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未解決的物理學問題

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中文名: 未解決的物理學問題 所屬領域: 物理學

未解決的物理學問題，本條目列出一些重要但尚未解決的物理問題。其中包括理論性的，即現時理論未能夠給予觀測到的物理現象或實驗結果令人滿意的解釋；還有實驗性的，即能夠周密測試某先進理論或深入研究某物理現象的實驗，不過現時現地很難建造或完成。

個人看法

非費米液體的一般性理論。簡單來說就是需要人們建立一套處理強相互作用費米子體系的一般性理論，這個理論至少要類似於Landau費米液體理論，能夠用於理解銅氧化物超導體正常態的反常行為(奇異金屬)，重費米子系統中的非landau費米液體行為，mott金屬-絕緣體相變附近的量子臨界行為等。當然，在一維(空間維度)，luttinger液體理論是非費米液體理論的典型，也是人們理解最清楚的非費米液體理論。類似的還有某些量子雜質問題，例如多通道近藤雜質問題也提供了非費米液體的範例。目前來看人們主要採用的套路是如下幾個:1基於輔助粒子的平均場近似和微擾展開。這種方法最早用於單雜質近藤問題的研究，常見的是把電子用一些虛構的費米子和玻色子改寫，（如果是自旋則可以分別用波色子或費米子改寫，前者稱為slave femion（schwinger boson）方法，後者稱為slave boson方法或者波色子費米子都用上，那樣就得用超對稱的形式了）然後做平均場近似得到一個可處理的平均場模型。然後在此基礎上考慮微擾修正。當然，你也可以像哈佛的subir sachdev和senthil那樣用基於微擾展開的重整化來處理，本質上和直接微擾計算差別不大。2強耦合展開。也就是把電子動能當做微擾項，做微擾計算，這個最多的是處理一些晶格模型，比如hubbard模型。（俄國人，比如zubarev，整出來的green函數運動方程方法也屬於此類）3構造一些特殊的可解模型。最著名的就是以sachdev_ye_kitaev命名的syk模型。當然，這類模型對於凝聚態體系而言還是比較假的，畢竟隨機的相互作用還是比較難在實際凝聚態材料中實現。(冷原子，超導量子模擬器啥的目前也沒見可靠的實現)

純理論方面的問題

這裡列出的基礎理論問題或理論構想缺乏實驗證明。在這些問題之間，可能有強烈的相互關聯。例如，額外維度或超對稱可能有辦法解釋級列問題（hierarchy problem）。物理學者認為，完整無瑕的量子引力理論應該能夠解釋大多數列出的問題（除了穩定島問題以外）。

量子引力、物理宇宙學、廣義相對論

真空災變

從旅行者探測衛星測量到的數據所推斷出的真空能量密度上限為10^14GeV/m，而從量子場論估算出的零點能量密度卻為10^121GeV/m，兩個數值竟然相差了107個數量級。物理史上從未見到這麼大的差距，很多物理學者認為這是當今物理理論的重大瑕疵。

量子引力

如何整合量子力學和廣義相對論成為完整一致的理論（或許是一種嶄新的量子場論）？時空的基本本質是否是連續的，還是離散的？這完整一致的理論是否涉及由一種假定的引力子所傳遞的作用力，還是從時空離散結構衍生的產物（圈量子引力論的理論）？在超小尺度、超大尺度或其它極端案例，廣義相對論的預測與量子引力理論有什麼差異？

黑洞、黑洞信息、黑洞輻射

理論預期的黑洞熱輻射現象是否屬實？此種輻射是否帶有關於黑洞內部結構的信息，如同規範-引力二元性（gauge-gravity duality）所建議，還是不然，如同史蒂芬·霍金的原本計算？若為不然，則黑洞能夠蒸發乾淨，注意到量子力學並沒有給出摧毀信息的機制，那麼，儲存於黑洞的信息又會怎麼樣？是否黑洞蒸發到某一程度就會自動停止，只剩下殘餘黑洞？根據無毛定理，黑洞只有三種屬性：質量、電荷量、角動量；除此以外，沒有任何內部結構。這定理是否正確？為何尚未找出探勘黑洞內部的方法？

