宇宙是一個非常奇怪的地方。雖然相對論、量子理論等開創(chuàng)性思想現(xiàn)在可能被普遍接受，但大量的科學(xué)計算、觀測和實驗仍然表明，宇宙中有些東西是科學(xué)家難以理解的。

一、負(fù)能量

從理論上講，可以達(dá)到的最低溫度是絕對零度，大約是零下 273.15 °C，在這個溫度下所有分子的運動完全停止。然而，你永遠(yuǎn)不能真正冷卻到這個溫度，因為在量子力學(xué)中，每個粒子都有一個最小的能量，稱為『零點能量』。值得注意的是，這種最小能量不僅適用于分子，而且適用于任何真空，其能量被稱為『真空能量』。為了證明這種能量存在涉及一個相當(dāng)簡單的實驗，如上圖，在真空將兩塊金屬板合在一起，它們將會相互『吸住』。這是由于金屬板之間的能量僅能夠在某些頻率下諧振，而在板外部，真空能量可以在幾乎任何頻率下諧振，因為板外部的能量大于板之間的能量，所以板被推向彼此。當(dāng)板靠近時，這個推力逐漸增加，并且在大約10nm的間隔處，這種效應(yīng)（稱為卡西米爾效應(yīng)）在它們之間產(chǎn)生約一個大氣壓的壓力。因為板將它們之間的真空能量降低到低于正常的零點能量，所以據(jù)說該空間具有負(fù)能量，其具有一些不尋常的特性。

負(fù)能量真空的一個特性是光在其中的傳播速度比在正常真空中傳播得快，有朝一日人們可能會在一種負(fù)能量真空泡沫中比光速更快地旅行。負(fù)能量也可用于保持可穿越的蟲洞，雖然理論上可能，但是如果沒有保持負(fù)能量狀態(tài)的技術(shù)的會立即崩潰。負(fù)能量也會導(dǎo)致黑洞蒸發(fā)。真空能量通常被建模為虛擬粒子突然生成和湮滅。只要粒子生成不久之后被消滅，這就不違反任何能量守恒定律。但是，如果在黑洞的事件視界上產(chǎn)生兩個粒子，則可以從黑洞移開，而另一個粒子落入黑洞。這意味著它們將無法消滅，因此粒子最終都會產(chǎn)生負(fù)能量。當(dāng)負(fù)能粒子落入黑洞時，它會降低黑洞的質(zhì)量而不是增加它，并且隨著時間的推移，像這樣的粒子將導(dǎo)致黑洞完全蒸發(fā)。因為斯蒂芬霍金首先提出了這個理論，所以這種效應(yīng)給出的粒子（那些不落入黑洞的粒子）被稱為霍金輻射。這是第一個將量子理論與廣義相對論結(jié)合起來的理論，使其成為霍金迄今為止最偉大的科學(xué)成就。

二、時空拖曳

對愛因斯坦廣義相對論的一種預(yù)測是，當(dāng)一個大物體移動時，它會拖動它周圍的時空，導(dǎo)致附近的物體被拉動。當(dāng)大物體沿直線移動或旋轉(zhuǎn)時會發(fā)生這種情況，雖然效果非常微小，但已通過實驗驗證。 2004 年發(fā)射的重力探測器 B 實驗旨在測量地球附近的時空擾動。盡管干擾源大于預(yù)期，但時空拖曳效應(yīng)已被測量為 15％ 的不確定性，進(jìn)一步分析希望進(jìn)一步降低這種影響。

實驗的結(jié)果非常接近預(yù)測：由于地球的旋轉(zhuǎn)，探測器每年從其軌道上拉出約 2 米，這種影響純粹是由于地球的質(zhì)量扭曲了它周圍的時空。探測器本身不會感覺到這種額外的加速度，因為它不是由探測器上的加速度引起的，而是由探測器穿過的時空引起的，這類似于拉在桌子下面的地毯，而不是移動桌子本身。

三、同時性的相對性

同時性的相對性，是指兩個事件是否同時發(fā)生的觀點是取決于觀察者的位置。這是狹義相對論的一個奇怪結(jié)果，適用于任何以一定距離分開的事件。例如，如果火星和金星上放煙火，一個觀察者在一個方向上可能會說它們同時發(fā)生（補(bǔ)償光線到達(dá)它們的時間），而另一個觀察者以另一種方式行進(jìn)可能說火星上的那個首先消失，而另一個可能會說金星上的那個先消失了。它是由狹義相對論中不同觀點相互扭曲的方式引起的。因為它們都是相對的，所以不能說其中哪個觀察者的觀點不正確。

