黑洞信息悖论
黑洞是宇宙中极其密集的星体，其质量大到足以将光线拉入其周围区域，形成所谓的事件视界。理论上，黑洞会吸收一切物质和能量，但根据爱因斯坦的相对论，它们也应该通过辐射失去质量，这与观测到的现象不符。这种矛盾被称为黑洞信息悖论，是现代物理学中的一个重大谜题。
超弦理论中的超维度问题
超弦理论试图统一引力、电磁力和弱核力三种基本交互作用，它假设存在10个维度，其中我们生活在4维空间时间中，而另外6维被卷曲得如此之紧，以至于目前我们的技术还无法探测到它们。不过，这些额外的维度如何影响我们所知的物理定律仍然是一个未解决的问题。
时间膨胀效应
相对论预言了时空不是绝对概念，而是依赖于观察者的速度和位置。在加速状态下，比如在宇宙飞船上，时间似乎会慢下来。这一点已经通过实验得到证实，如粒子加速器上的高能粒子产生的微波背景可以用来测试这一效应。但对于更深层次的问题，如为什么时空结构决定了时间流逝不同，以及如何整合这个效应到量子力学中，都还有待进一步研究。
宇宙微波背景辐射非均匀性
1992年宇航员发现了一种温暖而均匀的辐射，即宇宙微波背景辐射（CMB），这被认为是大爆炸留下的遗迹。然而，在CMB数据中发现了许多小规模结构，这意味着很早的时候，就有局部温度差异。这增加了解释宇宙演化过程以及这些差异如何演变成今天所见的大尺度结构成为一个挑战。
物理常数不确定性
自然界中的许多物理常数，如电子自旋、光速等，都被精确地定义出来。但一些其他常数，如引力的强度（由普朗克常数给出）或元素周期表中的原子序号，则没有明确解释。这些“不确定”性的存在反映出我们对基本物理规律理解程度有限，同时也提醒我们可能需要新的理论框架来完善我们的知识体系。
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