歡迎閱讀科學認識論的《通俗物理100課》系列，此系列旨在提高大衆基礎科學素養，共一百多篇文章，定期更新，涉及物理學各個方面，包括宇宙學，量子力學，相對論，弦論，以及各種前沿物理學知識。

　　【第四課：物理學烏雲】 1900年，英國物理學家威廉•湯姆生發表了題為“在熱和光動力理論上空的19世紀烏雲”的演講。此時此刻的物理學家們似乎認為物理學的大廈已經建立起來了，剩下的工作就是些縫縫補補的打雜活。

　　威廉•湯姆生

　　但是這兩朵烏雲毫無消散的意願，一個是黑體輻射問題，一個是光速問題。以現代時空觀角度來看，正是這兩朵在當時看起來不怎麼重要的烏雲卻徹底将物理學的大廈推倒，重新構建起來了。黑體輻射問題的解決造就了量子力學，光速問題的解決造就了相對論。

　　量子力學和相對論的建立已經過去了一個世紀。這一百年内，再也沒有出現類似量子力學和相對論這樣劃時代的物理理論的出現。然而現代物理學天空上的烏雲數量遠超19世紀。或許下一場物理學的革命就蘊藏在這些烏雲裡。所以我将開設一個新的專題，持續更新十幾期現代物理學烏雲的内容。現代物理學烏雲大緻分為62種，純理論方面的烏雲28種，有科學解釋，但是缺乏合理證據的烏雲有34種。本篇文章由于篇幅限制，暫時隻介紹四種比較重要的烏雲，後期會慢慢更新！

　　第一朵烏雲：量子力學和廣義相對論的矛盾 這裡有一個普遍的誤解，很多人認為廣義相對論和量子力學之間存在矛盾，兩者不可能同時都對。其實這樣的說法并不正确。兩個理論有矛盾意味着各自對同一現象的解釋會出現偏差或者背離的情況。

　　而廣義相對論在解釋宏觀尺度上的引力現象十分完美，量子力學解釋微觀世界也十分适用。兩者在各自管轄的領域内都能很好地适用，并沒有産生明顯的沖突。隻有嘗試将量子力學和廣義相對論兼容時，才會出現問題。

　　那既然兼容不到一塊，那就不兼容了，為什麼非要費那麼大的勁給它兩撮合到一塊呢。

　　其實，信奉簡單而統一是物理學家的執念，如果引力和其他基本力不一樣，沒有屬于自己的信使粒子，我想，你估計也忍不了，一定會想着讓引力也納入到量子力學中，用量子力學解釋引力。

　　所以物理學家一直尋求着引力量子化的方法。但這個過程至少出現了一個難以解決的問題。

　　迄今為止，大自然隻發現了強力，弱力， 電磁力 ，引力，這四種基本力。

　　力是一種相互作用，兩個物質之間要産生相互作用，不可能隔空傳遞（暫不考慮量子糾纏）。隻能借助一種中介物質來完成，暫且将這種中介物質稱為信使粒子。

　　強力作用于原子核内，傳遞強力的信使粒子是膠子。

　　弱力體現在亞原子粒子的放射性衰變上，傳遞弱力的信使粒子是W和Z玻色子。

　　電磁力作用在一切電磁現象中，電磁力的信使粒子是光子。

　　引力作用在所有物質之間，這也是作用範圍最廣，最普遍的一種作用力。傳遞引力的信使粒子是引力子。

　　但很遺憾，迄今為止，我們仍然沒有找到引力子。或者說，宇宙中是否存在引力子都是一個問号。

　　前三種基本相互作用力都有自己的信使粒子，按照美而簡潔的物理信念，引力也應該有屬于自己的信使粒子。所以引力子也是廣義相對論和量子力學無法兼容的最大障礙。

　　第二朵烏雲：大統一理論 我們知道，自然隻有四種基本力，但是物理學目前隻統一了弱力和電磁力，弱力和電磁力隻是在低能量狀态下才表現得像不同的力，但能量隻要足夠大（100GeV），弱力和電磁力就會表現成同一種電弱作用力。這就是電弱理論。

　　所以我們就可以設想，如果外部條件合适，強力和電弱作用力是不是也會統一表現成同一種力？電弱理論如果統一了強力就會晉升成大統一理論。

　　如果大統一理論完成，那剩下的就隻有引力了。

　　大統一理論之所以不包括引力，是因為引力十分特殊。強力，弱力和電磁力起碼已經明确了它們的信使粒子。但目前，我們甚至連引力的信使粒子（引力子）都沒有找到。所以大統一理論目前還很難完成！

　　第三朵烏雲：暗物質 暗物質最早是由荷蘭物理學家—揚•奧爾特提出的，也就是後來名字被命名為奧爾特雲的奧爾特。

　　1932年，奧爾特在研究銀河系自旋時發現，按照現有的引力理論，無法解釋為何銀河系外側的旋轉速度遠超理論預測值。如果銀河系内沒有額外的質量，那麼銀河系自身的引力還不足以束縛住星系外側超強的離心力，這會導緻整個星系分崩離析。

　　所以就預言，銀河系内一定存在一種看不見的額外物質，而這就是後來的暗物質。

　　如今，關于暗物質最有利的證據主要集中在大尺度下的引力透鏡效應中。

　　最典型的就是子彈星系團的引力透鏡。

　　子彈星系團是由船底座的兩個碰撞星系組成。如果不引入暗物質，按照這兩個星系的質量計算，不可能出現如此顯著的引力透鏡效應，所以天文學家根據引力透鏡效應就能反推出暗物質的分布情況。

　　其中粉紅色部分是正常物質發出的X射線，而藍色部分則是通過引力透鏡推算出的暗物質分布。

　　子彈星系團也是目前證明暗物質存在的最好證據。即便證明暗物質存在的現象很具說服力，但暗物質以及未被徹底證實！

　　第四朵烏雲：标準模型 标準模型聽起來比較晦澀難懂，其實基礎邏輯十分簡單。

　　人類要了解物質世界，必然就要找到組成物質的更小的成分。

　　我們一定會問：物質由什麼構成？物質不斷細分到底有沒有盡頭？

　　如今我們暫時知道物質的細分是有盡頭的，把物質不斷細分，最終會達到不可再分的粒子，這些粒子就是基本粒子，比如誇克，光子，中微子等。

　　标準模型幹的事就是将不可再細分的粒子裝到一個理論中，研究這些基本粒子之間的相互作用。

　　到目前為止，人類隻發現了61種基本粒子。如果加入尚未發現的引力子，那就是62種基本粒子。

　　現在的問題是：大自然難道真的隻存在着62種基本粒子嗎？

　　我想沒有任何科學家敢這麼認為，甚至大部分科學家相信還有更多的基本粒子未被發現。

　　如果基本粒子沒有全部找到，那麼标準模型就是個半成品，甚至可能存在重大缺陷。

　　最明顯的一個佐證就是，最近科學家發現W玻色子超重，原因可能是有未知的新粒子作用其中。

　　最嚴重的後果這會導緻希格斯機制被否定。

　　所以說，如果基本粒子無法全部找到，而未發現的基本粒子在事實上也會參與已知的基本粒子的作用中，但是我們又不知道它們如何作用，這樣就會幹擾甚至誤導人類對現有基本粒子的認知，導緻人類難以掌握粒子世界的基本理論。

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