額外維度

大自然是否擁有多於四個時空維度。假若答案為「是」，則到底有多少時空維度？維度是不是宇宙的基本屬性，還是其它物理定律的合理結果？物理實驗能否觀測到更高維度的證據？

宇宙暴脹

宇宙暴脹理論是否正確？若為正確，這段時期所發生事件的細節為何？這造成暴脹的假定暴脹場（inflation field）到底為何？假若暴脹在過去某一時間曾經發生，有否有可能借着量子力學漲落的暴脹機制，繼續自我維持暴脹，因此在宇宙某超遠處，這暴脹仍舊正在進行中？

「泡沫宇宙」示意圖，宇宙1到宇宙6各自有自己的物理常數，人類的「宇宙」不過是其中的一個「泡沫」而已

多重宇宙

有否足夠的物理理論基礎來支持期待其它宇宙的存在，雖然這些宇宙從根本而言是無法觀測到的？例如，量子力學的多世界是否存在？在這些宇宙里，在高能量狀況，由於使用別種方式破壞物理力的明顯對稱，所造成的物理定律是否會迥然不同。使用人擇原理來消解全局宇宙困境是否正確？

宇宙審查假說

黑洞內部有一個奇點。通常在這奇點的外圍有一層事件視界，速度最快的光波也無法逃離到事件視界之外。裸奇點是缺乏事件視界的奇點。由於沒有事件視界隔離，物理學者可以觀測到裸奇點的物理行為。但是，至今為止，物理學者尚未觀測到裸奇點的蛛絲馬跡。物理學者懷疑，從實際物理的初始條件是否能形成裸奇點？羅傑·彭羅斯提出的宇宙審查假說表明，這是不可能的事。但是，物理學者還不能證明這假設的任何版本為正確無誤。

時序保護猜想

在廣義相對論的愛因斯坦場方程的某些解答中，會出現有封閉類時曲線，即粒子移動於時空的世界線為封閉迴路，從初始點移動經過一段路程後，又會返回初始點。封閉類時曲線意味着一種時間旅行，能夠返回過去的時間旅行。史蒂芬·霍金的時序保護猜想表明，強烈地不允許任何除了微觀尺度以外的時間旅行。結合廣義相對論與量子力學在一起的量子引力理論，能否排除封閉類時曲線的可能性？

時間箭頭

物理學在微觀的層次幾乎完全是時間對稱（time symmetry）的。這意味着，假設將時間流逝的方向倒轉，則原本物理定律仍然會保持為正確。但是在巨觀層次，時間存在着明顯的流逝方向。時間箭頭就是用於描述這種不對稱的現象。由於時間演進和時間反演而產生的不同物理現象，它們給出的關於時間屬性的資料為何？

根據CPT對稱理論，從CP破壞的證實可以立即斷言時間是無法反演的。因此，時間對稱性不成立，時間箭頭可以建立起來。但是，這方法並不是直接地，而是間接地證實時間對稱性不成立。測量基本粒子的內稟電偶極矩實驗可以更強烈、更直接地證實這性質。假設基本粒子擁有內稟電偶極矩，則宇稱對稱性和時間對稱性都會被破壞。更詳盡細節，請查閱基本粒子的電偶極矩。對於各種粒子的電偶極矩，最準確的實驗測值為中子、電子、水銀。

另外一個衍生的問題是，為什麼CP破壞只有在某些弱相互作用的衰變中才能觀測得到，例如K介子衰變（kaon decay），而在其它相互作用都觀測不到？

定域性原理（principle of locality）與非定域現象

定域性原理表明，物體只會被其緊鄰周遭環境事物影響。1935年，阿爾伯特·愛因斯坦等發表EPR弔詭，認為量子力學的基礎理論，因為違背了定域性原理，可能不完備。三十年之後，約翰·貝爾提出反駁，主張定域隱變數理論（local hidden variable theory）不能複製量子力學的所有預測。在量子力學裡，是否會出現非定域現象？假設非定域現象存在，這是否只局限于貝爾不等式被違背所顯露出的量子糾纏；信息、能量或物質能否能以非定域方式的傳播？在哪種狀況可以觀測到非定域現象？非定域現象的存在與否，對於時空的基本結構，有什麼含意？非定域現象與量子糾纏有什麼關聯？如何借着非定域現象來說明量子力學基礎性質的正確詮釋？

宇宙的終極命運

根據天文觀測和宇宙學理論，可以對可觀測宇宙未來的演化作出預言。宇宙最終是否走向熱寂、大崩墜、大撕裂、大反彈，還是按照多重宇宙論的論述，可能存在很多各種各樣的宇宙，新的宇宙可能正在誕生，同時老舊的宇宙可能正在湮滅，但整個平行宇宙永遠不會完全終結？

