1900 年，開爾文勛爵在英國皇家研究所做了一次演講，演講中開爾文提到了，物理學(xué)大廈的上空飄著兩朵烏云。在這之后的幾十年里，正是通過對這兩朵烏云的研究，得到了二十世紀(jì)最偉大的兩個(gè)理論——量子力學(xué)和相對論。而在二十一世紀(jì)初的現(xiàn)在，我們可以自豪的說：
物理學(xué)大廈之上的天空，飄滿了烏云
1、正反物質(zhì)不對稱之謎
任何一種粒子都有其對應(yīng)的反粒子，正反粒子的性質(zhì)是相反的，但是質(zhì)量相同，比如電子的反粒子就是正電子。
最先提出“反物質(zhì)”的是狄拉克，他提出了描述電子的狄拉克方程，他通過解狄拉克方程發(fā)現(xiàn)，每一種粒子都必定存在其對應(yīng)的反粒子，反粒子和粒子的質(zhì)量完全相同，但是電荷等屬性完全相反。
1932 年，安德森發(fā)現(xiàn)了正電子。從 1930 年起安德森負(fù)責(zé)用云室觀測宇宙射線。安德森采用一個(gè)帶有非常強(qiáng)磁鐵的威爾遜云室來研究宇宙射線。他讓宇宙射線中的粒子通過室內(nèi)的強(qiáng)磁場，并快速拍下粒子徑跡的照片，然后根據(jù)徑跡長度、方向和曲率半徑等數(shù)據(jù)來推斷粒子的性質(zhì)。1932 年 8 月 2 日，安德森在照片中發(fā)現(xiàn)一條奇特的徑跡，這條徑跡和負(fù)電子有同樣的偏轉(zhuǎn)度，卻又具相反的方向，顯示這是某種帶正電的粒子。從曲率判斷，又不可能是質(zhì)子。于是他果斷地得出結(jié)論，這是帶正電的電子。狄拉克預(yù)言的正電子就這樣被安德森發(fā)現(xiàn)了。
正反物質(zhì)相遇會發(fā)生湮滅反應(yīng)，在這個(gè)過程中會發(fā)釋放出高能光子。單純的從 Dirac 方程來看，物質(zhì)和反物質(zhì)的地位是完全等價(jià)的，不存在誰比誰更優(yōu)先，兩者是互為反物質(zhì)，也就是說，物質(zhì)和反物質(zhì)的產(chǎn)生和湮滅過程在統(tǒng)計(jì)上應(yīng)該是平衡的。如果我們假設(shè)宇宙大爆炸時(shí)正反物質(zhì)數(shù)量是相等的，那么現(xiàn)在的正反物質(zhì)數(shù)量也應(yīng)該是相等。
宇宙中的物質(zhì)和反物質(zhì)的不對稱主要體現(xiàn)為正反重子的不對稱，這是因?yàn)楫?dāng)今宇宙中的普通物質(zhì)的能量主要集中在重子部分。但是天文觀測數(shù)據(jù)卻顯示，在可觀測的宇宙范圍內(nèi)，二者嚴(yán)重失衡，只發(fā)現(xiàn)了正物質(zhì)，沒有反物質(zhì)。假設(shè)宇宙中有反物質(zhì)存在的區(qū)域，那么在正反物質(zhì)的交界處會發(fā)生劇烈的湮滅，產(chǎn)生很強(qiáng)的伽馬射線，但是宇宙觀測中并沒有發(fā)現(xiàn)這種伽馬射線。在高能宇宙線中觀測到的反物質(zhì)比如反質(zhì)子是宇宙線傳播過程中發(fā)生碰撞而產(chǎn)生的次級粒子, 并不是來自于宇宙深處的原初反物質(zhì)其它的觀測也給出了相同的結(jié)果。
到目前為止，提出了很多理論解釋宇宙正反物質(zhì)不對稱，但是還沒有任何一個(gè)理論能完美的解決這個(gè)問題。
2、暗物質(zhì)之謎
宇宙中的星系一般都是有自轉(zhuǎn)的，星系中的天體繞著星系中心旋轉(zhuǎn)。根據(jù)牛頓理論以及觀測到的星系物質(zhì)分布，可以得到星系中天體繞著星系中心旋轉(zhuǎn)速度與到星系中心距離的關(guān)系，定性來說，就是隨著距離的增加，旋轉(zhuǎn)速度先增加后降低：
然后對很多星系的觀測發(fā)現(xiàn)，實(shí)際結(jié)果與理論預(yù)測結(jié)果并不相同：在距離較小時(shí)，旋轉(zhuǎn)速度隨著距離的增加而增加；但是距離較大時(shí)，旋轉(zhuǎn)速度不再隨著距離增大而變化。
