本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點
物理學的全部意義在於探索自然界最基本的奧秘，因此物理學家們對宇宙有一些非常基本的問題縈繞於心，這並不令人驚訝。最近，對稱雜誌（由兩個美國政府資助的物理實驗室出版）邀請了一組粒子物理學家列出他們最想得到答案的物理學未解之謎。以下是他們分享的一些難題示例：
“我們的宇宙將會走向何方？”
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詩人羅伯特·弗羅斯特曾以一句名言問道，世界將會在烈火中終結還是在寒冰中終結，而物理學家仍然無法回答這個問題。加州大學河濱分校的史蒂夫·溫彭尼提出的問題——宇宙的未來——很大程度上取決於暗能量，而暗能量在目前看來仍然是一個未知的實體。暗能量是宇宙加速膨脹的原因，但其起源完全是神秘的。如果暗能量隨時間推移保持不變，我們很可能面臨未來“大凍結”的局面，屆時宇宙將繼續加速膨脹，最終星系之間的距離會如此遙遠，以至於太空看起來像一片廣闊的荒地。如果暗能量增加，這種膨脹可能會更加劇烈，以至於不僅星系之間的空間會膨脹，星系內部的空間也會膨脹，星系本身也會被撕裂——這種命運被稱為“大撕裂”。另一種可能是暗能量減少，以至於它無法抵消引力的向內拉力，導致宇宙在“大坍縮”中向內坍塌。所以基本上，無論最終走向哪種結局，我們都註定要滅亡。從好的方面來看，所有這些結局都不會在數十億或數萬億年內發生——我們有足夠的時間來決定我們是希望烈火還是寒冰。
“希格斯玻色子完全沒有道理。它為什麼會存在？”
匹茲堡大學的理查德·魯伊斯說，提出這個問題時他的語氣帶著一絲玩笑，但它指出了對去年在歐洲大型強子對撞機（LHC）上著名的發現的粒子本質的真正缺乏理解。希格斯玻色子有助於解釋所有其他粒子是如何獲得質量的，但它也引發了許多其他問題。例如，為什麼希格斯玻色子與每個粒子的相互作用都不同——頂夸克與希格斯的相互作用比電子強得多，這使得頂夸克的質量比電子大得多。“這是標準模型中唯一的‘非普適’力示例，”魯伊斯說。此外，希格斯玻色子是自然界中發現的第一個自旋為零的基本粒子。“這是標準模型粒子物理學中一個全新的領域，”魯伊斯說。“它是如何產生的，我們完全不知道。”
“為什麼宇宙如此精妙地平衡，以至於生命能夠存在？”
根據機率，我們真的不應該在這裡。星系、恆星、行星和人類只有在宇宙早期以恰到好處的速度膨脹的情況下才有可能存在。這種膨脹受暗能量向外的推力和宇宙質量（主要由看不見的暗物質組成）向內的引力之間的對抗所支配。如果這些量不同——例如，如果在宇宙誕生後暗能量稍微強一點，空間就會膨脹得太快，以至於星系和恆星無法形成。但如果暗能量稍微少一點，就會導致宇宙向內坍塌。那麼，為什麼，伊利諾伊州巴達維亞費米實驗室的埃裡克·拉姆伯格問道，它們如此完美地平衡，以至於能夠產生我們居住的宇宙？“我們不知道為什麼這種平衡應該存在的根本原因，”拉姆伯格說。“毫無疑問，宇宙中暗能量的數量是物理學史上最精妙微調的數字。”
“天體物理中微子來自哪裡？”
極端高能中微子被預測是由於被稱為宇宙射線的快速帶電粒子與宇宙微波背景輻射中的光粒子（光子）碰撞而產生的，宇宙微波背景輻射瀰漫著整個宇宙。但是，是什麼啟動了這個過程，以及宇宙射線是如何加速的，這些都是未解之謎。一個主要的觀點是，落入星系中心飢餓的超大質量黑洞的物質會產生宇宙射線——但目前還沒有證據證明這一假設。人們認為，由此產生的中微子以如此快的速度傳播，以至於每個微小的粒子內部都蘊含著與快速投出的棒球（包含數十億億個原子）一樣多的能量。“我們甚至無法想象這些東西來自哪裡，”芝加哥大學卡弗裡宇宙物理研究所的阿比蓋爾·維雷格說，她提出了這個問題。“如果我們找到答案，我們就可以瞭解加速這些粒子達到極高能量的源頭。”
“為什麼宇宙是由物質而不是反物質構成的？”
反物質就像物質在相反的一天：它具有與構成行星、恆星和星系的物質相同的屬性，但有一個關鍵部分不同——它的電荷。宇宙據推測開始時物質和反物質各佔一半，但不知何故，物質勝出，兩種物質的大部分在宇宙大爆炸後不久相互湮滅，留下少量剩餘物質。為什麼反物質輸掉了這場拉鋸戰，沒有人能猜到。科學家們正忙於尋找稱為電荷宇稱破壞的過程，在這種過程中，粒子更傾向於衰變為物質而不是反物質，以解釋這種不平衡。“我們特別感興趣的是嘗試看看中微子振盪在 neutrinos 和 antineutrinos 之間是否有所不同，”科羅拉多大學的阿莉西亞·馬裡諾說，她與對稱雜誌分享了這個問題。“這是迄今為止尚未見到的現象，但我們希望下一代實驗能夠更詳細地研究它。”