這可能導(dǎo)致非常不尋常的情況，例如觀察者在原因之前見證效果。然而，一旦觀察者看到效果，他們就不能在沒有光速的情況下快速地與原因相互作用，這是人們認(rèn)為禁止快于光的旅行的第一個原因之一，因為它類似于時間旅行和一個宇宙，你可以在效果之后與事業(yè)互動毫無意義。

四、黑弦（相對『黑洞』而言）

物理學(xué)中未解之謎之一是引力如何與其他基本力量相關(guān)，例如電磁學(xué)。1919 年首次提出的一種理論表明，如果在宇宙中增加了一個額外的維度，那么重力仍然存在于前四個維度（三個空間維度和時間）中，但這個四維空間在額外的第五維度上，自然產(chǎn)生除了重力的其他基本力量。然而，我們無法看到或發(fā)現(xiàn)這第五個維度，因此有人提出額外的維度被卷曲，因此對我們來說是不可見的。這個理論最終導(dǎo)致了弦理論，并且仍然是大多數(shù)弦理論分析的核心。

由于這個額外的尺寸很小，只有微小的物體（如顆粒）可以沿著它移動。在這些情況下，他們最終只是在他們開始的地方結(jié)束，因為額外的維度自身卷曲。然而，在五個維度上變得更加復(fù)雜的一個對象是黑洞。當(dāng)擴(kuò)展到五維時，它變成『黑弦』，并且與普通的 4D 黑洞不同，它是不穩(wěn)定的（這忽略了 4D 黑洞最終蒸發(fā)的事實）。黑弦非長不穩(wěn)定，會在五維中分裂成多個 4D 黑洞，這些多個 4D 黑洞然會合成一個更大的黑洞。最有趣的是，使用現(xiàn)有的模型，最后形成的黑洞是一個『裸』的奇點。也就是說，它沒有圍繞它的事件視界。這違反了物理學(xué)認(rèn)為所有奇點必須被事件視界所包圍以避免在奇點附近的時間旅行效應(yīng)會改變整個宇宙的歷史的假設(shè)。

五、Geon 和 『球狀閃電』

如公式 E = MC^2 所示，能量和物質(zhì)從根本上聯(lián)系在一起。其中一個影響是能量和質(zhì)量都會產(chǎn)生引力場。1955 年，John Wheeler 首先研究了 Geon(一種電磁波或引力波，它通過其自身場能的引力在一個受限區(qū)域內(nèi)保持在一起)，它的能量產(chǎn)生了引力場，而引力場又將 Geon 本身固定在一個狹窄的空間中。

Wheeler 推測，微觀 Geon 和基本粒子之間可能存在聯(lián)系，甚至可能是同一個東西。一個更極端的例子是『球狀閃電』，這種強(qiáng)光集中在一個特定的點上，由光能引起的重力變得強(qiáng)大到足以坍縮成黑洞，將它發(fā)出的光線彎曲回自身。雖然沒有人否認(rèn)『球狀閃電』的可以存在，但普遍認(rèn)為只能暫時形成，因為它們不可避免地會泄漏能量并最終崩潰。不幸的是，這表明 Wheeler 最初的推測是不正確的，但這還沒有得到明確證實。

六、克爾黑洞

大多數(shù)人都熟悉的黑洞模型，內(nèi)部有無限密度的奇點，其外部的被事件視界包圍。實際上這種黑洞有一個更具體的名稱：Schwarzschild 黑洞。它以卡爾施瓦茲希爾德（Karl Schwarzschild）的名字命名，他在愛因斯坦實際發(fā)表他的廣義相對論一個月后，在1915年找到了愛因斯坦場球方程用于球形非旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的數(shù)學(xué)解。然而，直到1963年，數(shù)學(xué)家 Roy Kerr 才找到旋轉(zhuǎn)球形質(zhì)量的解決方案。因此，旋轉(zhuǎn)黑洞被稱為克爾黑洞，它具有一些不尋常的特性。

