物理学十大谜题，物理学家们也没有共识？

一项迄今为止针对全球物理学家开展的最大规模的调查显示，在物理学的许多最重要的问题上，从黑洞和暗物质的本质，到引力理论与量子力学之间尚未完成的统一，学界并没有形成明确共识。

这项调查共有1675名参与者，他们的背景十分多元：

以下是这项调查所涉及的10个问题以及调查结果：

Q1. 大爆炸意味着什么？

大量观测证据已经有力地支持了“大爆炸”理论。但对于我们究竟该如何理解“大爆炸”这一表述，尚未达成共识。它应该被理解为一个具有无限密度和压力的奇点？一个有明确开端的宇宙？还是仅仅指一个高温、致密的状态，万物都从这个状态演化而来？那么，“大爆炸”意味着什么？

Q2. 早期宇宙的谜题与暴胀

大爆炸理论留下了一些未解之谜。其中一个基本问题是，宇宙表现出出乎意料的均匀性。即使在极其巨大的空间尺度上也是如此，而这些尺度大到在宇宙的寿命内不可能通过因果联系相互影响：光在宇宙的寿命内不可能传播如此遥远的距离。另一个令人困惑的现象是，正在膨胀的宇宙空间具有极其平坦的曲率。那么，哪种理论能够最好地解释这些早期宇宙学中的谜题？

Q3. 暗物质、修正引力，以及引力异常

如果只计算星系中可见的恒星、气体等发光物质，它们产生的引力似乎不足以维持星系这样高速旋转。按理说，星系外围物质应该更容易被甩出去，但观测显示它们仍然稳定地绕星系旋转。这些旋转速率以及相关观测结果（如星系团、重子声学振荡以及宇宙微波背景各向异性）促使人们提出了“新物理”方案：要么以暗物质的形式出现，要么通过修改引力定律来解释。那么，最有可能解释这些引力异常的候选方案是什么？

Q4. 暗能量与宇宙加速膨胀

对超新星的观测表明，宇宙膨胀并没有减速——如果引力是星系之间唯一发挥作用的力，那么我们本应预期宇宙膨胀会逐渐放缓。那么，最有可能导致宇宙加速膨胀的候选因素是什么？

Q5. 哈勃常数争议

当前的宇宙膨胀率，也就是哈勃常数，可以通过两种不同方式来测量。一种方法是测量近域宇宙中恒星和超新星的距离，这对应于宇宙历史中的“晚期”。另一种方法则是测量来自宇宙微波背景辐射（CMB）和大尺度星系巡天的更遥远信号，这对应于宇宙历史中的“早期”。这两种方法给出了不同的结果，而且随着更多数据的积累，这一差异的统计显著性也在增加。那么，对于哈勃常数争议，最有可能的解释是什么？

Q6. 人择原理与物理常数

自然界中物理常数的取值，并不是由现有理论决定的。有人提出，如果这些数值稍有不同，宇宙很可能就无法形成复杂结构，并最终孕育生命。这一想法促使一些人寻求其他物理假说，甚至形而上学假说，来解释这些常数为何看似“恰好”被调节到允许生命存在的取值。然而，也有人质疑这类论证是否站得住脚。那么，应当如何解释物理常数的取值以及这些所谓的“人择原理”？

Q7. 量子力学的诠释

量子力学能够对现实世界中的现象作出极其精确的预测。然而，物理学家仍无法解释：我们所经验的现实，究竟是如何从量子力学定律中涌现出来的。许多量子力学“诠释”试图回答的，正是这个问题。那么，哪一种量子力学诠释最有可能是正确的？

Q8. 黑洞事件视界与落入物质的命运

当黑洞吞噬一颗恒星、一颗行星或一艘宇宙飞船时，这些物质被认为会越过“事件视界”——这是一道边界，一旦越过它，任何信号都无法逃脱。那么，物质在穿过这一边界之后会发生什么？

Q9. 黑洞信息

掉入黑洞的物质会永远被困在里面，还是并非如此？霍金及其他物理学家曾预言，黑洞会缓慢地辐射出热能。但这带来了一个问题：落入黑洞的物质具有自身固有的性质（如量子自旋和夸克味），而计算表明，这些信息不会随着发出的霍金辐射重新出来。换句话说，相对论似乎预言了信息会丢失。然而，量子力学则表明信息不能被破坏。那么，对于落入黑洞的信息，哪一种描述才是正确的？

Q10. 量子引力的候选理论

将量子力学与引力统一起来，是物理学家面临的最困难问题之一。因此，最后一个问题是：哪一种理论最有可能成为量子引力理论的最佳候选？

共识少、分歧大

这样的调查结果表明，在基础物理学中，真正能获得压倒性支持的“标准答案”少之又少，其中大多数甚至没有达到半数支持。

即便是有着“目前解释宇宙膨胀最成功的理论”之称的标准宇宙学模型（ΛCDM模型），也没有获得多数支持。获得了多数人共识的问题只有两个：

1、与公众对“大爆炸”的常见理解不同的是，68%的物理学家认为，大爆炸并不一定标志着时间的开端，而是认为相反，大爆炸理论描述的是宇宙如何从一个高温、高密度状态演化而来，至于时间本身的起源，它并没有给出说明。

2、51%的物理学家勉强达成共识：早期宇宙曾经历过一段被称为“暴胀”的快速膨胀时期。

在其他问题上，共识则要弱得多。例如，在暗物质问题上，支持率最高的解释并不是“暗物质是一种或多种尚未发现的低质量粒子”（17%），也不是“需要修改引力理论”（12%），而是认为它可能来自多种已提出方案的某种组合（21%）。

与此同时，对于量子引力问题，弦理论仍然是支持率最高的可能方案，但也只有19%的物理学家持这一观点。它还面临来自圈量子引力（12%）以及“引力根本无法被量子化”这一观点（18%）的有力竞争。

分歧的意义

研究人员认为，虽然调查结果呈现出这么多分歧，但共识的存在或缺失，可以告诉我们：哪些地方的证据似乎已经较为稳固，哪些地方研究者仍然认为还有容纳完全不同观点的空间。

从这个意义上说，缺乏共识本身也可能是一条线索。它标示出一些位置，表明在那里，我们或许需要更好的数据、更精确的理论，或者不同子领域之间新的连接。

#参考来源：

https://uwaterloo.ca/news/science/largest-ever-survey-physicists-puts-standard-model-cosmology

https://nafshordi.github.io/aps-dashboard/APS_survey_Arxiv_paper.pdf

https://physics.aps.org/articles/v19/34

#图片来源：

封面图&首图：DESI Collaboration/KPNO/NOIRLab/NSF/AURA/P. Horálek/R. Proctor