高能物理學/粒子物理學

希格斯機制

希格斯玻色子的分支比是否符合標準模型？是否只有一種希格斯玻色子？

級列問題（hierarchy problem）

為什麼引力是那麼的微弱？只有當質量在普朗克尺度時，大約為10GeV，超大於電弱尺度（electroweak scale，246GeV，電弱理論描述的物理行為所涉及的能量），引力才會顯得強勁。為什麼這尺度的相差會有如天壤之別？是什麼物理過程使得電弱尺度的物理量，例如希格斯粒子的質量，無法獲得普朗克尺度數量級的量子修正？請問這是因為超對稱、額外維度，還是人擇的精細調節（fine-tuning）？

絕對無法從磁棒製備出磁單極子。假設將磁棒一切為二，則不會發生一半是指北極，另一半是指南極的狀況，而會是切開的每一個部分都有其自己的指北極與指南極。

磁單極子

在最初宇宙、高能量的時期，粒子有否帶有磁荷？若有，則為何那麼難偵測到它們？有沒有任何磁單極子仍舊存在？（保羅·狄拉克指出，某種磁單極子的存在可以解釋電荷量子化）。

質子衰變與大統一理論

怎樣能夠將量子場論的三種不同的基本相互作用，即強相互作用、弱相互作用和電磁相互作用，統一成為單獨一種相互作用？至今為止，一些常見的主流大統一模型為SO(10)模型、喬吉-格拉肖模型（Georgi–Glashow model）等等。由於這些模型預測的新粒子的質量為大統一尺度（GUT scale）數量級，大大地超過碰撞實驗的可能範圍，所以，物理學者無法做實驗直接觀測到這些新粒子。因此，物理學者必需使用間接方法，例如，質子衰變實驗、基本粒子電偶極矩實驗、中微子屬性實驗、磁單極子偵測實驗等等。注意到質子為質量最輕的重子，質子是否為絕對的穩定？倘若不是，質子的半衰期為何？日本的超級神岡偵測器並沒有確切地偵測到任何質子衰變事件。從實驗得到的數據，質子的壽命被設定為超過10年。

超對稱

時空超對稱是否實現於大自然？假若是，超對稱破壞（supersymmetry breaking）的機制為何？超對稱是否能夠穩定電弱尺度，避免大幅度量子修正？最輕的超對稱粒子是否為暗物質的組成成分之一？

第四代夸克與輕子

由於共同提出卡比博-小林-益川矩陣來解釋CP破壞的現象，並且給出了標準模型會允許多達三代夸克與輕子存在的原因，小林誠與益川敏英因此榮獲2008年諾貝爾物理學獎。這理論並沒有限制最多只能有三代。那麼，有否可能找到第四代夸克或輕子？是否能夠構想出解釋不同代粒子之間質量差異的理論，一種關於湯川耦合的理論？

反物質

在宇宙中，為什麼偵測實驗結果顯示，物質比反物質多很多？大爆炸應該製造出同樣數量的粒子與反粒子，而粒子會和反粒子湮滅產生光子。因此宇宙應該充滿了光子，而不會有很多物質存在。但是，宇宙的狀況並不是這樣。在大爆炸發生之後，一定有某些物理定律不平等地作用於物質與反物質。請問這些物理定律為何？在最初宇宙是否有某些作用力存在，但是後來隨着宇宙演化，這些作用力已消失無蹤？

核子物理學

理論穩定島的三維描繪圖。

量子色動力學

強相互作用物質有哪些相態？在宇宙中，這些相態的角色為何？核子的內部結構為何？量子色動力學對於強相互作用物質的屬性方面的預測為何？哪種機制主掌了夸克和膠子的變遷為π介子與核子？是什麼機製造成了量子色動力學的重要特色：夸克禁閉與漸近自由（asymptotic freedom）？怎樣將量子色動力學與廣義相對論合併為一個完整理論？

