DDS050-「懸而未決的科學問題」

說來也是種巧合，今年四月底，作者 Waleed Al-Husseini 在其「部落格」上為文（http://proud-a.blogspot.com/2014/04/Mysteries.in.Physics.html），羅列了九個，迄今物理學上懸而未決，亟待科學家們繼續深入探討的課題，而這些課題，也正是我這個「部落格」所要闡述的主題，故在此略加彙整，寫來與你分享。當然，其中有些課題，在我之前的「部落格」文中已多所涉及，限於篇幅，除了必要的補充外，就不再加以贅述；至於其他的課題，在此也僅先做一簡要的概述，有關其進一步的詳盡細節，容我在往後的「部落格」中，再予以闡述。

一、什麼是「暗能量（dark energy）」？什麼是「暗物質（dark matter）」？

顧名思義，「暗物質」、「暗能量」指的是宇宙間，那些「潛藏」的物質和能量，就如同暗夜裡，你看不到的景物。下圖所示，即是科學家們相信，就整個宇宙而言，我們可觀測到物質的僅佔 0.4% ，而「暗能量」和「暗物質」分別佔了 74% 和  22%，另外 3.6% 為銀河間的氣體（intergalactic gas），也就是説，我們可觀察到的宇宙（observable universe），就質量和能量而言，僅佔亟小的一部分，實在少的可憐。

「暗物質」不但看不見，也難以偵測得到。但是科學家們能推知它們的存在，主要還是依據它們對可見物質、輻射、甚至整個宇宙結構的引力效應，它們咸被認為主要存在於銀河的鄰近外圍，而且可能是由所謂的「weakly interacting massive particles；簡稱 WIMP」所組成。目前世界上有許多偵測儀器，正在積極探尋它們的存在，但迄未有所發現。

而「暗能量」存在的推論，主要來自兩個方面：其一是，天文物理學家在建構或演繹他們各自的理論模式時，無論如何調整模式裡的參數，還是無法得到一個宇宙必須有的質能平衡狀態；二是，我們知道「宇宙」迄今一直在持續的加速膨脹，我們也知道「引力」的作用會把宇宙的「時空」，向內拉扯（pulling inward），因此一定有一個我們看不見的動力，它能和「引力」相抗衡，並把時空往外推（pushing apart），這個看不見的動力，即是所謂的「暗能量」。一般咸信，這個「暗能量」其實就是「宇宙常數（cosmological constan）」，它是宇宙本身與生俱有的本質，把宇宙向外推拓，宇宙愈膨脹，空間就愈大，這「暗能量」也跟著變得更大，也就是利用這宇宙的膨脹速率，科學家們才能估算它佔了宇宙總質能的 74%，但迄今科學家們還真不知道，該如何著手來偵測它。

二、為什麼有「時間之矢（the arrow of time）」？

          如前文（DDS049-「時間（II）」）所述，宇宙中的「熵（entropy）」，自其形成迄今，永遠隨著時間的推移而增加，這個「熵」值由低變高的趨向，就是我們所認知的時間方向（即「時間之矢」）。因此，根本的核心問題是：宇宙在窄始時，具有那麼高的能量，而空間又是那麼小（即如在「單㸃（singularity）」時），為何「熵（即俗謂的亂度）」卻是處在最低值？

三、真的有「平行宇宙（parallel universe）」嗎？

參見前文（DDS023-「宇宙有多大？」及DDS028-「我們只有一個宇宙嗎？」），「宇宙是平的（flat）」這個看法，已是理論物理學的定論，意思是說，我們現今觀察到的宇宙萬物，只是宇宙依水平方向無限延伸的一部分，但是「量子力學」又告訴我們，在每一個環宇範疇（cosmic patch）裡，粒子（particle）只能有有限的排列方式，因此，若宇宙無限延伸出去，就有無限的環宇範疇，而粒子的排列方式，在此無限的範疇中，就變得必須無限地重複呈現，形成許多與我們類似的宇宙（即「平行宇宙」），這可能嗎？

四、為什麼宇宙中的「物質（matter）」較「反物質（antimatter）」為多？

「反-物質」指的是那些和一般「物質」，具有相反荷電（oppositely-charged）和旋轉方向（oppositely-spinning）的孿生物質。一般假定，宇宙肇始時，這兩者（「物質」和「反物質」）應該同時形成，而且在往後的宇宙演化史中，也應被所有自然律同等看待，但實際上卻非如此，宇宙中的「物質」較「反物質」多得多了，科學家們迄今還沒找到一個合理的解釋。

五、宇宙的最終命運為何？

宇宙的最終命運取決於其質量和能量的密度分佈（即其值的大小；參閱前文DDS023-「宇宙有多大？」和DDS027-「宇宙膨脹說」）。到底其最終的宿命為何，科學家們迄今尚未能有一致的看法。

六、「弦論（string theory）」對嗎？

       「弦論」認為自然界中的基本粒子（參見DDS003-2013年的 「Pi Day」），是由次原子大小的一維環狀物（loop）組成，此環狀物稱之為「弦（string；見下之示意圖；credit：Brian Greene）」，因為它們類似樂器上的弦般，以不同的彈撥方式，奏出不同的音符或音階，以上這些「弦」，即是以不同的振動方式，決定了各個不同粒子的本質和特性。這「弦論」主要是希望能將小尺度的「量子理論」和大尺度的「相對論」融合在一起，共同來解釋宇宙萬物的一種理論（見前文DDS048-「時間（I）」）。問題是該理論僅能在「十維的空間加上一維時間」的時空裡才可行，目前來説，科學家們還無法找到，一個有效的實驗方法去證實「弦」的存在（其大小只有原子大小的10^-21），也因此無法確定該學説，是否為真。

另外，該文作者也提到兩個目前也是無解的問題：即宇宙在混沌中是否有序？以及為何在測量次原子粒子（如位置、速率等等）時，原本描述其性質的「量子波浪函數方程式（quantum wavefunctions）」會驟然無效（collapse）？因為這兩者牽涉到更深奧的數理專業知識，我是門外漢，僅懂得部分皮毛，不敢妄加論述，有興趣的讀者，請參閲該文及其他相關論著。