從17世紀開始，伽利略通過系統化實驗歸納了自然規律，從而標誌著物理學的誕生。從伽利略到牛頓，從麥克斯韋再到愛因斯坦，從哈勃提出宇宙膨脹論到霍金提出黑洞輻射。物理學的新理論層出不窮，每一個都顛覆著常人的思維。

從伽利略的自由落體實驗那年開始計算，物理學到今天走過來將近400年的時光。

縱觀物理學史，有兩次大巔峰時期。第一次是以伽利略和牛頓為代表的實驗科學的興起，第二次是相對論和量子力學的崛起。

21世紀為止，物理學沒有出現顛覆性理論。反而留下來更多的烏雲。

普朗克

這些烏雲全都是在20世紀被科學家提出，驅散其中任何一朵烏雲，必將在物理學史上留下濃墨重彩的一筆。

18世紀末的大部分科學家曾天真地以為物理學的大廈基本完成，其他只是縫縫補補的小事情。直到普朗克提出能量量子化的概念，徹底打破了這違和又尷尬的“和諧”局面。

20世紀的物理學全線推進，不僅將微觀世界的研究尺度縮小到普朗克級別，還在高速世界將粒子的運動提高到狹義相對論級別。

不過物理學一直殘留著形形色色的矛盾。比如在20世紀初，物理學家認為的烏雲基本就是量子力學和廣義相對論的不可調和性。愛因斯坦在晚年就著手研究如何將電磁力和引力統一起來，這就是愛因斯坦心中的大一統理論。以目前的認知層次來看，愛因斯坦註定是失敗的。畢竟那時候強力和弱力還未被納入物理學的研究範疇。

隨著量子力學的發展，越來越多的問題浮現到世人面前，比如正反物質對稱性破缺，量子引力的傳播子還未被找到。

在高能物理中，物理學家還曾搞不懂質量產生的根本機制

在宇宙學上，既然按照霍金的黑洞輻射理論，那麼被黑洞吸收的信息終將釋放出來，那這些信息又會去哪？如果黑洞不會釋放信息，那麼理論預測的的黑洞輻射又該如何解釋？

還有額外維度，多重宇宙論，暗物質，和暗能量等一系列亟待解決的問題。

現代物理學不僅存在理論矛盾，還存在理論之間的矛盾。在實驗物理上，還存在驗證手段不足的窘境。

但歸根結底就是可驗證理論的手段遠遠落後於挺進的理論。如果所有的理論都有可靠的實驗基礎，那麼目前的物理學也不會出現理論的百花齊放局面。

我簡單盤點一下物理學現存的大烏雲

在理論層面上，量子力學和廣義相對論不兼容，也就是說引力子目前還沒有找到，其引力子還未被納入標準模型。

解決的方案就是超弦理論，M理論甚至是圈量子引力理論。

萬有理論

這些都是萬有理論的候選者。正如前文所言，這些理論基本上很難，甚至沒有手段可以驗證，超弦理論甚至淪為數學上的自嗨。

在宇宙層面，暗物質和暗能量是否確鑿無疑地存在？即便大多數科學支持暗物質和暗能量的存在，但是其信心僅僅來自無法解釋的星系旋轉現象引發的額外引力猜想，以及宇宙加速膨脹導致的能量缺失現象。

嚴格來說，暗物質和暗能量只是科學家堅信現有主流物理學理論的正確性。而觀察宇宙的結果卻與現有的力學理論有明顯衝突。

那麼物理學該怎麼辦？

力學理論已經被無數實驗驗證，沒人相信力學理論會錯，也沒有更好的理論替代現有的力學理論，於是我們不得已引入新的物質概念，並選擇相信它們是客觀存在的。

疑似暗物質存在的子彈星系團

按照宇宙大爆炸理論的結果，爆炸之初會產生同等量的正物質和反物質。而且在爆炸之初，大部分正反物質會湮滅並釋放了巨大能量，可為什麼同等量的正反物質沒有湮滅完全？

正反粒子對示意圖

現在的宇宙絕大數是由正物質主導的，這多餘出的正物質勢必意味著同等量的反物質消失。這些反物質的去向是科學家無法解釋的。

這一問題的解決註定掀起新的物理學革命。

不過也有值得慶幸的一面。最近幾年，物理學在實驗領域有了新的突破。

尋找希格斯波色子

在基本粒子如何產生質量的這一問題上曾經令物理學家費解。不過科學家提出來希格斯機制回答這一問題。

希格斯粒子示意圖

科學家首先假定宇宙中充滿希格斯場，某些基本粒子在希格斯場的量子激發會獲得質量。不過這樣的假設必須找到希格斯粒子。

就在2013年，歐洲核子研究組織宣佈找到符合理論預言的新粒子，該粒子就是曾經苦苦尋找的希格斯波色子。

彼得·希格斯

希格斯本人也因此獲得了2013年諾貝爾物理學獎。

驗證量子力學完備性的貝爾實驗

愛因斯坦曾經在1927年的第五屆索爾維會議上舌戰量子哥本哈根學派的波爾，並反對哥本哈根學派對量子糾纏的詮釋。

愛因斯坦

愛因斯坦認為，大自然絕對不會存在量子糾纏這麼詭異的超距作用的出現，這肯定是在解釋量子糾纏這件事上出現的紕漏。這種紕漏就是由於量子力學的不完備性導致的。

我們之所以不可以完全預測天氣，在於我們無法精確瞭解大氣層中每一個空氣分子的物理量，如果我們有足夠的能力瞭解每個氣體分子的運動規律，以及相互作用，那麼我們就完全可以精確預測天氣。

同理，愛因斯坦認為波爾對量子糾纏的解釋是由於類似於無法掌握每個空氣分子物理量的某種關鍵信息的缺失，這才導致出現量子糾纏這樣詭異的現象出現。

他還認為：量子糾纏的超時空作用是糾纏粒子分開之初就決定好的。就好比把一雙手套放進兩個完全相同的盒子裡，並隨機打亂盒子擺放順序。如果我打開其中一個盒子發現這隻手套為左，即便你把另一個手套拿的再遠，都會同時知道那隻手套為右。

於是愛因斯坦認為量子力學並不完備。不過這樣的爭論沒有任何實驗可作為對賭保證。

直到上個世紀六十年代，貝爾提出來貝爾不等式以專門解決這一矛盾。上個世紀已經進行過多次貝爾不等式驗證實驗，結果顯示愛因斯坦錯了。不過這些實驗飽受存在漏洞的詬病。

直到2015年，由數萬人參與的大貝爾自由意志實驗才從99%的程度上否定了愛因斯坦的說法。量子力學的完備性是板上釘釘的事。

最後我總結一下，物理學在理論與實驗上存在亟待解決的三大烏雲

①量子力學與引力的矛盾

②暗物質和暗能量的探索

③正反物質不對稱的原因

在其他方面，物理學還存在如下烏雲

理論預測和實驗觀察產生數量級衝突矛盾的真空能量密度問題，簡稱真空災變問題

是否存在四維空間甚至更高維空間，簡稱高維度問題。

磁單極在宇宙爆炸之初是否存在過。以及中微子震盪問題。

基本粒子的慣性質量與引力質量是否在數值上相等？

我相信隨著科學得發展，這些問題會一一解開。目前物理學的烏雲解開後，或許會出現更多的烏雲。烏雲就是矛盾，有矛盾才會前進。

不過在哲學層面上，物理學終將存在一個永恆的話題，那就是：宇宙為何而生？