核子天文物理學（nuclear astrophysics）

中子星和稠密核物質（nuclear matter）的物理性質為何？描述宇宙中各種元素的核合成過程？驅動恆星與星際爆炸的核子反應為何？

原子核

核力如何將質子與中子結合為穩定原子核（stable nucleus）？

穩定島

有些化學元素的原子核，其質子和中子的數目恰巧為魔數數目，核物理學家推測這些化學元素特別穩定。這理論稱為穩定島理論。鑑於這理論，最沉重的穩定或介穩定原子核為何？

其它

量子混沌（quantum chaos）

對應原理表明，經典力學是量子力學的經典極限。量子混沌理論試圖在量子力學與經典力學之間建立一座橋樑。怎樣以量子力學來表述經典的混沌動力系統？量子力學與經典混沌之間的關係為何？

量子力學的對應極限

量子理論的描述怎樣成為做實驗所觀查到的大自然實在，這包括量子態疊加、波函數坍縮、量子退相干等等？換句話說，這是一種測量問題，造成波函數坍縮為確定態的量子測量所倚賴的機制為何？

物理信息（physical information）

除了黑洞或波函數坍縮以外，還有哪些物理現象，不可挽回地湮滅了關於其先前所處狀態的信息？

萬有理論

又稱為「終極理論」，萬有理論試圖解釋與聯結所有已知的物理現象，並且預測在原則上可行的任何實驗的結果。但是，構築這理論所遇到最困難的問題是，怎樣將廣義相對論與量子力學統一為單一理論？

基礎物理常數（fundamental physical constant）

能夠解釋所有基礎物理常數的理論為何？基礎物理常數是否會隨着時間的演進而改變？

規範場論

於2000年，克雷數學研究所發表七大千禧年大獎難題，其中一道題目為楊-米爾斯存在性與質量間隙。這是理論物理中規範場論的一道基礎問題。楊-米爾斯理論是一種規範場論。獲勝者必須嚴格證明楊－米爾斯場論存在（即需符合構造性量子場論（constructive quantum field theory）的標準），亦要證明質量間隙（mass gap），即此理論所預測質量最輕的粒子，其質量為正值。

宇宙的存在

形成宇宙或多重宇宙的物質、能量、時空、基本作用力，它們的源頭為何？能否設計出可行的實驗來證實多重宇宙存在。

重子不對稱性

為什麼在可觀測宇宙中，重子的數量比反重子多很多？

宇宙學常數問題

根據廣義相對論，宇宙真空里蘊藏的能量會產生引力場，真空能量密度與宇宙學常數之間的關係為。怎樣計算真空能量密度是物理學尚未解決的一個大問題。最簡單算法總和所有已知量子場貢獻出的零點能，但這理論結果超過天文觀測值120個數量級，被驚嘆為「物理史上最差勁的理論預測」！為什麼從真空能量密度計算出的宇宙學常數，會與天文觀測值相差這麼大？這問題稱為宇宙學常數問題。到底是什麼物理機制抵銷這超大數值？解決這問題可能要用到量子引力理論。

今期與早期的宇宙質能分布餅圖

暗物質

無法用電磁輻射偵測，而是從作用於可見物質與背景輻射 的引力效應連帶推斷出來的物質，稱為暗物質。物理學者尚不清楚什麼是暗物質的基本成分？是否與超對稱有關？歸因於暗物質的天文現象，實際上是否是引力的延伸？

暗能量

暗能量是一種充溢於整個空間的能量的假定形式。暗能量傾向於增加宇宙膨脹速度。最近完成的關於超過20萬座星系的調查，似乎確定了暗能量的存在。但是，物理學者仍舊無法精確地描述與解釋暗能量的物理性質。暗能量主要有兩種模型：宇宙學常數模型與第五元素模型。每一種模型都有其強點與弱點，尚未有任何實驗結果令人信服地顯示哪一種模型為正確模型，也可能都不夠正確。

暗能量密度、物質密度與宇宙標度因子的對數-對數關係線圖，兩條關係線恰好相交。

宇宙巧合問題（cosmic coincidence problem）

為什麼恰巧就在這時候，宇宙的暗能量密度與物質密度幾乎等值？這問題稱為「宇宙巧合問題」。

如右圖所示，物質密度與宇宙標度因子的三次方成反比：而暗能量密度與宇宙標度因子的關係式為;其中，是依暗能量的本質而定的常數，必需小於3。假設暗能量是宇宙學常數或真空零點能，則，暗能量密度為常數，那麼，這種萬年不遇的巧合實在令人費解。難道暗能量密度是某種標量場，或許暗能量與物質會發生某種耦合，從而造成暗能量密度與物質密度幾乎等值？

