第一节：物理学未解之谜

宇宙的起源真的来自大爆炸么？我们所在的银河系、太阳系真的来自于大爆炸学说吗？所有星系的秩序来自于哪里呢？万有引力是正确的么？黑洞真正的存在么？如果黑洞不存在，那么光是怎么被星系的黑洞中心吸附走的，以至于光都无法逃逸出来？反物质是怎么回事？暗物质与能量存在么？如果不存在，伟大的力量来自那里呢？构成万物的基本粒子应该是什么？

这些问题不断地追问着当代的物理界，当今的科学理论框架已经不能够更好地解释世界了，因为很多宇宙的关键未解之谜，需要更好的理论框架来解释。包括中国在内的全球几十个国家三千个科学家参与、耗费百亿欧元的大型对撞机最近为希格斯粒子的存在找到大量证据，但目前来看还没有最终确定。如果确定了，谁又能保证这种对撞机模拟的是真实的宇宙粒子呢？有的科学家承认粒子模型已经过时，爱因斯坦相对论与量子理论是冲突的，在此基础之上的现代物理学急需新的物理理论来解释世界，为此爱因斯坦后半生一直在研究大统一理论，希望来更好的解释物理与宇宙现象，而霍金等世界顶尖科学家们也一直在探索大统一理论。让我们先看看当今宇宙科学的未解之谜：

谜团之一：宇宙是如何开始的，平行宇宙是怎么回事？宇宙是大爆炸而来的吗？

目前理论认为宇宙起源于137亿年前的一次大爆炸，这次爆炸是源于一个非常非常小、比电子还小的很多数量级别的点，在非常非常短的一瞬间、一个极小的空间内所产生的。关于宇宙大爆炸的证据其一就是宇宙微波背景辐射，它是大爆炸的余烬，但是很多迹象表明，我们所观察到的宇宙之外还有宇宙，那么宇宙大爆炸的逻辑性与起源就会存在更多的疑问，微波背景辐射是否能成为宇宙大爆炸假说的铁证呢？宇宙大爆炸的证据之二是目前科学家观察到的宇宙正在加速膨胀，这个观察是否正确？另外宇宙大爆炸证据之三的红移证据是否值得质疑？

谜团之二：存在大统一终极理论（万有理论）吗？

爱因斯坦后半生一直致力于研究大统一理论，试图用一种理论统一目前的所有力。霍金与世界很多顶尖物理学家目前也在研究这一终极理论。霍金认为基于弦理论的M理论最接近这个万有理论。目前科学界公认的自然界的四种基本力为：万有引力、电磁相互作用力、弱相互作用力、强相互作用力。

万有引力定律是物体间相互作用的一条定律，任何物体之间都有相互吸引力，从电子到光，到相距几个亿光年的两个星球或者小物体。这个力的大小与各个物体的质量成正比例，而与它们之间的距离的平方成反比。

电磁相互作用力乃是带电荷粒子或具有磁矩粒子通过电磁场传递着相互之间的作用。

对于弱相互作用力来说，表现为中子的β衰变。即中子衰变成质子、电子与电子中微子。在费曼图中表现为中子与电子中微子发生碰撞，在碰撞过程中发生了力的作用，这种力就是弱相互作用力。碰撞后的中子改变方向，其固有能量与动量都发生改变，变成了质子。电子中微子也改变方向，固有能量与动量也发生改变，变成了电子。

强相互作用是质子、中子间的核力属于强相互作用，是质子、中子结合成原子核的作用力，现在进一步认识到强子是由夸克组成的，强作用是夸克之间的相互作用力。

由于现代物理学中量子理论与相对论的矛盾，所以如何把四种基本作用力统一成一种新的大统一理论就成为了世界谜题之一。

谜团之三：什么是暗物质？什么是暗能量？

我们现在的物质，包括地球、太阳、银河系的各个星系加起来物质占不到宇宙的4%，剩余的23%属于暗物质，73%属于暗能量。暗能量与推动宇宙加速膨胀有关，暗物质参与到星系中的作用。对于宇宙来说，决定宇宙的并不主要是我们观察到的物质世界，而是暗物质与暗能量，但是人类对于两者的认识都是有限的，何时能解开暗物质与暗能量之谜，何时就会对我们宇宙规则有全新的认识，包括新的物理学规律。

