未解决的物理学问题

纯理论方面的问题

这里列出的基础理论问题或理论构想缺乏实验证明。在这些问题之间，可能有强烈的相互关联。例如，额外维度或超对称可能有办法解释级列问题（hierarchy problem）。物理学者认为，完整无瑕的量子引力理论应该能够解释大多数列出的问题（除了稳定岛问题以外）。

量子引力、物理宇宙学、广义相对论

真空剧变（vacuum catastrophe）

从航海家探测卫星测量到的数据所推断出的真空能量密度上限为1014 GeV/m3，而从量子场论计算出的零点能密度却为10121 GeV/m3，两个数值竟然相差了107个数量级。这差异被惊叹为“物理史上最差劲的理论预测”，并且很多物理学者认为这显示出当今物理理论的重大瑕疵。

量子引力

如何整合量子力学和广义相对论成为完整一致的理论（即量子场论）？最基础而言，时空是否是连续的，还是离散的？这完整一致的理论是否涉及由一种假定的引力子所传递的作用力，还是从时空离散结构衍生的产物（圈量子引力论的理论）？在超小尺度、超大尺度或其它极端案例，广义相对论的预测与量子引力理论有什么差异？

黑洞、黑洞资讯、黑洞辐射

理论预期的黑洞热辐射现象是否属实？此种辐射是否带有关于黑洞内部结构的资讯，如同规范-引力二元性（gauge-gravity duality）所建议，还是不然，如同史蒂芬·霍金的原本计算？若为不然，则黑洞能够蒸发干净，注意到量子力学并没有给出摧毁资讯的机制，那么，储存于黑洞的资讯又会怎么样？是否黑洞蒸发到某一程度就会自动停止，只剩下残余黑洞？根据无毛定理，黑洞只有三种属性：质量、电荷量、角动量；除此以外，没有任何内部结构。这定理是否正确？为何尚未找出探勘黑洞内部的方法？

额外维度

大自然是否拥有多于四个时空维度。假若答案为“是”，则到底有多少时空维度？维度是不是宇宙的基本属性，还是其它物理定律的合理结果？物理实验能否观测到更高维度的证据？宇宙暴胀（cosmic inflation）

宇宙暴胀理论是否正确？若为正确，这段时期所发生事件的细节为何？这造成暴胀的假定暴胀场（inflation field）到底为何？假若暴胀在过去某一时间曾经发生，有否有可能借着量子力学涨落的暴胀机制，继续自我维持暴胀，因此在宇宙某超远处，这暴胀仍旧正在进行中？

“泡沫宇宙”示意图，宇宙1到宇宙6各自有自己的物理常数，人类的“宇宙”不过是其中的一个“泡沫”而已

多重宇宙

有否足够的物理理论基础来支持期待其它宇宙的存在，虽然这些宇宙从根本而言是无法观测到的？例如，量子力学的多世界是否存在？在这些宇宙里，在高能量状况，由于使用别种方式破坏物理力的明显对称，所造成的物理定律是否会迥然不同。使用人择原理来消解全局宇宙困境是否正确？

宇宙监督假设（cosmic censorship hypothesis）

黑洞内部有一个奇点。通常在这奇点的外围有一层事件视界，速度最快的光波也无法逃离到事件视界之外。裸奇点是缺乏事件视界的奇点。由于没有事件视界隔离，物理学者可以观测到裸奇点的物理行为。但是，至今为止，物理学者尚未观测到裸奇点的蛛丝马迹。物理学者怀疑，从实际物理的初始条件是否能形成裸奇点？罗杰·彭罗斯提出的“宇宙监督假设”表明，这是不可能的事。但是，物理学者还不能证明这假设的任何版本为正确无误。

时序保护猜想

在广义相对论的爱因斯坦场方程的某些解答中，会出现有封闭类时曲线，即粒子移动于时空的世界线为封闭回路，从初始点移动经过一段路程后，又会返回初始点。封闭类时曲线意味着一种时间旅行，能够返回过去的时间旅行。史蒂芬·霍金的时序保护猜想表明，强烈地不允许任何除了微观尺度以外的时间旅行。结合广义相对论与量子力学在一起的量子引力理论，能否排除封闭类时曲线的可能性？

时间箭头

物理学在微观（microscopic）的层次几乎完全是时间对称（time symmetry）的。这意味着，假设将时间流逝的方向倒转，则原本物理定律仍然会保持为正确。但是在宏观层次，时间存在着明显的流逝方向。时间箭头就是用于描述这种不对称的现象。由于时间演进和时间反演而产生的不同物理现象，它们给出的关于时间属性的资料为何？

根据CPT对称（CPT symmetry）理论，从CP破坏的证实可以立即断言时间是无法反演的。因此，时间对称性不成立，时间箭头可以建立起来。但是，这方法并不是直接地，而是间接地证实时间对称性不成立。测量基本粒子的内禀电偶极矩实验可以更强烈、更直接地证实这性质。假设基本粒子拥有内禀电偶极矩，则宇称对称性和时间对称性都会被破坏。更详尽细节，请查阅基本粒子的电偶极矩。对于各种粒子的电偶极矩，现在最准确的实验测值为

中子：[6]、

电子：[7]、

水银：[8]。

另外一个衍生的问题是，为什么CP破坏只有在某些弱相互作用的衰变中才能观测得到，例如K介子衰变（kaon decay），而在其它相互作用都观测不到？

局域性原理（principle of locality）与非局域现象

局域性原理表明，物体只会被其紧邻周遭环境事物影响。1935年，阿尔伯特·爱因斯坦等发表EPR吊诡，量子力学的基础理论，因为违背了局域性原理，可能在某方面不正确。三十年之后，约翰·贝尔（John Bell）提出反驳，局域隐变量理论（local hidden variable theory）不能复制量子力学的所有预测。在量子力学里，是否会出现非局域现象？假设非局域现象存在，这是否只局限于资讯传输；能量或物质能否能以非局域方式的传播？在哪种状况可以观测到非局域现象？非局域现象的存在与否，对于时空的基本结构，有什么含意？非局域现象与量子纠缠有什么关联？如何借着非局域现象来显明量子力学基础性质的正确诠释？

宇宙的终极命运

根据天文观测和宇宙学理论，可以对可观测宇宙未来的演化作出预言。宇宙最终是否走向热寂、大崩坠、大撕裂、大反弹，还是按照多重宇宙论的论述，可能存在很多各种各样的宇宙，新的宇宙可能正在诞生，同时老旧的宇宙可能正在湮灭，但整个平行宇宙永远不会完全终结？

高能物理学／粒子物理学

希格斯机制

希格斯粒子是标准模型预言的一种自旋为零的玻色子，预期将可以帮助解释宇宙万物的质量。但是，至今尚未在实验中观察到，是标准模型中最后一种未被发现的粒子。请问希格斯