熵 (時間箭頭)

宇宙最初是處於一個高度有序的狀態，一個低熵狀態。為什麼會出現這麼高度有序的狀態，從而造成過去與未來的區別，以及熱力學第二定律？

宇宙視界問題（universe horizon problem）

為什麼大爆炸理論對於夜晚天空的各向異性的預測值似乎大於觀測數據，而遙遠的宇宙卻顯得那麼均勻？宇宙暴脹理論已廣泛地被天文學者接受為解答，但仍舊可能有其它解答，例如，光速可變理論。

宇宙微波背景輻射的各向異性的黃道定向

微波天空在距離一百三十億光年以外的某些大型特徵，似乎跟太陽系的運動與定向有所關聯。這是否為系統誤差、觀測結果被定域效應污染，還是哥白尼原則未經解釋的破壞？

宇宙的形狀

宇宙共動空間（comoving space）的3-流形，又稱為「宇宙的形狀」，是什麼樣子？現時，天文學者仍舊不清楚宇宙的曲率與拓撲，天文學者只知道，以可觀測尺度衡量，曲率接近於零。宇宙暴脹假設建議，宇宙的形狀可能無法測量，但是，於2003年，尚皮耶·盧敏內（Jean-Pierre Luminet）等與其他研究團隊建議，宇宙的形狀可能為龐加萊同調球面（homology sphere）。經過威爾金森微波各向異性探測器三年觀測得到的數據確認了這模型的一些預測，但是，這模型的正確性尚未得到廣泛支持。

高能物理學/粒子物理學

在希格斯機制里，希格斯場的猜想形狀好似一頂墨西哥帽。

電弱對稱破缺（electroweak symmetry breaking）

到底是什麼機制打破了電弱規範對稱，從而賦予W及Z玻色子質量？是標準模型的簡單希格斯機制嗎，還是根據藝彩理論（technicolor theory）的點子，是大自然用一種類似強作用力的新規範作用力來破壞了電弱規範對稱？物理學者希望能夠用大型強子對撞機做實驗核對藝彩理論。

中微子質量

究竟是什麼機制賦予中微子質量？任何粒子，假若其反粒子就是自己，則稱此粒子為馬約拉那粒子。中微子是否為馬約拉那粒子？如果中微子滿足馬約拉納方程，我們便有機會觀察到不放出中微子的雙重β衰變（double beta decay）。有沒有可能會是因為中微子的特殊屬性，從而使得中微子無法與一個正常粒子發生碰撞而互相湮滅？有許多實驗試圖去驗證中微子是否為馬約拉納粒子。

中微子超光速異常（OPERA neutrino anomaly）

乳膠追蹤中微子震盪計劃（the Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus，OPERA）是一個檢驗中微子振盪現象的實驗。於2011年9月，歐洲核子研究組織（CERN）與OPERA共同宣布，從它們合作測量到的中微子飛行時間數據，它們發現μ中微子以超光速運動。請問這是做錯實驗獲得的結果，還是狹義相對論的確切瑕疵？2012年2月22日，科學新聞網頁雜誌Science Insider報告，從全球定位系統接收器到電腦之間的光纖纜線，由於與電腦的集成電路卡連接不良，造成了60納秒延遲。將連接維修後，這問題不再發生。這實驗失誤似乎可以解釋中微子的超光速異常。但是，仍舊必需做實驗拿到更多數據來檢驗這假說。

基本粒子的慣性質量與引力質量比率

根據廣義相對論的等效原理，對於所有基本粒子，慣性質量與引力質量比率為1。但是，對於很多粒子，並沒有任何實驗確認這論點。特別而言，物理學者很想知道，具有某巨觀質量的反物質，其重量為何？

質子自旋危機（proton spin crisis）

質子是自旋為1/2的費米子，但是，於1988年，歐洲μ子共同研究（European Muon Collaboration）團隊發現，質子的三個主要價夸克只貢獻出總自旋的20-30%。自旋的其它部分是什麼機制貢獻出的，是由膠子，還是由持續不斷地生成與湮滅中的海夸克對偶所貢獻出的？

質子尺寸之謎（proton size puzzle）

質子真實的電荷半徑為何？

量子色動力學的非攝動方法

在涉及到描述原子核的能量尺度範圍，量子色動力學的方程無法解析，雖然格點量子色動力學（lattice QCD）貌似可以給出在這極限的解答。那麼， 量子色動力學怎樣描述核子與核子內部組構的物理現象呢？