谜团之四：在量子不确定性和非定域性之下，还有更深层次的原理吗？

量子理论已经诞生了一百年有余，它产生了令人信服的应用成果，但是它也带来了反直觉：量子具有波与粒子的双重性，就是波粒二象性。量子力学的不确定原理指出我们无法同时精确地获得一个物体的动量和位置。而非定域性让两个处于量子纠缠态的粒子的纠缠态同时崩溃，而不管它们相距多远。爱因斯坦就说过，尽管量子力学给他留下了非常深刻的印象，但是“一个内心的声音告诉我，它还不是真实的东西。”

谜团之五：万有引力从何而来？

一般人都认为对重力理论我们已经有很深刻的理解了，其实万有引力是宇宙中存在的最弱的一种力。物理学的标准模型不能解释它是如何发生的，理论家认为可能存在微小无质量的引力子在辐射引力场。万有引力不同于标准模型所描述的其他力，费米实验室的理论物理学家杰克逊说：“当你计算微弱的引力相互作用时，会得到愚蠢的结果，数学在它面前无效了。”

谜团之六：相对论的时空弯曲是正确的吗？

爱因斯坦在牛顿的万有引力理论基础之上加以改善，推出时空弯曲概念，从三维空间加上了时间，成为四维空间。他将引力的概念予以延伸，把引力作用范围也扩展到了比如地球、太阳系、星系等极其巨大的引力场和以接近光速的速度运动的物体。相对论主要思考的是宏观方面物体，这与量子力学是矛盾的。万有引力在原子级别上是可以忽略的，自然界中仍然存在着一些极端的条件，能够让引力和微小的物质发生亲密的关系。在黑洞研究里，相对论与量子理论成为必须面对的两个问题，必须需要有新的理论来重新解释。这就对相对论提出了新的要求，相对论是正确的么？否则为什么与量子理论相矛盾呢？

谜团之七：光速为最高速度吗？

光速恒定以及光为最高速度是现代物理学的基础，粒子理论与弦理论、宇宙大爆炸理论等都是依赖于光速为最高速度为基础的，如果光速不为最高速度，那么物理学将必然面临新的改革。然而在早期的时候，物理学家们就都知道，量子纠缠本身就属于超光速现象，有科学家验证其速度可能为光速的万倍以上。

最近意大利一个名为OPERA的实验装置在接收了相距七百三十公里外的欧洲核子研究中心的中微子后，竟然发现中微子比光速还快了60纳秒（1纳秒等于十亿分之一秒）。这震动全球的科学界，因为这具有颠覆性的意义。参与实验的瑞士伯尔尼大学的安东尼奥·伊拉蒂塔托说，他和同事被这一结果震惊了，他们随后反复观测到这个现象1.6万次，并仔细考虑了实验中其他各种因素的影响，认为这个观测结果站得住脚，于是决定将其公开。但是最新消息因为连接光纤的部件松动而存在着系统误差，已经被证明超光速是一个错误了！当然除了中微子，宇宙深层还有更小的微观粒子，在他们世界更有可能存在超光速现象。

