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目前無法解釋的7個物理問題,每一個都困擾科學家上百年的時間

2024-02-07科學

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現代科學認為,我們的地球誕生於46億年前,也就是太陽系誕生初期,在太陽系中一共有八大行星,它們分別是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星,在海王星的外面還有一顆冥王星,曾經冥王星也屬於一顆行星,但是後來科學家認為冥王星的體積和質素都太小了,於是將它踢出了行星的行列,目前太陽系中只有八大行星,在八大行星當中,地球是唯一一顆誕生了生命的星球,地球之所以能夠誕生生命,主要是因為地球滿足了生命誕生的基本條件,這使得生命能夠在地球上生存,人類作為地球上最有智慧的生命,從誕生以後就開始不斷的研究和探索世界的奧秘,現在人類已經能夠走出地球探索宇宙,這說明人類科技發展的速度很快。不過即便如此,在科學界依然存在很多人類無法解釋的問題,下面我們就一起來看看這些物理問題。

第一個無法解釋的物理問題——宇宙是如何誕生的?

目前科學界認為,宇宙是由一次大爆炸引發的,在138億年前,有一個質素無限大、能量無限大、熱量無限大、密度無限大、體積無限小的點發生了爆炸,這個點爆炸之後,我們的宇宙快速的向四周膨脹,經過138億年的時間,宇宙才膨脹成我們現在看到的樣子,宇宙大爆炸理論並不是科學家憑空猜測出來的,科學家透過觀測宇宙微波背景輻射,這是一種遍布整個宇宙的微波輻射,是大爆炸留下的余暉,當大爆炸發生之後,宇宙中充滿了高溫高壓的等離子體,光子無法自由傳播,隨著時間的推移,宇宙逐漸膨脹和冷卻,直到38萬年之後,溫度下降到了3000k左右,等離子體復合成中性原子,光子開始自由飛行,這些光子就是CMB的來源。

CMB對於測量宇宙年齡有很大的幫助,因為它可以反映出當時的物理條件,比如溫度、密度、壓強等。透過對CMB的精細觀測和分析,科學家們可以得到一些重要的宇宙學參數,比如哈伯常數、物質密度參數、暗能量密度參數等。這些參數可以描述出宇宙的膨脹歷史和成分組成,並且可以代入一些數學公式來計算出宇宙年齡。目前,對CMB最精確的觀測來自於歐洲航天局的普朗克衛星。這顆衛星於2009年發射,並於2013年和2015年分別公布了兩批觀測數據。根據普朗克衛星2015年的數據,科學家們給出了最新估計的宇宙年齡:137.87±0.02億年。這個結果與之前的觀測結果基本一致,也與標準的大爆炸宇宙模型相符合。雖然現在科學家普遍認為宇宙來自於大爆炸,但是大爆炸理論還存在一些漏洞。

比如說在我們現有的物理學當中,根本不存在無限大或者無限小的物質,但是因為奇異點太過於神秘,所以科學家只能夠用無限這個詞來代替,如果說宇宙真的起源於大爆炸,那麽在大爆炸之前宇宙是什麽樣子的?有一些科學家認為,宇宙大爆炸之後才有了所謂的時間和空間,大爆炸之前什麽都沒有,所以根本不存在大爆炸之前的說法,還有一些科學家認為,在宇宙大爆炸之前,還有其它的宇宙空間,我們的宇宙可能是其他宇宙衍生出來的一個分支,而其它的宇宙也可能是我們的宇宙衍生出來的分支,在我們宇宙的外面還存在很多其它的平行宇宙,雖然目前科學家並沒有在宇宙中發現平行宇宙的痕跡,但是科學家一直都相信平行宇宙的存在。未來隨著人類科技的進步,說不定人類能夠解開宇宙誕生的奧秘。

