1900年，據(jù)說英國物理學家凱爾文勛爵（Lord Kelvin）曾宣稱：“現(xiàn)在物理學中沒有什么新發(fā)現(xiàn)。剩下的就是越來越精確的測量?！比陙?，量子力學和愛因斯坦的相對論徹底改變了這個領域。今天，沒有物理學家敢斷言我們對宇宙的物理知識即將完成。相反，每一個新的發(fā)現(xiàn)似乎都打開了潘多拉的盒子，里面裝著更大、更深入的物理問題。這些是我們挑選的最深刻的開放性問題。
在里面你會學到平行宇宙，為什么時間似乎只朝一個方向移動，為什么我們不理解混沌。
為何時間在不停流逝？
時間之所以向前移動，是因為宇宙中一種叫做“熵”的性質(zhì)，大體上被定義為無序的程度，只會增加，所以在它發(fā)生之后，沒有辦法逆轉(zhuǎn)熵的增加。熵增加的事實是一個邏輯問題：粒子的無序排列比有序排列多，因此隨著事物的變化，它們往往會陷入混亂。但最根本的問題是，為什么過去熵這么低？換言之，為什么宇宙一開始就如此有序，是誰把大量的能量排列在在一個很小的空間里？
是否存在平行宇宙？
天體物理數(shù)據(jù)表明，時空可能是“平坦”的，而不是彎曲的，因此它會一直持續(xù)下去。如果是這樣，那么我們可以看到的區(qū)域（我們認為是“宇宙”）只是無限大的“多元宇宙”中的一個補丁。同時，量子力學定律規(guī)定，每個宇宙補丁中只有有限數(shù)量的可能粒子配置（10^10^122個不同的可能性）。因此，有了無限多個宇宙斑塊，它們內(nèi)部的粒子排列被迫重復——無限多次。這意味著有無限多的平行宇宙：與我們完全相同的宇宙斑塊（包含與你完全相同的人），以及僅因一個粒子位置不同的斑塊，因兩個粒子位置不同的斑塊，等等，直至完全不同于我們的斑塊。雖然現(xiàn)在仍然無法證實這是真實存在的。
宇宙的命運是什么？
宇宙的命運在很大程度上取決于一個未知的因素：Ω，一個測量整個宇宙物質(zhì)和能量密度的指標。如果Ω大于1，時空就會像一個巨大球體的表面一樣“閉合”。如果沒有暗能量，這樣的宇宙將最終停止膨脹，而開始收縮，最終在一個被稱為“大危機”的事件中自我坍塌。如果宇宙是封閉的，但有暗能量，球形宇宙將永遠膨脹。
或者，如果Ω小于1，那么空間的幾何結(jié)構將像鞍的表面一樣“開放”。在這種情況下，它的最終命運是“大冰塊”，接著是“大裂谷”：首先，宇宙的向外加速會撕裂星系和恒星，留下所有物質(zhì)的寒冷和孤獨。下一步，加速度將變得如此強大，以至于它將壓倒把原子綁在一起的力的影響，所有的東西都將被扭開。
如果Ω=1，宇宙將是平的，像一個無限大的平面向四面八方延伸。如果沒有暗能量，這樣的平面宇宙將永遠膨脹，但速度會不斷減速，接近停滯。如果有暗能量，平坦的宇宙最終會經(jīng)歷失控的膨脹導致大撕裂。不管結(jié)果如何，宇宙正在消亡，天體物理學家保羅·薩特在2015年12月的文章中詳細討論了這一事實。
觀察是如何使量子波函數(shù)崩潰的？
在電子、光子和其他基本粒子的奇異領域，量子力學就是定律。粒子的行為不像小球，而是像散布在大面積上的波。每個粒子都由一個“波函數(shù)”或概率分布來描述，它告訴我們它的位置、速度和其他屬性更可能是什么，而不是那些屬性是什么。粒子實際上具有所有屬性的一系列值，直到您通過實驗測量其中一個屬性（例如，它的位置）時，粒子的波函數(shù)在該點“塌陷”，并且它僅采用一個位置。（著名的雙縫干涉實驗）
