物理學中一些尚未解決的主要問題是理論問題。現有的理論似乎無法解釋某些觀察到的現象或實驗結果。科學是建立在物理量的測量和理論公式的協調之上的。在許多情況下，在創建實驗來測試所提出的理論（如弦理論）或更詳細地研究一些現象（如電子在原子殼層之間的消失）方面存在困難。目前，還沒有技術能測量普朗克單位級别的粒子的活動。

标準模型

許多問題都與粒子物理标準模型的缺點有關：

• 是否存在尚未被發現的隐藏粒子？如果有，是哪些？它們的性質是什麼？
• 标準模型中的基本粒子複合粒子是否結合得太緊密以至于在目前的測量能力下無法觀察到？
• 是什麼使一些亞原子粒子帶有正電荷或負電荷的？
• 質量的起源是什麼？為什麼質量的存在總是導緻引力的産生？
• （如果有的話）在什麼情況下電荷宇稱(C-P)對稱被違反了？
• 為什麼中微子會振蕩？
• 為什麼物質比反物質多？
• 為什麼标準模型與廣義相對論不一緻？
• 質子穩定嗎？還是像标準模型所預測的那樣，在有限的壽命内衰減？為什麼質子的自旋不能用三誇克的自旋來解釋？
• 為什麼誇克和輕子會有三代呢？為什麼它們的電荷和自旋相同，但質量不同？

微觀層面的其他問題

• 對現實的量子描述，包括量子态的疊加、波函數的坍縮和量子退相幹等原理，是如何産生我們所感知的現實的？
• 什麼構成了一個“測量”，使波函數坍縮到一個确定的狀态？
• 為什麼總是有偶極磁場而沒有單極磁場？
• 量子色動力學中的誇克約束和色力是什麼？
• 信息如何表示量子系統的狀态？
• 普朗克質量在數學物理中起着至關重要的作用。為什麼它相對較大？有沒有一種粒子具有普朗克質量？

宏觀層面的物理

• 為什麼時空有三個空間維度和一個時間維度？它們是如何形成的？
• 為什麼時間有前進的方向？
• 什麼是暗物質和暗能量？他們存在嗎？它們的組成是什麼？
• 為什麼我們不能從第一原理推導出無量綱物理常數的值？
• 為什麼物理常數會有這樣的值？
• 有沒有一種理論可以解釋所有基本物理常數的第一原理推導？
• “基本物理常數”真的是基本的嗎？還是随時間而變化？

廣義相對論和宇宙學

廣義相對論

• 為什麼真空中的光速是常數？
• 時空是像素嗎？
• 為什麼引力這麼弱？
• 自然界是否如弦理論所預言的那樣擁有四個以上的時空維度（微觀維度）？如果有，它們的尺寸是什麼？在哪裡可以找到它們呢？
• 四維是某些隐藏粒子的基本屬性嗎？

時間的本質

• 在量子力學中，時間的流動是普遍而絕對的。在廣義相對論中，時間是四維時空的一個組成部分。時間流的變化取決于時空曲率和觀察者的相對軌迹。這兩種時間觀念如何協調一緻？
• 為什麼空間結構的曲率會導緻時間膨脹？
• 為什麼時間有向前的箭頭？
• 時間能量子化嗎？
• 宇宙的起源和未來？
• 生存的條件是如何産生的？
• 宇宙正在走向大凍結、大撕裂、大坍縮還是大反彈？或者它是無限循環的模型的一部分？

宇宙大小

• 如果可觀測宇宙的直徑大約是930億光年，那麼它的大小是多少？
• 宇宙的形狀是什麼？
• 宇宙在膨脹嗎？如果是的話，速率是多少？讓它膨脹的能量是多少？

黑洞

• 黑洞會産生熱輻射嗎？
• 如果黑洞消失了，存儲在其中的信息會發生什麼？
• 有辦法探測它們的組成嗎？

真空的質量

• 為什麼預測的真空質量對宇宙的膨脹幾乎沒有影響？
• 為什麼一些著名的物理學家試圖測量的真空質量被認為是災難性的大？

廣義相對論和量子力學并不總是一緻的。許多物理學家認為，這些缺陷是由于構成亞原子粒子的一些隐藏粒子造成的。物理學家一直在尋找一種新的物理學。其中一種方法是考慮所有亞原子粒子都是由更小的基本粒子組成的可能性。

亞原子粒子：它們是基本粒子還是複合粒子？

• 亞原子粒子不是由更小的基本粒子構成的“基本粒子”，就是由更小的粒子結合在一起構成的“複合粒子”。
• 目前，物理學家還沒有找到支持這種隐藏粒子存在的實驗證據，它們存在于亞普朗克尺度。

