引力結合在一起，然后才能夠就任何東西得到一個統一理論。霍金認為任何東西，即便是光也無法從黑洞中逃出的斷言嚴格來講并不正確，黑洞周邊的確在輻射出微弱的熱能。根據他的理論，這種能量是黑洞附近的真空中的粒子——反粒子配對實體化時所產生的。在粒子和反粒子這對冤家再度重新結合并互相毀滅之前，距離黑洞較近的粒子就被吸入了黑洞，而距離稍遠的那個則以熱量形式逃逸出來。這種熱量的釋放與先前被吸入黑洞的物質和能量狀態沒有任何明顯的聯系，這就違背了一條量子理論中“任何事件都必須能夠追溯到先前的事件”的定律。要解釋這個問題，就需要新的理論了。

謎團之九：中微子之謎？

中微子是構成物質世界的最基本的粒子，分別是三種中微子：電子中微子，μ中微子和τ中微子，而每一種中微子都有與其相對應的反物質。中微子只參與非常微弱的弱相互作用，具有最強的穿透力，可穿越地球。在一百億個中微子中只有一個會與物質發生反應，因此中微子的檢測非常困難，宇宙中充斥著大量的中微子，大部分為宇宙大爆炸的殘留物，太陽體內有弱相互作用參與的核反應每秒會產生1038個中微子。每秒鐘至少會有數十億個來自太陽的中微子穿過每個人的身體。

中微子有大量謎團尚未解開。比如質量、大小、有沒有磁矩，中微子還與微觀世界最基本的規律有關，也與宇宙的起源與演化有關，例如宇宙中物質與反物質的不對稱很有可能是由中微子造成的。不久以前，物理學家們還認為中微子是沒有質量的，但是最近的研究進展卻表明，這些粒子可能有著很小的質量。

謎團之十：希格斯粒子真的存在嗎？

希格斯粒子是粒子物理學標準模型中最后一種未被發現的粒子。在粒子標準模型中，希格斯場引起自發對稱性破缺，并將質量賦予規范傳播子和費米子。希格斯粒子是希格斯場的場量子化激發，它通過自相互作用而獲得質量。希格斯玻色子賦予了所有其他粒子質量，在宇宙大爆炸后對宇宙的形成起著決定性作用。然而長期以來，那些相信希格斯玻色子能夠解釋為什么物體有質量的物理學家們都無法找到希格斯玻色子。

美國著名的費米實驗室在研究希格斯粒子方面沒發現新的線索。在歐洲，全球最大的大型強子對撞機實驗結果顯示，已經發現了希格斯粒子能量范圍，但是需要進行嚴格的確認，很多科學家對此也提出了質疑，其負責人說對撞機的粒子加速器所取得的階段性成果目前還不適宜公布！

2012年7月4日，歐洲公布發現類似希格斯粒子，那么希格斯粒子果真存在嗎？大型對撞機的發現，誕生的是否是真實粒子呢？

2013年諾貝爾物理學獎頒發給了希格斯等兩人，這是一個幾十年的漫長等待！雖然希格斯機制還存在很多的謎團，但無疑，希格斯機制已經把物理學推向更深的層次粒子作用機制。本質講，粒子獲得質量屬于深層背景粒子作用，這符合物理學基于四種基本力的大統一方向。因為，只有明白四大作用力背后真正的原理與機制，才會更好的理解希格斯機制中的質量獲得，同時深入的理解希格斯機制，也會推動四大基本作用力的深層理解。

在這里，本書用簡潔的力弦粒子概念解釋了：力的獲得，四大基本作用力的深度原因，力與粒子的關系。除了四大基本作用力，本書還試圖闡述希格斯機制在內的其他力的作用，萬有引力作用局限等問題，暗物質，暗能量等本質的問題。

謎團之十一：生命起源之謎，生命是如何誕生的，地球生命是孤立的嗎？生命與物質之間存在何種關系，生命是物質的還是意識的？