實(shí)際上，根據(jù)觀測，暗物質(zhì)在宇宙中的含量是可見物質(zhì)的五倍多，
雖然人們已經(jīng)對暗物質(zhì)作了許多天文觀測，其組成成分至今仍未能全然了解。暗物質(zhì)不參與電磁相互作用，因?yàn)闊o法通過光學(xué)手段或者電磁觀測到；也不會參與強(qiáng)相互作用。暗物質(zhì)應(yīng)該會參與弱相互作用，因此與我們周圍物質(zhì)的相互作用極弱，或許暗物質(zhì)就在我們周圍，但是很難被觀測到。
現(xiàn)在世界上也運(yùn)行著一些儀器對暗物質(zhì)就行探測，比如中國于 2015 發(fā)射的暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星“悟空號”，2017 年 11 月 30 日中科院發(fā)布，悟空號發(fā)現(xiàn)可能是暗物質(zhì)存在的證據(jù)。
丁肇中目前主導(dǎo)的 AMS 項(xiàng)目，就是一個(gè)安裝于國際空間站上的粒子物理試驗(yàn)設(shè)備，其關(guān)鍵目標(biāo)就是尋找暗物質(zhì)粒子。
3、中微子質(zhì)量問題
中微子是奧地利物理學(xué)家沃爾夫?qū)U利于 1930 年，為了解釋β衰變中能量、動量以及自旋角動量守恒而提出的。中微子是電中性粒子。1942 年，王淦昌首次提出利用電子俘獲來在實(shí)驗(yàn)中觀測中微子。在 1956 年 7 月 20 日發(fā)行的《科學(xué)》雜志中，克萊德·科溫、弗雷德里克·萊因斯等人發(fā)表了他們對于中微子的觀測結(jié)果。而在這一結(jié)果發(fā)表近 40 年后，萊因斯才因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)中微子而獲得了 1995 年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
中微子是標(biāo)準(zhǔn)模型中的基本粒子，一共有三種，它們都只參與弱相互作用，而弱相互作用在標(biāo)準(zhǔn)模型中扮演著非常特殊的角色。弱相互作用破壞宇稱守恒定律，也就是它對于空間反演變換是不對稱的。中微子是費(fèi)米子，而費(fèi)米子可以按照手性分為左手性和右手性，它們在弱相互作用中的參與方式是不同的。然而，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，中微子只有左手性的，沒有右手性的。因此，在標(biāo)準(zhǔn)模型中，只有左手中微子而沒有右手中微子。但是不存在右手中微子的嚴(yán)重后果就是中微子無法產(chǎn)生質(zhì)量！也就是說，標(biāo)準(zhǔn)模型理論中的中微子是沒有質(zhì)量的粒子。
然而，在對中微子觀測的實(shí)驗(yàn)中，人們發(fā)現(xiàn)了“中微子振蕩”現(xiàn)象。那么什么是中微子振蕩呢？簡單的說，中微子一共有三種，在一次反應(yīng)中產(chǎn)生了大量的特定的中微子，但是在遠(yuǎn)處對這種中微子進(jìn)行觀測的時(shí)候，卻只觀測到了 1/3 的此中微子，另外的 2/3 變成了另外的兩種中微子。而中微子振蕩現(xiàn)象要求中微子有質(zhì)量！
因此，理論與實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了矛盾。日本科學(xué)家梶田隆章以及加拿大科學(xué)家阿瑟·麥克唐納兩人由于發(fā)現(xiàn)了中微子振蕩現(xiàn)象存在的證明，并取得中微子質(zhì)量數(shù)據(jù)，因此獲得了 2015 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。中微子振蕩是目前唯一直接超出標(biāo)準(zhǔn)模型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。為了產(chǎn)生微小的中微子質(zhì)量，我們必須超越粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型，引入新的基本粒子或者對稱性。但是目前為止，新引入的粒子或者對稱性還沒有被觀測到。