第二個無法解釋的問題——暗物質是什麽

根據科學家的研究發現,在宇宙中大約有百分之85的物質是無法直接觀測到的,這些物質被稱為是暗物質,暗物質就是一種不發光、不反射光、不吸收光、不散射光、不發射電磁輻射的物質,這就意味著在任何波長的電磁波下,我們都無法直接看到的暗物質,既然如此,那麽科學家是如何知道暗物質存在的?雖然暗物質不和電磁波相互作用,但是和重力有相互作用,暗物質能夠透過重力影響其它可見物質,並且被其他可見物質所感應,透過觀測這些重力效應,我們能夠間接的發現暗物質的存在,早在1933年,瑞士天文學家祖威基(Fritz Zwicky)就在觀測星系團時發現了一個奇怪的現象。他發現,在一個星系團中,星系之間相互吸引的重力遠遠大於由可見星系所產生的重力。

這就好像在一個房間裏有很多人在跳舞,但是他們之間相互牽引的力量卻超過了他們自身重量所能產生的力量。這就意味著,在星系團中存在著一種看不見但卻有很大重量的東西,在提供額外的重力。祖威基把這種東西稱為「暗物質」,並估計了它在星系團中所占比例。後來,在20世紀70年代和80年代,美國天文學家魯比(Vera Rubin)和福特(Kent Ford)在觀測旋轉星系時又發現了另一個證據。他們發現,在一個旋轉星系中,靠近中心區域的恒星和遠離中心區域的恒星,旋轉的速度幾乎相同。這與牛頓的重力定律不符合。根據牛頓的重力定律,靠近中心區域的恒星應該旋轉得更快,而遠離中心區域的恒星應該旋轉得更慢。這就好像在一個旋轉的陀螺上,靠近軸心的點和遠離軸心的點,轉動的速度不一樣。

這就意味著,在旋轉星系中存在著一種看不見但卻有很大質素的東西,在提供額外的重力,使得恒星的旋轉速度保持平衡。魯比和福特也把這種東西稱為「暗物質」,並估計了它在旋轉星系中所占比例。科學家認為,在我們的宇宙中,暗物質和暗能量才是宇宙中最主要的物質,它們占到了宇宙總質素的百分之90左右,可見物質只占到宇宙總質素的百分之10左右,暗物質釋放出來的暗能量,能夠推動宇宙不斷的膨脹,現在我們宇宙膨脹的速度越來越快,這一切可能都是暗能量在背後起作用,為了尋找暗物質和暗能量,科學家們也做了很多努力,中國在四川建立了一個2400米的深的實驗室,這個實驗室建造在錦屏大河灣的下面,同時也是全世界最大的地下實驗室,看到這裏,可能很多朋友會產生一個疑問,就是為什麽要把實驗室建造在這裏?

科學家認為,因為這裏非常安靜,實驗室幾乎不會受到宇宙射線的幹擾,只有在如此安靜的環境中才有可能捕捉到暗物質,這個實驗基地是由當時清華大學的副校長發現的,經過多次考察和研究,最終才確定下來。從2010年開始,這個實驗室就開始正式執行了,不過到現在科學家也沒有在宇宙中捕捉到暗物質,說明暗物質比我們想象的還要神秘,未來隨著人類科技的進步,說不定人類能夠找到暗物質,到時候我們就能夠解開宇宙膨脹的奧秘。

第三個無法解釋的問題——黑洞吞噬的物質去了哪裏?

在1783年的時候,一位叫做妙思的英國業余天文學家給當時著名的科學家卡文迪許寫了一封信,信中提到他認為宇宙中會存在一種質素足夠大而導致完全黑暗,連光線都無法從表面逃走的星星,並將其稱為是暗星,這是關於黑洞最早的推論,在妙思之外,法國著名的科學家拉普拉斯也提出過暗星的概念,後來在1916年的時候,愛因斯坦發表了廣義相對論,並且利用公式計算出了黑洞的存在,在愛因斯坦廣義相對論發表的同年,德國物理學家卡爾史瓦西給出了關於黑洞重力場方程式的第一個精確解,這個解表明如果將大量物質集中於空間一點,其周圍會產生奇異的現象,即在質點周圍存在一個界面——視界一旦進入這個界面,即使光也無法逃脫。由此也出現了一個重要的名詞——史瓦西半徑。