但是，如何測量粒子的波函數(shù)如何以及為什么使其坍塌，產(chǎn)生了我們認為存在的具體現(xiàn)實呢？這個問題，被稱為測量問題，似乎是深奧的，但是我們對現(xiàn)實的理解，或者它是否存在，取決于答案。
弦論究竟正確嗎？
當物理學家假設所有的基本粒子實際上都是一維環(huán)或“弦”，每一個都以不同的頻率振動時，物理學就容易多了。弦論使物理學家能夠調(diào)和控制粒子的定律，稱為量子力學，與控制時空的定律，稱為廣義相對論，并將自然界的四種基本力量統(tǒng)一為一個框架。但問題是，弦論只能在10或11維的宇宙中工作：3個大的空間維度，6或7個壓縮的空間維度，和一個時間維度。壓縮的空間維度，以及振動弦本身，大約是原子核萬億分之一大小的十億分之一。沒有任何可以想象的方法來檢測這么小的東西，所以也沒有已知的方法來實驗驗證或使弦論失效。
混亂中有秩序嗎？
物理學家不能精確地解出描述流體行為的方程組，從水到空氣到所有其他液體和氣體。事實上，還不知道所謂的Navier-Valman方程的一般解是否存在，或者，如果存在一個解決方案，它是否到處描述流體，或者包含固有的不可知點，稱為奇點。因此，人們對混亂的本質(zhì)并沒有很好的理解。物理學家和數(shù)學家想知道，天氣是僅僅難以預測，還是天生不可預測？湍流是否超越了數(shù)學描述，或者當你用正確的數(shù)學來處理它時，一切都有意義？
黑洞內(nèi)部究竟會發(fā)生什么？
如果一個物體被吸進黑洞，它的信息會發(fā)生什么變化？根據(jù)目前的理論，如果你把一個立方體的鐵扔進黑洞，就沒有辦法獲取任何信息。這是因為黑洞的引力很強，它的逃逸速度比光速還快，而光是其中最快的東西。然而，一個叫做量子力學的科學分支說，量子信息是不會被破壞的。”芝加哥洛約拉大學物理學副教授羅伯特·麥克尼斯說：“如果你以某種方式抹殺了這些信息，就會出問題?！?/p>
量子信息有點不同于我們在計算機上存儲為1和0的信息，或者我們大腦中的東西。這是因為量子理論并沒有提供精確的信息，例如，一個物體將在哪里，比如在力學中計算棒球的軌跡。相反，這樣的理論揭示了最有可能發(fā)生的地點或某個行動最有可能的結(jié)果。因此，各種事件的所有概率加起來應該是1，或100%。（例如，當你卷起一個六面骰子時，一個給定面的出現(xiàn)幾率是六分之一，所以所有面的概率加起來是1，你不能超過100%確定會發(fā)生什么事情。）因此，如果你知道一個系統(tǒng)是如何結(jié)束的，你可以計算它是如何開始的。
要描述黑洞，你只需要質(zhì)量，角動量（如果它在旋轉(zhuǎn)）和電荷。黑洞里除了一種叫做霍金輻射的緩慢的熱輻射流外，什么都沒有出來。據(jù)任何人所知，沒有辦法做反向計算來找出黑洞到底吞噬了什么。信息被銷毀了。然而，量子理論認為信息不可能完全不可及。這就是“信息悖論”
麥克尼斯說，在這個問題上已經(jīng)有很多工作，特別是斯蒂芬·霍金和斯蒂芬·佩里在2015年提出，這些信息并沒有被儲存在黑洞的深淵中，而是保留在它的邊界上，稱為事件視界。還有許多人試圖解決這個矛盾。到目前為止，物理學家們還不能就這個解釋達成一致，而且他們可能會在一段時間內(nèi)持不同意見。
裸奇點是否存在？