4、夸克禁閉之謎
夸克是標(biāo)準(zhǔn)模型中的粒子，夸克之間通過強(qiáng)相互作用構(gòu)成復(fù)合粒子，比如，質(zhì)子是由兩個(gè)上夸克和一個(gè)下夸克構(gòu)成，中子是由一個(gè)上夸克和兩個(gè)下夸克構(gòu)成。這樣的復(fù)合粒子叫做重子。夸克也可以和一個(gè)反夸克構(gòu)成粒子，這樣的粒子稱為介子。介子和重子統(tǒng)稱為強(qiáng)子。
雖然夸克可以三三兩兩的構(gòu)成復(fù)合粒子，但是夸克卻無法單獨(dú)存在?？紤]把一個(gè)介子中的兩個(gè)夸克分開：
在這個(gè)過程中，需要給系統(tǒng)輸入能量。這個(gè)可以用引力說明：把地球上的物體和地球分開，需要給這個(gè)物體輸入能量，比如用火箭，才能把它發(fā)射出去。然而對于介子中的夸克，實(shí)際發(fā)生的情況是，當(dāng)介子中的兩個(gè)夸克被扯斷時(shí)，給系統(tǒng)輸入的能量足夠能從真空中再激發(fā)兩個(gè)新的夸克，這兩個(gè)新的夸克會和被分離的兩個(gè)夸克分別結(jié)合，最終就是由一個(gè)介子變?yōu)閮蓚€(gè)介子。還是沒有單獨(dú)的夸克被分離出來。
上面是定性的解釋，要想真正的理解這個(gè)過程，要從描述強(qiáng)相互作用的理論——量子色動力學(xué)——出發(fā)。夸克之間的相互作用的強(qiáng)度可以用一個(gè)參數(shù)來表示，
越大，相互作用越強(qiáng)，反之則越小。研究發(fā)現(xiàn)，
會隨著能量的變化而變化，實(shí)際上，會隨著能量的增加而降低，如下圖所示
也就是能量越高，夸克之間的相互作用越弱。但是遺憾的是，這個(gè)理論非常復(fù)雜，尤其是在低能量下，我們還做不到對這個(gè)理論進(jìn)行嚴(yán)格求解，而上述的結(jié)果是就只是系統(tǒng)在高能下的行為。因此，目前還無法通過量子色動力學(xué)直接得到夸克禁閉。但是，通過研究高能下量子色動力學(xué)的行為，我們發(fā)現(xiàn)了夸克物質(zhì)在高能下的一個(gè)行為，漸進(jìn)自由，這個(gè)現(xiàn)象給出了一個(gè)可能解決夸克禁閉問題的可能。
5、中子壽命之謎
前面提到了，中子是強(qiáng)子，由兩個(gè)下夸克和一個(gè)上夸克構(gòu)成。自由的中子可以通過弱相互作用發(fā)生衰變，變成質(zhì)子，同時(shí)釋放一個(gè)電子和中微子，
既然中子可以衰變，就有壽命。而對于中子壽命的測量，目前有兩種辦法：第一種是把很多中子放到瓶子里，經(jīng)過一段時(shí)間后再數(shù)一下瓶子中還剩多少中子，用這種方法測得中子壽命為 14 分 39 秒；第二種是產(chǎn)生一束中子束，然后統(tǒng)計(jì)其中生成的質(zhì)子數(shù)，得到的中子壽命為 14 分 48 秒。
理論上說，中子壽命不應(yīng)該依賴測量方法，然而這兩種不同的測量方法給出的中子壽命竟然有 9 秒的不同。要解釋這樣的不同，有兩個(gè)思路：第一個(gè)，兩種方法有一種是有錯(cuò)誤的，為了檢驗(yàn)這種可能，就需要把兩種不同的測量方法同時(shí)放在一個(gè)設(shè)備中進(jìn)行試驗(yàn)；第二個(gè)，就是中子的衰變沒有我們想象的那么簡單，中子不僅可以衰變成質(zhì)子，甚至有可能衰變成不可見的暗物質(zhì)！
但是，具體什么原因，目前為止還沒有明確的答案。中子的壽命具體是多少，我們還不知道。
