基础物理学中最伟大的 5 个谜题，任何一个都可以开启对宇宙的理解

人类终于了解宇宙了吗？

宇宙结构的形成，无论是大尺度还是小尺度，都高度依赖于暗物质和正常物质的相互作用。尽管存在暗物质的间接证据，但我们还是希望能够直接探测到它，这只有在正常物质和暗物质之间存在非零横截面时才会发生。没有证据证明这一点，也没有证据表明暗物质和正常物质之间的相对丰度发生了变化。

我们已经确定了支撑现实的粒子、力和相互作用。

在右边，说明了调节我们宇宙的三种基本量子力的规范玻色子。只有一个光子介导电磁力，三个玻色子介导弱力，八个玻色子介导强力。这表明标准模型是三个组的组合：U(1)、SU(2) 和 SU(3)。

我们的宇宙历史——过去、现在和未来——终于被确定了。

艺术家对可观测宇宙的对数尺度概念。太阳系让位给银河系，银河系让位给附近的星系，然后让位于外围的大尺度结构和炽热、致密的大爆炸等离子体。我们可以观察到的每条视线都包含所有这些时期，但在我们绘制出整个宇宙之前，对最远观测物体的探索将不会完成。

然而，许多谜题仍然存在，包括这五个。

在遥远的未来，可以想象，由于膨胀的逆转，我们膨胀的宇宙中目前包含的所有物质和能量都将聚集在一个地方。如果发生这种情况，我们宇宙的命运就是我们将以大收缩结束：与大爆炸相反。幸运或不幸的是，这取决于您的观点，我们拥有的任何证据都不支持。

1.) 宇宙是如何开始的？

从预先存在的状态来看，暴胀预测随着暴胀的继续，将产生一系列的宇宙，每个宇宙都与其他宇宙完全分离，被更多的暴胀空间隔开。大约 138 亿年前，这些“气泡”中的一个“气泡”在膨胀结束的地方诞生了我们的宇宙，我们整个可见的宇宙只是气泡体积的一小部分。每个单独的气泡都与其他所有气泡断开连接，膨胀结束的每个地方都会产生自己的热大爆炸。

宇宙暴胀在热大爆炸之前建立并先于大爆炸。

我们的整个宇宙历史在理论上是很好理解的，但只是定性的。通过观察确认和揭示我们宇宙过去一定发生的各个阶段，比如第一颗恒星和星系的形成时间，以及宇宙如何随着时间的推移而膨胀，我们才能真正了解我们的宇宙。热大爆炸之前的膨胀状态在我们的宇宙上留下的遗迹签名为我们提供了一种独特的方法来检验我们的宇宙历史，但即使是这个框架也有根本的局限性。

然而，支持性的观察证据还有很多未确定的地方。

CMB的波动是基于通货膨胀产生的原始波动。特别是，如果没有通货膨胀，大规模（左侧）的“平坦部分”就无法解释。扁平线表示在宇宙的前 380,000 年中将出现峰谷模式的种子，右侧（小尺度）仅比左侧（大尺度）低几个百分点边。

发生了什么“类型”的通货膨胀？什么先于和/或导致通货膨胀？

膨胀期间发生的量子涨落在整个宇宙中被拉伸，当膨胀结束时，它们变成密度涨落。随着时间的推移，这导致了当今宇宙中的大尺度结构，以及在 CMB 中观察到的温度波动。像这样的新预测对于证明所提议的微调机制的有效性以及测试（并可能排除）替代方案至关重要。

提供答案需要前所未有的新数据。

暴胀遗留下来的引力波对宇宙微波背景的 B 模式极化的贡献具有已知的形状，但其振幅取决于特定的暴胀模型。这些来自膨胀引力波的 B 模式尚未被观察到，但检测它们将极大地帮助我们准确确定发生的膨胀类型。

2.) 什么解释了中微子质量？

此图显示了标准模型的结构（以一种比更熟悉的基于 4 4 正方形粒子的图像更完整地显示关键关系和模式的方式，并且误导性更少）。特别是，该图描绘了标准模型中的所有粒子（包括它们的字母名称、质量、自旋、旋性、电荷以及与规范玻色子的相互作用：即与强力和弱电力的相互作用）。它还描述了希格斯玻色子的作用，以及电弱对称性破缺的结构，表明希格斯真空期望值如何打破电弱对称性，以及剩余粒子的性质如何因此发生变化。中微子质量仍然无法解释。

在标准模型中，中微子最初是无质量的。

中微子是一种有趣的粒子。该信息图列出了中微子的一些基本统计数据以及有趣的事实。

观察表明质量非零：中微子在与物质相互作用时会振荡。

对于一组选定的混合参数，电子（黑色）、μ 子（蓝色）和 tau（红色）中微子的真空振荡概率。准确测量不同长度基线的混合概率可以帮助我们理解中微子振荡背后的物理学，并可以揭示与三种已知中微子种类耦合的任何其他类型粒子的存在。