後來這種不可思議的天體被美國物理學家約翰.阿茲波特.惠勒命名為黑洞,根據科學家的研究得出,黑洞的形成是由於恒星的演化而產生的,需要滿足一定的質素和密度條件,當一顆恒星燃燒殆盡核心燃料並且不再能維持熱核反應時,核心會因為重力塌縮而形成致密的物質,同時它的外層會被彈射出去形成一個超新星爆發,這個過程中,原來的恒星質素越大,其核心塌縮越劇烈,形成的黑洞也就越大,具體來說,如果一顆恒星的質素大約三個太陽質素,那麽它在演化的末期會發生重力塌縮,在這個過程中,核心的質素超過了一個臨界值,就會形成一個奇異點,從而形成一個黑洞,奇異點是一種空間中密度和重力無限大的點,使得一旦物質接近,就無法逃離。

而且黑洞也能夠透過多個恒星合並而形成,當兩個恒星在緊密的軌域運動中發生碰撞時,它們的質素會合並成一個更大的恒星,而且恒星的質素越大,這個過程越容易產生黑洞,如果兩個質素足夠大的恒星合並,形成的物質也許會更大,以至於它的核心超過臨界值並塌縮成黑洞,簡單來說,黑洞的形成是宇宙中大質素恒星演化的必然結果,是一種極端的物體,其密度、重力場等性質都非常特殊,因此它們在宇宙中的研究一直是天文學和物理學的重要課題,黑洞是人類在宇宙中發現的重力最大的天體,它能夠吞噬一切物質,這些被吞噬的物質去了哪裏?有一些科學家認為,這些被吞噬的物質可能會由白洞噴發出去,在黑洞的另一邊,還存在著一個神秘的天體白洞。

白洞和黑洞的性質是完全相反的,白洞的性質是不斷的噴發物質,黑洞和白洞連線在一起就形成了蟲洞,目前蟲洞和白洞還處於理論當中,除此之外,著名的物理學家霍金認為,黑洞並不是只進不出的神秘天體,它會隨著霍金輻射的蒸發而消失,1974年,物理學家霍金發現了一種混合重力和量子物理學的現象,被稱為霍金輻射。當黑洞被其吸收的物質包圍時,黑洞會發射出輻射,可以從地球上被探測到。但輻射來自黑洞外的物質,並非來自黑洞。霍金輻射其實就是熱輻射,它們的光譜完全匹配一個物體發出的光譜。黑洞的質素越大,溫度越低,蒸發越慢;黑洞越小,溫度越高,蒸發越快。在黑洞內部,由於空間扭曲過於強烈,時間和空間的概念會被顛倒。

從外部的角度來看,這使在黑洞中有一種負能量,當正負能量在黑洞邊緣時,負離子會被捕獲,正離子可以逃逸。黑洞透過吸收負離子,失去越來越多都能量,最終完全蒸發直到消失。不過真相到底是什麽?目前科學家也在積極的研究當中,未來隨著人類科技的進步,說不定我們能夠發現黑洞更多的秘密。

第四個無法解釋的問題——宇宙到底有多大?

從人類走出地球之後,人類就一直都在研究宇宙的奧秘,人類想要知道宇宙到底有多大?帶著這些疑問,人類走上了探索宇宙的道路,根據科學家的研究我們能夠知道,地球屬於太陽系中,太陽系處於另一個大得多的星系的一小部份,一個星系由數百萬顆恒星組成,其中很多恒星可能比我們的太陽大得多,它們可能有自己的太陽系,我們在銀河系看到的星星,其實都是恒星,它們都如此的遙遠,以至於用光年而不是公裏來測量距離,光一年大約傳播9萬4千6百零8億公裏,距離地球最近的恒星是半人馬座Alpha星,我們的太陽系以及周圍的天體都處於銀河系當中,目前銀河系的直徑達到了20萬光年,光年是一個距離單位,20萬光年就相當於光速飛行20萬年的時間。