在克爾黑洞的中心，沒有點奇點，而是一個環(huán)奇點——一個旋轉(zhuǎn)的一維環(huán)。還有兩個事件視界，一個是內(nèi)部視界一個外部視界，還有一個稱為 ergosphere 的橢圓體，其中時空本身隨著黑洞（由于時空拖曳）而旋轉(zhuǎn)，比光速更快。當(dāng)物體進(jìn)入 Schwarzschild 黑洞視界時，空間和時間會互換，這意味著將不可避免地撞向奇點。不同，當(dāng)您通過克爾黑洞的內(nèi)部事件視界時，時間和空間將再次對調(diào)，不同之處在于時空本身是相反的，這意味著環(huán)形奇點附近的重力變得令人厭惡，實際上將你推離環(huán)奇點。事實上，除非你準(zhǔn)確地在赤道上進(jìn)入黑洞，否則無法擊中環(huán)奇點本身。此外，環(huán)奇點可以通過時空鏈接，因此它們可以充當(dāng)蟲洞，雖然離開另一側(cè)的黑洞是不可能的（除非它是一個裸奇點，可能是在環(huán)奇點旋轉(zhuǎn)得足夠快時產(chǎn)生的）。穿越環(huán)形奇點可能會帶你到時空中的另一個點，例如另一個宇宙，在那里你可以看到光從黑洞外面落下，但不會留在黑洞里面。它甚至可能會把你帶到一個負(fù)宇宙中的『白洞』，會發(fā)生什么仍然是未知的。

七、量子隧道

量子隧穿是一種粒子可以穿越屏障的效應(yīng)，允許粒子穿過應(yīng)該是不可穿透的物理屏障，或者可以允許電子在沒有動能的情況下從原子核的束縛中逃逸。根據(jù)量子力學(xué)，在宇宙中的任何地方都可以找到任何粒子的概率是有限的。

當(dāng)粒子面對足夠小的屏障（約 1-3nm 寬）時，常規(guī)計算表明粒子難以穿透。然而，粒子將簡單地通過該屏障的概率變得相當(dāng)大。這可以通過海森堡不確定性原理來解釋，該原理限制了關(guān)于粒子的信息量。粒子可以從它所作用的系統(tǒng)『借用』能量，使用它來穿過障礙物，然后再次失去能量。量子隧穿涉及許多物理過程，例如放射性衰變和在太陽中發(fā)生的核聚變。它也用于某些電子元件，甚至已經(jīng)證明它存在于生物系統(tǒng)中的酶中。例如，催化葡萄糖反應(yīng)成過氧化氫的酶葡萄糖氧化酶涉及整個氧原子的量子隧道效應(yīng)。

量子隧穿也是掃描隧道顯微鏡的關(guān)鍵原理，是第一臺能夠成像和操縱單個原子的機(jī)器。它通過測量非常精細(xì)的尖端中的電壓來工作，當(dāng)尖端接近表面時，由于電子穿過它們之間的真空而產(chǎn)生影響。這為設(shè)備提供了制作極高分辨率圖像所需的靈敏度。它還使器件能夠通過故意將電流通過導(dǎo)電尖端來移動原子。

八、宇宙弦

在大爆炸之后，宇宙處于高度混亂的狀態(tài)。這意味著微小的變化和缺陷不會改變宇宙的整體結(jié)構(gòu)。然而，隨著宇宙膨脹，冷卻，從無序狀態(tài)變?yōu)橛行驙顟B(tài)，它達(dá)到了非常小的波動產(chǎn)生非常大的變化的程度。

這類似于鋪瓷磚。如果一個瓷磚鋪斜了，這意味著你后面鋪的一排的瓷磚將都會變斜。這與稱為宇宙弦的物體類似，宇宙弦是時空缺陷形成的極薄且極長的時空形狀。這些宇宙弦是由宇宙的大多數(shù)模型預(yù)測的，例如弦理論，其中兩種『弦』是不相關(guān)的。如果存在，每根弦都會像質(zhì)子一樣薄，但非常密集。