夸克禁閉

為什麼所有實驗，都只能觀測到從夸克或膠子建成的粒子，像介子或重子，而無法觀測到自由存在的夸克或膠子？這現象是怎樣從量子色動力學裡面出現？

強CP問題與軸子

為什麼強相互作用對於宇稱與電荷共軛（charge conjugation）運算具有不變性？1977年提出的皮塞-奎恩理論（Peccei–Quinn theory）是否為這問題的正確解答？

假想的粒子

超對稱理論與其它廣為人知的理論預測了很多假想粒子，其中，哪些假想粒子真正存在於大自然？

天文學、天文物理學

相對論性噴流：活躍星系核周圍的相對論性等離子體束與中心的超大質量黑洞自轉軸方向一致，從而沿噴流方向射出

吸積盤噴流（accretion disc jet）

為什麼環繞着某些像活躍星系核一類的星體的吸積盤，會沿着其旋轉軸噴出相對論性噴流？天文學者認為這些噴流有很多用途，從除去正在形成的恆星的角動量，到將活躍星系核內部重新離子化。但是，天文學者仍舊不清楚吸積盤噴流的初始由來。

准周期性震盪（quasi-periodic oscillation）

有些像白矮星、中子星、黑洞一類的緻密星，其吸積盤的內部邊緣在某頻率附近會忽隱忽現地發射出X射線，這現象稱為「准周期性震盪」。可以從星體的功率譜的峰點找到震盪痕跡。物理學者不知道為什麼會出現准周期性震盪？為什麼這些震盪的頻率與中心物體的質量成正比？有時候，在功率譜會出現多個峰點。為什麼對於不同的星體，這些峰點的頻率比率會不一樣。

日冕加熱問題（coronal heating problem）

為什麼太陽的日冕（大氣層）溫度（1至3百萬K）超高於表面溫度（6000K）？對於這問題，過去幾十年，物理學者提出了很多理論，但只有兩個理論可能最為正確：波動加熱理論（wave heating theory）與磁重聯理論（magnetic reconnection theory）。磁重聯理論的缺陷是，為什麼觀測到的磁重聯效應比較理論預測快過很多數量級？美國宇航局的太陽偵測加級器任務（solar probe plus mission）預定於2015年啟航，準備勘測太陽的日冕加熱狀況。

天文觀測到的瀰漫星際帶線譜的相對強度。

瀰漫星際帶（Diffuse interstellar band）

是什麼物質造成了在天文線譜里觀測到的多條星際吸收線？請問這些物質是否為分子物質？假若是分子物質，到底是哪些分子物質，它們是怎樣形成的？

伽馬射線爆發

從遙遠的星系突然發生的超大能量爆炸，其所伴隨的快閃伽馬射線，稱為「伽馬射線爆發」，是宇宙最明亮的電磁事件，通常持續時間在0.01-1000秒。物理學者不清楚為什麼會發生這種短時段、高強度的猝爆？於2008年，美國宇航局發射了費米伽馬射線空間望遠鏡，該衛星搭載的伽馬射線爆發監視系統（Gamma-ray Burst Monitor, GBM）可用來研究伽馬射線爆發。

質量-速度色散關係（M-σ relation）

星系核球內的恆星的速度色散（velocity dispersion）與位於星系中心的超重黑洞的質量之間的經驗關係，稱為「質量-速度色散關係」：

其中，是常數，大約為。

質量-速度色散關係可以用來精確地計算超重黑洞的質量。但是，物理學者不清楚促成這關係的物理原因為何？

觀測異常：

飛掠異常（flyby anomaly）:為什麼衛星飛掠過地球後的能量會與理論預測不同？這異常最先發現於1990年伽利略號探測器的飛掠過地球。通過仔細檢查深空網絡紀錄的多普勒數據，天文學者意外地發現66mHz頻移，對應於速度在近地點增加了3.92mm/s。天文學者尚未能夠給出滿意答案。