在銀河系中,大約有1000億到4000億顆恒星,400億到1000億顆行星,除此之外還有大量的星團、星雲、星際氣體和塵埃,銀河系的質素是太陽的1.5萬億倍,從地球上眺望,銀河系是一條環繞天際的銀白色的環帶,像一條河流,所以被稱為是銀河系,對於太陽系來說,銀河系確實很大,但是比銀河系還大的星系是本星系群,它的中心位於銀河系和仙女座星系中間,直徑大約是1000萬光年,本星系群主要是由兩個次群組成,分別是銀河系次群和大小麥哲倫星雲組成的次群,以及以仙女座為中心的包括M32、MGC203、MGC107、MGC185等星系組成的次群。銀河系很大,但它也只是本星系群中的一員。不過,銀河系在本星系群中是個大塊頭,是主導星系。在本星系群上面還有室女座超星系團。

它的直徑達到了2億光年,包含了100多個星系群、星系團、本星系群也只是它的一部份,看到這裏,相信很多人都認為室女座超星系團已經非常大了,但是在室女座超星系團的外面還有更大的星系團,它叫做拉尼亞凱亞超星系團,拉尼亞凱亞超星系團的直徑5.2億光年,是銀河系的10萬倍,它由500多個超星系團、星系群組成,由約10萬個像銀河系這樣的星系構成。它包含室女座超星系團、孔雀——印第安超星系團、天爐座超星系團、波江座超星系團、矩天座超星系團以及阿貝爾3565、3574、3521超星系團。不過拉尼亞凱亞超星系團也不是宇宙中最大的結構,拉尼亞凱亞超星系團團只是雙魚——鯨魚座大尺度復合體中的普通一員。雙魚——鯨魚座超星系團復合體呈纖維狀結構,直徑10億光年,內含60個集群。

比雙魚座——鯨魚座超星系團復合體再大的是史隆長城,它是一堵由星系構成的 「巨墻」 。它長達14億光年,距離太陽10億光年。比史隆長城還大的是武仙——北冕座長城,它是宇宙中的一個超巨大結構,延伸至100億光年之外,它是宇宙中已知的最大的單一結構的超巨大天體。目前人類能夠觀察到宇宙直徑達到了930億光年,這個範圍並不是宇宙的全部範圍,宇宙到底有多大?現在科學家還在積極的研究當中,而且我們的宇宙還在快速的膨脹當中,如果宇宙一直膨脹下去,那麽我們永遠都不可能找到宇宙的邊緣。

第五個無法解釋的問題——地球磁場是如何形成的?

根據科學家的研究我們能夠知道,地球擁有非常強大的磁場,磁場對於地球生命來說非常重要,磁場能夠牢牢地抓住地球大氣層,大氣層能夠抵抗宇宙中的各種輻射和太陽光的紫外線,如果沒有大氣層的保護,地球生命根本無法長久的生存下去,火星就是一個很好的例子,火星沒有誕生生命,就是因為火星沒有磁場,所以大氣層很快就被太陽風吹散了,沒有大氣層的保護,火星變成了一顆荒蕪的星球,所以說磁場對於生命來說非常重要,一直以來,科學家都在積極的研究磁場的奧秘,科學家認為地球磁場的形成,主要源於地球的內核。地球內核充滿大量的放射性元素,這些放射性元素不但向外輻射,加熱地球內核的溫度,進而融化周圍的鐵鎳等金屬,形成液態的地球外核。

外核由流動的金屬構成,因此地球內核外部形成了可以導電的液體。透過內核放射性元素的輻射激發電子,就會讓地球外核出現電流,形成電流之後,地球外部就會產生磁場。根據該理論,地球的磁場也是有時間限制的。放射性元素都具有半衰期,隨著時間的推移,放射性元素會逐漸衰變,最終成為不具備放射性的元素,這也會導致地球內核的溫度逐漸下降。溫度的降低,帶來的就是地球外核金屬的冷卻凝固,失去金屬液體,地球內部的電流就會逐漸減弱,直至消失,地球磁場也會隨之減弱,最終失去磁場。不過目前科學家認為,地球磁場非常穩定,所以我們不需要擔心地球磁場的消失,簡單來說就是地球內部的液態金屬使得地球能夠擁有磁場,不過這個因素是不是主要的,現在科學家也在積極的研究當中。