宇宙弦被認(rèn)為是非常長的，達(dá)到數(shù)千個星系大小的數(shù)量級。事實上，最近的觀察和模擬表明，宇宙弦的網(wǎng)絡(luò)遍布整個宇宙。這曾經(jīng)被認(rèn)為是導(dǎo)致星系在超星系團(tuán)中形成的原因（這個想法已被推翻）。超星系團(tuán)復(fù)合體由連接的『長絲』組成，其長度可達(dá) 10 億光年。由于宇宙弦對時空的獨特影響，將兩個琴弦靠近在一起，已經(jīng)證明它們可能用于時間旅行。宇宙弦也會產(chǎn)生令人難以置信的引力波，比任何其他已知源都強(qiáng)。

九、反物質(zhì)逆向性

反物質(zhì)是物質(zhì)的反面。它具有相同的質(zhì)量但具有相反的電荷。John Wheeler 和諾貝爾獎獲得者 Richard Feynman 基于物理系統(tǒng)應(yīng)該是時間可逆的觀點，發(fā)表了一個關(guān)于反物質(zhì)存在的理論。例如，我們太陽系行星的運動方向如果倒過來，仍應(yīng)遵守與正向運動時相同的規(guī)則。這導(dǎo)致了這樣一種觀點，即反物質(zhì)只是普通的物質(zhì)在時間上向后倒退，這可以解釋為什么反粒子具有相反的電荷，因為如果電子在時間上前進(jìn)時被擊退，那么倒退就會改變電子的電荷。這也解釋了為什么物質(zhì)和反物質(zhì)湮滅。這不是兩個粒子碰撞并相互破壞的情況，它是同一顆粒突然停止并回到過去的時間。在真空中，產(chǎn)生一對虛擬粒子然后消滅，這實際上只是一個粒子進(jìn)入無限循環(huán)，反復(fù)前進(jìn)后退導(dǎo)致的。

雖然這個理論的準(zhǔn)確性仍有待討論，但是將反物質(zhì)作為時間倒退的物質(zhì)在數(shù)學(xué)上得到了與其他更傳統(tǒng)理論相同的解決方案。當(dāng)它首次被理論化時，約翰惠勒說，或許它回答了為什么宇宙中所有電子都具有相同性質(zhì)的問題，他認(rèn)為宇宙中只有一個電子，不斷在整個宇宙中飛奔，從大爆炸到時間的結(jié)束再回來，繼續(xù)無數(shù)次。即使這個想法涉及時間旅行，它也不能用于發(fā)送任何信息，因為你不能移動一塊反物質(zhì)來影響過 去。

十、哥德爾的不完備性定理

1931 年 Kurt Gdel 證明，在任何給定的邏輯規(guī)則集中，除了最簡單的邏輯規(guī)則之外，總會有不可判斷的陳述，這意味著由于不可避免的自我指涉性質(zhì)而無法證明或證明它們是不可證實的。任何甚至遠(yuǎn)程復(fù)雜的邏輯系統(tǒng)。這被認(rèn)為表明沒有能夠證明或反駁所有陳述的數(shù)學(xué)系統(tǒng)。一個不可判定的語句可以被認(rèn)為是一種語句的數(shù)學(xué)形式，如『我總是撒謊』，因為該語句引用了用于描述它的語言，所以無法知道該語句是否為真。然而，一個不可判定的陳述不需要明確地自我指稱是不可判定的。哥德爾不完備性定理的主要結(jié)論是，所有邏輯系統(tǒng)都將具有無法證明或證明的陳述; 因此，所有邏輯系統(tǒng)都必須『不完整』。

這些定理的哲學(xué)意義很普遍。該集合表明，在物理學(xué)中，『Theory of everything』（萬物理論）可能是不存在的，因為沒有一套規(guī)則可以解釋每一個可能的事件或結(jié)果。它還表明，邏輯上，『證據(jù)』是一個比『真實』更弱的概念; 這樣的概念對科學(xué)家來說是令人不安的，因為這意味著總會有一些東西盡管是真的，但卻無法證明是真的。由于這套定理也適用于計算機(jī)，它也意味著我們自己的思想是不完整的，并且有一些我們永遠(yuǎn)無法知道的想法，包括我們自己的思想是否一致（即我們的推理不包含不正確的矛盾）。這是因為哥德爾的第二個不完備性定理指出，沒有一致的系統(tǒng)可以證明它自己的一致性，這意味著沒有理智的頭腦可以證明自己的理智。