粒子物理的傳統目标

粒子物理學的傳統目标是識别和理解物質和力的原理。它也試圖在宏觀層面上理解宇宙的運行。現代粒子物理學已經确定了誇克和電子是物質産生的原因。

标準模型的缺點

然而，标準模型仍然不完整。也許這隻是現代物理學的圖景的一部分，包括亞原子世界的一個隐藏層。問題是：在哪裡可以找到隐藏層？它可能超出了測不準原理的範圍。它可能位于亞普朗克尺度世界。

缺乏直觀的解釋

現代物理學中隐藏的一面也是帶電粒子吸收和釋放能量量子的地方。對于帶電粒子吸收和釋放能量的機制，還沒有一個直觀的解釋。在現代物理學中，帶電粒子會産生電場。這一過程的機制是不清楚的，并不能解釋帶電粒子如何創造這樣的場。如果帶電粒子的相互作用産生虛光子，它的能量是多少？

g-2的因素

一個電子的磁矩的計算不能由其物理特性來決定，除非它的旋轉速度超過光速或它由未知的球狀旋轉粒子組成。基于目前的理論，這兩種可能性都不可能是正确的，因此需要對其基本構成有更深入的了解。物理學家解決了上述缺點，通過增加一個無量綱常數g，電子的角動量（它的值為約為2），而沒有解釋它的來源。

量子力學的潛在現實

為了使量子力學與現實相協調，人們做了幾次嘗試。雖然量子力學在廣泛的實驗中經受住了嚴格和精确的測試，但在它們的解釋上存在着一些争論，例如：

• 量子力學是确定的還是随機的？
• 量子力學的哪些元素可以被認為是“真實的”？
• 在讨論的其他問題中，測量的本質是什麼？

盡管有近一個世紀的争論和實驗，但對于代表量子力學現實的最佳解釋還沒有達成共識。

Preons 模型

1974年，preons（point-like particles）被認為是誇克和輕子的子成分。Preon研究的動機是希望将大量的粒子（隻在電荷上不同）減少到更小數量的更基本的粒子。例如，電子和正電子除了電荷相反外是完全相同的。preon研究提出電子和正電子是由類似的點狀更小的粒子組成的，它們之間的差異決定了電荷的大小。他們的希望是再現還原論（這在元素周期表中起了作用）來解釋費米子的三代。由于輕子和誇克的合成沒有直接的實驗證據，人們對preon的興趣減弱了。

弦理論

弦理論是一種理論框架，它認為亞原子粒子可能由弦組成。它解決了物理學中許多懸而未決的問題。在給定的弦理論中，隻有一種弦，它可能看起來像一個小環或普通弦的一段，可以以不同的方式振動。

弦，被認為是具有能量的線，是解釋量子引力和我們感知的現實世界的關鍵。這個理論的基本思想是，弦是亞原子粒子的一維能量線。這些弦的振動産生了真空中的一切，比如亞原子基本粒子的不同特征以及周期系統的所有元素。需要十個（或更多的）維度來描述一個感知的現實，即四個宏觀維度和六個微觀維度。用能量弦描述自然的最新嘗試是複雜的M理論。所有種類的粒子都被超弦理論統一了，因為每個粒子的區别僅僅在于弦的振蕩模式。甚至空間和時間也被認為受弦振動的影響。

超對稱和弦論

超對稱理論認為，當基本粒子（如光子、電子和誇克）在宇宙之初形成時，與之匹配的各種理論也随之産生。如果這些理論是正确的，那麼宇宙中粒子的種類至少會增加一倍。許多科學家希望證明超對稱性，因為它填補了物理學标準模型（包括暗物質）中的許多空白。然而，大型強子對撞機的實驗到目前為止還沒有發現超對稱性的證據。

• 超對稱性可以被認為是标準模型的一個擴展，其目的是填補一些空白。理論學家提出了一種機制，通過提出新“表親粒子”的存在，來賦予粒子質量。希格斯玻色子被認為是通過希格斯機制賦予W 和Z規範玻色子質量的粒子。
• 超對稱理論證實了觀察的必要性。超越标準模型來解釋量子世界的許多奧秘。

NASA的研究

另一個需要尋找一種新型物理的證據來自NASA的一項研究，引用如下。

美國宇航局最近的研究使用了兩個太空望遠鏡來計算宇宙增長的确切速度。這有助于理解宇宙從何而來，又将去向何方。但新的精确測量帶來的困惑比消除的更多。宇宙膨脹的方式似乎存在着一種奇怪的不匹配（這一發現可能表明，有一種全新的物理學支配着宇宙，等待着我們去發現）。

這些神秘的結果可能是由于暗物質和暗能量比之前認為的更加奇異，或者是由于太空中存在未知的新粒子。

繼續尋找隐藏的粒子

在過去的100年裡，許多物理學家一直在推測存在亞普朗克能級的隐藏粒子。人們希望提出的兩種基本粒子（具有二元性質的弦和奇點），能夠解釋缺失的更深層次的隐藏現實，并為當前的物理難題提供答案。

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