第六個無法解釋的問題——中子壽命之謎

1932,英國物理學家占士·查德威克(James Chadwick)在原子核中發現了中子,開啟了原子能時代的大門,而他本人也因此獲得了1935的諾貝爾獎。在對中子進行研究時,科學家們意外的發現中子也有「壽命」,也就是它的衰變期。目前,測量中子壽命主要有兩個辦法,一個是將部份中子放到密封的容器中,然後定時檢視剩余數量,這種方法測得的壽命是14分39秒。而第二個則是透過中子束,計算單位時間內產生的中子數量,這種方法測得的壽命是14分48秒。估計大家都發現了,明明實驗物件都是中子,但就因為實驗方法不同,卻得到了相差9秒的實驗結果。科學家們對此也是非常疑惑,要知道客觀事實肯定不會因測量方法而改變。

所以這就出現了兩種可能,第一,實驗方法有一個是錯的。第二,中子衰變過程可能隱藏人類尚不知道的秘密,從而導致測量結果出現偏差。所以直到今天,不僅9秒誤差困擾著科學家們,中子的衰變周期同樣同樣一直困擾著科學家們。

第七個無法解釋的問題——宇宙的結局是什麽?

生老病死乃人之常情,在自然界中,沒有什麽東西是永恒的,天體也是一樣的,它們也是有壽命的,只不過天體的壽命比人類的壽命長,根據科學家的研究得出,我們的太陽壽命大約是100億年,到現在為止,太陽已經燃燒了50億年,也就是說我們的太陽還剩下50億年的時間,到時候太陽會變成一顆紅巨星,然後吞噬水星、金星、地球的軌域,這就意味著我們的地球壽命也只剩下50億年的時間了,在宇宙中,壽命最長的應該就是宇宙了,不過即使是宇宙,也有滅亡的一天,為此有一些科學家認為,宇宙最終會因為熱寂而消失,根據熵增定律,宇宙終有一天會熱平衡,屆時無任何能量存在。也就是說不存在任何能夠提供生命運動的能量。

那麽什麽是熵增定律?在自然過程中,一個孤立系統總是趨向於熵增,最終達到熵的最大狀態,也就是系統的最混亂無序狀態,其中熵指的是系統混亂無序的程度,系統越無序,熵值就越大,系統越有序,熵值就越小,曾經著名的管理學大師彼得.德魯克說:管理要做的只有一件事情,就是如何對抗熵增,在這個過程中,企業的生命力才會增加,而不是默默的走向死亡,著名的物理學家薛定諤說:人活著就是在對抗熵增定律,生命以負熵為生。而宇宙也是一樣的,宇宙最終也會因為熵值太高而死亡。除了這個猜測之外,還有的科學家認為,我們的宇宙最終會迎來大撕裂的結局,所謂的大撕裂主要是基於對暗物質提出的,根據科學家的研究我們能夠知道,宇宙到現在還在不斷的膨脹當中。

如果宇宙一直膨脹下去,宇宙中所有的天體和星系都會崩塌,由於暗物質的斥力超過了銀河系中心的超大質素黑洞的重力,所以銀河系中所有的天體都會被撕裂,包裹我們的太陽、地球等等,對此科學家透過計算得出,宇宙發生大撕裂需要在167億年之後,對於人類來說,這個時間還非常漫長,不過宇宙最終的結局到底是什麽?現在科學家也在積極的研究當中,真相是不是和科學家所想的一樣?現在科學家還不清楚,不過小編認為,人類作為地球上最有智慧的生物,人類的科技在不斷的進步和發展,只要人類能夠堅持不懈的努力下去,未來隨著人類科技的進步,說不定人類能夠解開宇宙最終的結局,小編希望人類能夠早日解開宇宙的奧秘,對此,大家有什麽想說的嗎?