中微子是狄拉克粒子还是马约拉纳粒子？是否存在重的、贫瘠的中微子种类？

一个中微子事件，可以通过沿探测器壁衬的光电倍增管出现的切伦科夫辐射环来识别，展示了中微子天文学的成功方法和利用切伦科夫辐射。该图像显示了多个事件，并且是为我们更好地了解中微子铺平道路的一系列实验的一部分。

它们的性质可能会破坏标准模型。

这张剖面图显示了深层地下中微子实验中中微子的路径。质子束在费米实验室的加速器复合体中产生（由 PIP-II 项目改进）。光束击中目标，产生中微子束，穿过费米实验室的粒子探测器，然后穿过 800 英里（1,300 公里）的地球，最后到达桑福德地下研究设施的远距离探测器。

3.) 为什么我们的宇宙以物质为主？

碰撞星系团“El Gordo”是可观测宇宙中已知最大的星系团，与其他碰撞星系团一样，显示出暗物质和正常物质的相同证据。在这个或任何已知星系或星系团的界面上几乎没有反物质的空间，严重限制了它在我们宇宙中的可能存在。

比反物质更多的物质弥漫在宇宙中。

通过对碰撞星系团的检查，我们可以限制它们之间界面处发射的反物质的存在。在所有情况下，这些星系中的反物质少于十万分之一，这与其由超大质量黑洞和其他高能量源产生的结果一致。没有证据表明宇宙中存在丰富的反物质。

然而，已知的物理学无法解释观察到的物质-反物质不对称性。

大爆炸产生物质、反物质和辐射，在某个时候会产生更多的物质，从 而形成了我们今天的宇宙。这种不对称性是如何产生的，或者从没有不对称性开始的地方产生，仍然是一个悬而未决的问题，但我们可以确信，与反物质对应物相比，上下夸克的过量是质子和中子得以形成的原因首先在早期宇宙中。

基本对称性破坏——和 LHCb 实验——可以解释重子发生。

奇偶校验或镜像对称性是宇宙中三种基本对称性之一，另外还有时间反转和电荷共轭对称性。如果粒子沿一个方向旋转并沿特定轴衰减，那么在镜子中翻转它们应该意味着它们可以沿相反方向旋转并沿同一轴衰减。观察到弱衰变并非如此，弱衰变是已知唯一违反电荷共轭 (C) 对称性、宇称 (P) 对称性以及这两种对称性的组合 (CP) 的相互作用。

4.) 什么是暗物质？

像银河系这样的螺旋星系如右图所示旋转，而不是左图，这表明暗物质的存在。不仅所有的星系，而且星系团甚至大尺度的宇宙网都需要暗物质在宇宙的早期就处于低温和引力状态。

它会聚集并受到引力，但会穿过原子和光。

各种碰撞星系团的 X 射线（粉红色）和整体物质（蓝色）图显示正常物质和引力效应之间的明显分离，这是暗物质存在的一些最有力证据。X 射线有两种类型，软（低能量）和硬（高能量），其中星系碰撞会产生超过数十万度的温度。

它的间接证据是压倒性的；直接搜索仍然没有结果。

LNGS B 馆配有 XENON 装置，探测器安装在大型防水罩内。如果暗物质和正常物质之间存在任何非零截面，这样的实验不仅有机会直接检测到暗物质，而且暗物质最终有可能与你的身体相互作用。

人们了解它的影响，而不是它的根本原因。

宇宙中形成的暗物质结构（左）和由此产生的可见星系结构（右）在冷、暖和热暗物质宇宙中自上而下显示。根据我们的观察，至少 98% 以上的暗物质要么是冷的，要么是暖的；热的排除了。在各种不同尺度上对宇宙许多不同方面的观察都间接地表明暗物质的存在。

5.) 什么是暗能量？

宇宙的预期命运（前三个插图）都对应于一个物质和能量共同对抗初始膨胀率的宇宙。在我们观察到的宇宙中，宇宙加速是由某种暗能量引起的，这是迄今为止无法解释的。如果你的扩张速度继续下降，就像前三种情况一样，你最终可以赶上任何事情。但如果你的宇宙包含暗能量，情况就不同了。

宇宙的膨胀正在加速。

虽然物质（正常和黑暗）和辐射由于体积增加而随着宇宙膨胀而变得不那么密集，但暗能量以及膨胀期间的场能是空间本身固有的一种能量形式。随着在膨胀的宇宙中产生新的空间，暗能量密度保持不变。请注意，单个辐射量子并没有被破坏，而只是被稀释和红移以逐渐降低能量，随着空间的膨胀延伸到更长的波长和更低的能量。

它的特性表明恒定的正空间能量密度。

宇宙遥远的命运提供了多种可能性，但如果暗能量真的如数据所示那样是一个常数，它将继续沿着红色曲线移动，导致这里经常描述的长期情景：最终宇宙的热寂。如果暗能量随时间演化，大撕裂或大收缩仍然是可以接受的。

要取得进步，必须了解量子真空。

如此处所示，由于海森堡的不确定性，粒子-反粒子对通常会从量子真空中弹出。然而，在足够强的电场存在下，这些对可以在相反的方向上撕裂，导致它们无法重新湮灭并迫使它们成为真实的：以潜在电场的能量为代价。我们不明白为什么空间的零点能量具有它所具有的非零值。