當一個“事物”的某些性質(zhì)是無限的時，就會出現(xiàn)奇點，因此我們所知道的物理定律就會崩潰。在黑洞的中心有一個無限多密度的點（充滿了有限數(shù)量的物質(zhì)）一個稱為奇點的點。在數(shù)學中，奇點總是會出現(xiàn)——除以零是一個例子，坐標平面上的垂直線有一個“無限”的斜率。實際上，垂直線的斜率是未定義的。但是奇點是什么樣子的呢？它將如何與宇宙其他部分相互作用？什么意思說某物沒有真實的表面并且是無限小的？
“裸”奇點是一個可以與宇宙其他部分相互作用的奇點。黑洞有事件視界——球形區(qū)域，任何東西，甚至光，都無法從中逃逸。乍一看，你可能認為裸奇點的問題至少在一定程度上解決了黑洞的問題，因為沒有任何東西可以脫離事件視界，奇點也不會影響宇宙的其他部分。（可以說，它是“穿上衣服的”，而裸奇點是一個沒有視界的黑洞。）
但奇點是否能在沒有視界的情況下形成仍是一個懸而未決的問題。如果它們能夠存在，那么阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論需要修正，因為當系統(tǒng)過于接近奇點時，它就會崩潰。赤裸裸的奇點也可能起到蟲洞的作用，這也可能是時間機器——盡管自然界沒有證據(jù)證明這一點。
會發(fā)光的聲波?
雖然粒子物理問題是許多尚未解決的問題的原因，但一些謎團可以在實驗室的實驗臺上觀察到。聲致發(fā)光就是其中之一。如果你拿些水，用聲波打擊它，就會形成氣泡。這些氣泡是被高壓包圍的低壓區(qū)；外部壓力推動低壓空氣，氣泡迅速崩塌。當這些氣泡崩潰時，它們會發(fā)出光，以最后萬億分之一秒的速度閃爍。
問題是，還遠不清楚光源是什么。理論的范圍從微小的核聚變反應到某種放電，甚至是氣泡內(nèi)氣體的壓縮加熱。物理學家們測量了這些氣泡內(nèi)部的高溫，溫度約為幾萬華氏度，并拍攝了大量它們產(chǎn)生的光的照片。但對于聲波如何在氣泡中產(chǎn)生這些光，還沒有很好的解釋。
萬有引力到底是什么？
重力到底是什么？其他的力是由粒子介導的。例如，電磁就是光子的交換。弱核力由W玻色子和Z玻色子攜帶，膠子攜帶將原子核結(jié)合在一起的強大核力。麥克尼斯說，所有其他的力都可以量化，這意味著它們可以表示為單個粒子，并且具有不連續(xù)的值。
地心引力看起來不像那樣。大多數(shù)物理理論認為它應該由一個假設的稱為引力子的無質(zhì)量粒子攜帶。問題是，目前還沒有人發(fā)現(xiàn)引力子，也不清楚任何可以建造的粒子探測器是否能看到它們，因為如果引力子與物質(zhì)相互作用，它們會非常、非常罕見地做到這一點，以至于它們在背景噪聲下是看不見的?，F(xiàn)在還不清楚引力子是無質(zhì)量的，盡管如果它們有質(zhì)量的話，它是非常非常小的，比中微子要小，中微子是已知最輕的粒子之一。弦理論認為，引力子（和其他粒子）是能量的閉合環(huán)，但迄今為止，數(shù)學工作還沒有產(chǎn)生太多的見解。
因為引力子還沒有被觀測到，引力已經(jīng)抵制了試圖用我們理解其他力的方式來理解它的嘗試——作為粒子的交換。一些物理學家，特別是特奧多爾·卡魯扎和奧斯卡·克萊因，認為重力可能是作為一個超空間（長度、寬度和高度）和我們熟悉的時間（持續(xù)時間）中的一個（長度、寬度和高度）的粒子而運行的，但這是否是真的還不得而知。
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