典型的螺旋星系自轉曲線：預測的（A）和觀測的（B）。

星系自轉問題

觀測到的星球繞着星系中心轉動的速度與應用牛頓力學預測的理論速度，兩者為何不一致？暗物質和暗物質暈是否是造成這問題的主要因素？

超高能量宇宙射線（ultra-high-energy cosmic ray）

地球附近根本沒有超高能量宇宙射線源，為何有一些宇宙射線會擁有不可能般高的能量？GZK極限是源自遠處的宇宙射線所擁有能量的理論上限。超過GZK極限的宇宙射線會與宇宙微波背景輻射耦合，製造π介子。這程序會重複發生，直到宇宙射線的能量低於GZK極限為止。所以，應該不可能觀測到任何源自遠處的超高能量宇宙射線。但是，這些似從遠處發射出的超高能量宇宙射線，並沒有遵守GZK極限的規則，與宇宙微波背景輻射發生反應，而奇蹟般地存活移動到地表附近，才被觀測到，請問原因為何？

土星自轉周期

旅行者1號與旅行者2號分別於1981年及1982年飛越土星時測量得到無線電訊號周期為10 h 39 min。卡西尼航天器在2004年接近土星時，發現無線電的周期增加至10 h 45 m。造成變化的原因仍不清楚，但這種變化被認為是由於無線電的來源可能移動到土星內部不同的緯度位置，從而改變了自轉周期，而不是出自於土星本身自轉周期上的變化。還沒有方法可以直接測量土星核心的自轉速率。

磁星

到底是什麼機制形成磁星的磁場？

凝聚態物理學

非晶質物質

液態或固態物質是怎樣玻璃化轉變至玻璃態物質？是什麼物理過程給出了玻璃的一般物理性質？

低溫電子發射（cryogenic electron emission）

在非常低溫、無光狀況，為什麼光電倍增管會自發性地發射電子，而且，隨着溫度降低，發射率會增加？

高溫超導

某些物質能夠在高於50K以上的溫度仍舊具有超導電性。但是，物理學者不清楚促成這現象的機制為何。

湍流

能否設計出一個理論模型來解釋紊流的物理行為和內部結構？在什麼條件下，納維-斯托克斯方程有平滑解？這是克雷數學研究所於2000年設立的千禧年大獎難題中的一大難題。

近期已找到解答的問題

基本粒子間相互作用關係

希格斯玻色子（2013）

希格斯玻色子是標準模型預言的一種自旋為零的玻色子，可以解釋宇宙萬物的質量。歐洲核子研究組織於2013年3月14日正式宣布發現此粒子。它是標準模型中最後一種被發現的粒子。

先驅者號異常（2012）

先驅者10號與先驅者11號是美國宇航局分別於1972年與1973年發射的兩艘航天器，現在已逃離太陽系。在距離太陽大約20天文單位之後，觀測到的兩艘航天器的加速度與預測發生差異，大約為(8.74 ± 1.33)× 10m/s。物理學者現在認為這是因為先前未將熱反衝力（thermal recoil force）的效應納入計算

長時間伽馬射線爆發（2003）

長時間伽馬射線爆發分類為時間久過於2秒鐘的伽馬射線爆發，這種爆發與大質量星體的死亡有關，此種星體的死亡過程類似於超新星事件，常稱為極超新星。

太陽中微子問題（2002）

這問題指的是測量到的太陽中微子通過地球的數量與理論計算有所差異。從對於中微子物理的研究結果，物理學者修改了粒子物理學的標準模型，提出中微子振盪的概念，要求中微子具有質量，可以在電中微子、μ中微子和τ中微子，這三種中微子之間相互變換。由於這些嶄新理論的提出，這問題已得解答。

年齡危機（age crisis，1990s）

大約在1990年代中期，物理學者估計宇宙的年齡比銀河系最早的恆星還要年輕30至80億年。這意味着哈勃常數的估計不正確，或大爆炸理論不正確，或是需要宇宙學常數一類的暗能量。後來，對於恆星距離更精準的估計，將恆星年齡減少了好幾十億年，對於宇宙正在加速度擴張這論據也終於獲得天文實驗證實。由於這些進展，年齡危機不再成立。

類星體（1980s）

這是一種亮度特高、非常遙遠、紅移值特大的星體。最先發現於1950年代後期，多年以來，物理學者不清楚類星體的物理模型。後來，越來越多的證據顯示，類星體實際是一種活動星系核，其核心位置有一個超大質量黑洞，附近的物質不停地掉入黑洞裡，形成巨大的能量輻射與物質噴流向外噴出。這理論已被學術界接受。

參考來源

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