但是现代科学研究发现，量子纠缠速度可以达到光速的万倍，那么宇宙深层中，是否存在超越光速万倍，几十万亿倍的粒子呢？

谜团之八：黑洞的本来面目是什么？

例如，在黑洞的中心附近，大量的物质都被挤压到量子空间之内，在极小的距离之中，引力变得非常强大。同样的情况，在宇宙大爆炸前后密集的原始宇宙中也必定会出现类似的情况。物理学家霍金发现了黑洞的一个特别问题，我们需要将量子力学和万有引力结合在一起，然后才能够就任何东西得到一个统一理论。霍金认为任何东西，即便是光也无法从黑洞中逃出的断言严格来讲并不正确，黑洞周边的确在辐射出微弱的热能。根据他的理论，这种能量是黑洞附近的真空中的粒子——反粒子配对实体化时所产生的。在粒子和反粒子这对冤家再度重新结合并互相毁灭之前，距离黑洞较近的粒子就被吸入了黑洞，而距离稍远的那个则以热量形式逃逸出来。这种热量的释放与先前被吸入黑洞的物质和能量状态没有任何明显的联系，这就违背了一条量子理论中“任何事件都必须能够追溯到先前的事件”的定律。要解释这个问题，就需要新的理论了。

谜团之九：中微子之谜？

中微子是构成物质世界的最基本的粒子，分别是三种中微子：电子中微子，μ中微子和τ中微子，而每一种中微子都有与其相对应的反物质。中微子只参与非常微弱的弱相互作用，具有最强的穿透力，可穿越地球。在一百亿个中微子中只有一个会与物质发生反应，因此中微子的检测非常困难，宇宙中充斥着大量的中微子，大部分为宇宙大爆炸的残留物，太阳体内有弱相互作用参与的核反应每秒会产生1038个中微子。每秒钟至少会有数十亿个来自太阳的中微子穿过每个人的身体。

中微子有大量谜团尚未解开。比如质量、大小、有没有磁矩，中微子还与微观世界最基本的规律有关，也与宇宙的起源与演化有关，例如宇宙中物质与反物质的不对称很有可能是由中微子造成的。不久以前，物理学家们还认为中微子是没有质量的，但是最近的研究进展却表明，这些粒子可能有着很小的质量。

谜团之十：希格斯粒子真的存在吗？

希格斯粒子是粒子物理学标准模型中最后一种未被发现的粒子。在粒子标准模型中，希格斯场引起自发对称性破缺，并将质量赋予规范传播子和费米子。希格斯粒子是希格斯场的场量子化激发，它通过自相互作用而获得质量。希格斯玻色子赋予了所有其他粒子质量，在宇宙大爆炸后对宇宙的形成起着决定性作用。然而长期以来，那些相信希格斯玻色子能够解释为什么物体有质量的物理学家们都无法找到希格斯玻色子。

美国著名的费米实验室在研究希格斯粒子方面没发现新的线索。在欧洲，全球最大的大型强子对撞机实验结果显示，已经发现了希格斯粒子能量范围，但是需要进行严格的确认，很多科学家对此也提出了质疑，其负责人说对撞机的粒子加速器所取得的阶段性成果目前还不适宜公布！

2012年7月4日，欧洲公布发现类似希格斯粒子，那么希格斯粒子果真存在吗？大型对撞机的发现，诞生的是否是真实粒子呢？

2013年诺贝尔物理学奖颁发给了希格斯等两人，这是一个几十年的漫长等待！虽然希格斯机制还存在很多的谜团，但无疑，希格斯机制已经把物理学推向更深的层次粒子作用机制。本质讲，粒子获得质量属于深层背景粒子作用，这符合物理学基于四种基本力的大统一方向。因为，只有明白四大作用力背后真正的原理与机制，才会更好的理解希格斯机制中的质量获得，同时深入的理解希格斯机制，也会推动四大基本作用力的深层理解。

在这里，本书用简洁的力弦粒子概念解释了：力的获得，四大基本作用力的深度原因，力与粒子的关系。除了四大基本作用力，本书还试图阐述希格斯机制在内的其他力的作用，万有引力作用局限等问题，暗物质，暗能量等本质的问题。

谜团之十一：生命起源之谜，生命是如何诞生的，地球生命是孤立的吗？生命与物质之间存在何种关系，生命是物质的还是意识的？