【第四课：物理学乌云】

1900年，英国的物理学巨匠威廉·汤姆逊在一次演讲中提到了19世纪末期物理学理论中存在的两朵“乌云”。当时，很多物理学家认为物理学的理论框架已经搭建完毕，未来的任务仅仅是进行些许的补充和修整。

威廉·汤姆逊

然而，这两朵“乌云”并没有显示任何消散的迹象，一个关乎黑体辐射，另一个则涉及光速。从现代的时空理论视角来看，这两个当时看似不起眼的问题，实际上彻底颠覆了物理学的基本结构，并为其重建打下了基础。黑体辐射问题的解答开启了量子力学的大门，光速问题的解决则催生了相对论。

经过一个世纪的发展，量子力学与相对论的理论体系已经建立。在这一百年里，尚未出现像量子力学和相对论那样划时代的新物理理论。但现代物理学的“乌云”比19世纪时要多得多。接下来的物理学革命可能就隐藏在这些“乌云”之中。因此，我打算开设一个关于现代物理学“乌云”的系列专题，将连续更新十几期内容。

现代物理学的“乌云”大致可分为62类，其中28类属于纯理论问题，另外34类虽有科学解释，但缺乏充分的实证支持。由于篇幅所限，本文先介绍四个较为关键的“乌云”，之后会逐步展开更多详细讨论。

第一朵乌云：量子力学与广义相对论的不兼容

很多人误以为广义相对论和量子力学相互矛盾，认为这两套理论不可能同时正确。这种观点其实并非准确。两种理论在各自的应用领域内表现出色，分别在宏观与微观层面上有着出色的解释力，并没有直接冲突。问题仅在于试图将这两者融合时，才会暴露出不兼容的问题。

那么，既然它们不能简单合并，为什么还要强行使它们统一呢？

实际上，追求简洁和统一是物理学家的共同追求。如果引力与其他基本力量表现不同，没有属于自己的信使粒子，这种情况很难被接受。因此，物理学家一直在尝试找到描述引力的量子理论。

至今为止，人们已经确认了四种基本力：强力、弱力、电磁力和引力。

力量的表现是物质之间的相互作用，这种作用不可能无中生有，它需要通过某种介质，我们暂且称之为信使粒子。

强力主要作用于原子核内部，其信使粒子为胶子。

弱力主要体现在亚原子粒子的放射性衰变中，其信使粒子为W及Z玻色子。

电磁力表现在各种电磁现象中，由光子传递。

引力则作用于所有物质之间，影响范围广泛且普遍，其传递媒介理论上是引力子。

然而，至今人们还未能确证引力子的存在，其是否真实存在还是个未解之谜。

前三种力都已找到对应的信使粒子，基于对美的追求和简洁的物理信仰，引力理应也有自己的信使粒子。因此，引力子的缺失是广义相对论和量子力学不兼容的主要障碍之一。

第二朵乌云：大统一理论

我们知道自然界存在四种基本力。目前物理学已经将弱力和电磁力统一起来，在能量较低时表现为两种力，但在足够高的能量级（100GeV）时，它们会合并表现为电弱作用力，这便是电弱理论的成果。

因此，我们可以设想，在某些条件下，强力与电弱作用力也可能统一为一种力。如果这一点得以实现，那么电弱理论便会升级为大统一理论。

如果大统一理论得以完成，那么剩下的唯一未统一的力就是引力。

由于引力的特殊性，强力、弱力和电磁力已经明确了它们的信使粒子，但引力子的缺失使得大统一理论目前仍难以实现。

第三朵乌云：暗物质

暗物质的概念最早由荷兰物理学家扬·奥尔特提出，并因此得名“奥尔特云”。

1932年，奥尔特在研究银河系的自旋时，发现按照现有的引力理论无法解释银河系外侧的旋转速度为何远超理论预测值。如果没有额外的质量，银河系自身的引力不足以对抗星系外侧的离心力，可能导致星系解体。

因此，他预测银河系内必存在一种不可见的额外物质，即后来被称为暗物质的存在。

当前关于暗物质的最有力证据主要来自于大尺度的引力透镜效应。

最典型的案例是子弹星系团的引力透镜现象。

子弹星系团由两个碰撞的星系组成，位于船底座。如果不计入暗物质，仅凭这两个星系的质量，无法解释引力透镜效应的显著表现，因此天文学家通过引力透镜效应推算出暗物质的分布情况。

其中，粉红色区域显示的是正常物质发出的X射线，蓝色区域则标示了通过引力透镜计算得出的暗物质分布。

子弹星系团提供了目前最有力的证据来支持暗物质的存在。尽管如此，暗物质的实质仍未得到彻底证实。

第四朵乌云：标准模型

标准模型虽听起来较为抽象，其核心逻辑实则相当直白。

人类对物质世界的探索必然涉及到寻找组成物质的更细小的成分。

我们经常会问：物质是由什么构成的？物质细分的终点在哪里？

目前的科学认为，物质的细分是有终点的，最终会达到一些基本不可再分的粒子，如夸克、光子和中微子等。

标准模型的任务就是将这些基本不可再细分的粒子纳入一个统一的理论框架内，研究它们之间的相互作用关系。

到目前为止，科学家们已经发现了61种基本粒子。如果将尚未发现的引力子计算在内，则共有62种基本粒子。

但现实是：大自然真的只存在这62种基本粒子吗？

几乎没有任何科学家会这样断言，大多数科学家相信还有更多的基本粒子尚未被发现。

如果还有基本粒子未被发现，那么标准模型仍是不完整的，甚至可能存在重大的缺陷。

一个明显的迹象是，最近科学家发现W玻色子的质量异常，这可能表明有未知的新粒子存在。

这种发现可能会挑战希格斯机制的正确性。

因此，如果未能找到所有基本粒子，而这些未知的基本粒子实际上参与了已知粒子的相互作用，但我们却不清楚它们的作用机制，这将干扰甚至误导我们对现有基本粒子的理解，使得掌握粒子世界的基本理论变得困难。