I. 超越標(biāo)準(zhǔn)模型篇

上個(gè)世紀(jì)，物理學(xué)家經(jīng)過了幾十年的努力發(fā)展出了粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型，描述了自然界中的三種基本力（電磁力、弱核力和強(qiáng)核力）和基本粒子（夸克、電子等），兩個(gè)量子場論是它的核心。量子電動(dòng)力學(xué)（QED）描述了光與物質(zhì)間的相互作用，并和弱核力統(tǒng)一成電弱力。量子色動(dòng)力學(xué)（QCD）則是描述強(qiáng)核力的一個(gè)理論。2012年，標(biāo)準(zhǔn)模型迎來了巔峰，希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)最終填補(bǔ)了標(biāo)準(zhǔn)模型的最后一塊拼圖。然而，我們知道它并不是一個(gè)終極理論。標(biāo)準(zhǔn)模型沒有包括引力，也無法解釋中微子為什么有質(zhì)量等其他問題。因此，多年來物理學(xué)家一直致力于尋找超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理。

夸克和輕子是最基本的嗎？

為什么世間的萬物都有著一些共同的性質(zhì)？人們很快就意識(shí)到，物質(zhì)其實(shí)都是由自然界的一些基本單元構(gòu)成的。所謂的基本單元是指不能再由更小的物質(zhì)構(gòu)成的單元。經(jīng)歷了千年的探索，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了原子、質(zhì)子、中子、電子和夸克。現(xiàn)在我們知道，電子（與μ子和τ子被稱為輕子）和夸克（共有六種）是不可再分割的。但是，鑒于過去的經(jīng)歷，我們不得不懷疑它們真的是最基本的嗎？或許它們是由更小的先子（preon）組成的？又或者它們正如弦理論所預(yù)言的那樣是由只有普朗克長度大小的弦構(gòu)成的？

家族問題：為什么夸克和輕子有三代？

上夸克、下夸克、電子和電中微子都是被稱為費(fèi)米子的基本粒子，它們構(gòu)成了我們體驗(yàn)到的萬物。但這并不是故事的全部，自然富有深意的又安排了這些費(fèi)米子的第二代，甚至是第三代。例如，三代帶電輕子分別為：電子（發(fā)現(xiàn)于1897年）、μ子（發(fā)現(xiàn)于1937年）和 τ子（發(fā)現(xiàn)于1975年）。它們的性質(zhì)完全相同，μ子和 τ子只是電子更重的版本而已。物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，電子可以完成其它兩種粒子能做的一切事情，就好像 μ子和 τ子是多余的一樣。以至于當(dāng) μ子第一次在宇宙射線中被發(fā)現(xiàn)的時(shí)候，著名的實(shí)驗(yàn)家Isidor Rabi怒道：“是誰訂的 μ子？” 物理學(xué)家把這三種粒子描述為輕子家族的三代，然而，在我們所觀測的世界中，似乎只需要第一代的電子就足夠了。為什么會(huì)有三代？其中必然有更深刻的原因，只是我們還不知道。

夸總是被束縛在它們所構(gòu)成的粒子內(nèi)嗎？其背后的理論為何如此的難？

根據(jù)量子色動(dòng)力學(xué)（QCD），當(dāng)兩個(gè)夸克越靠越近時(shí)（能量越來越高），它們間的相互作用就越弱，這被稱為“漸進(jìn)自由”。1973年，F(xiàn)rank Wilczek和其他兩位物理學(xué)家因發(fā)現(xiàn)了漸進(jìn)自由而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，他們描述了在高能下，對(duì)強(qiáng)核力進(jìn)行微擾計(jì)算的可能。物理學(xué)家相信，在低能量的情況下（距離越來越遠(yuǎn)），夸克之間的作用力則會(huì)越來越強(qiáng)，使夸克永遠(yuǎn)被禁閉在它們所構(gòu)成的粒子（比如質(zhì)子或中子）內(nèi)，因此宇宙中并沒有自由夸克。雖然夸克禁閉是被普遍接受的事實(shí)，但從來沒有被嚴(yán)格的證明過。

事實(shí)上，QCD在許多方面都沒有被很好的理解，因?yàn)樗鼈兪侨绱说纳願(yuàn)W，以至于相關(guān)問題也被列為千禧年七大數(shù)學(xué)難題之一。對(duì)QCD更好的理解，能夠幫助我們揭開許多謎題。例如，在宇宙學(xué)中，夸克-膠子等離子體是非常重要的，它也已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室（比如RHIC和LHC）中被制造出來了。對(duì)夸克-膠子等離子的深入研究為我們提供了許多的洞見，但也出現(xiàn)了許多新的問題。此外，對(duì)QCD的完整相圖的研究也能夠應(yīng)用在核物理和天體物理中，比如更好的描述中子星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

粒子質(zhì)量的起源之謎

雖然理論物理學(xué)家已經(jīng)投入了大量的工作，但是并沒有理論能夠解釋標(biāo)準(zhǔn)模型中的費(fèi)米子的質(zhì)量，或者說它們與希格斯場的湯川耦合。特別是頂夸克的質(zhì)量之謎，不僅是因?yàn)樗馁|(zhì)量相比其它基本粒子是如此之大，也因?yàn)樗闹到咏８袼箞龅恼婵掌谕怠?/p>

同時(shí)，中微子質(zhì)量的發(fā)現(xiàn)，為我們需要一個(gè)超越標(biāo)準(zhǔn)模型的理論提供了堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。對(duì)于每一代的費(fèi)米子，要么需要加入一個(gè)額外的場（如果是狄拉克型的質(zhì)量，就像電子或夸克那樣），要么違反輕子數(shù)守恒（如果是馬約拉納型的質(zhì)量，意味著中微子是自己的反粒子）。我們需要解釋為什么中微子具有質(zhì)量，以及為什么質(zhì)量那么小。這些問題都可以在大統(tǒng)一理論中找到答案，但大統(tǒng)一理論有很多版本，并沒有哪個(gè)被普遍接受。目前，我們并不知道中微子的確切質(zhì)量（中微子振蕩實(shí)驗(yàn)只測量了質(zhì)量平方差），也不知道質(zhì)量是屬于馬約拉納型的還是狄拉克型的，又或者兩者兼有。此外，正如其它的費(fèi)米子，目前也沒有理論解釋中微子質(zhì)量的基本起源。

等級(jí)問題和超對(duì)稱

為什么標(biāo)準(zhǔn)模型中的基本粒子的質(zhì)量要比普朗克質(zhì)量小那么多？這個(gè)問題就是所謂的“等級(jí)問題”。我們似乎可以說粒子物理學(xué)是一個(gè)等級(jí)森嚴(yán)的領(lǐng)域。四種基本力的強(qiáng)度懸殊，從強(qiáng)到弱（即從強(qiáng)核力到引力）形成等級(jí)。物理學(xué)中的不同質(zhì)量也形成等級(jí)，最頂層的是普朗克質(zhì)量，最底層的就是真空能量。

如果從第一原理預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)模型的粒子的質(zhì)量，它們的質(zhì)量應(yīng)當(dāng)約為普朗克質(zhì)量，大概在能量10^19GeV。但問題是，這比宇宙中已被探測到的質(zhì)量最大的粒子都要高出17個(gè)數(shù)量級(jí)。特別是希格斯玻色子，它的質(zhì)量應(yīng)該非常大，因?yàn)樗绱硕嗟牧Ｗ酉嗷プ饔谩?/p>

而我們現(xiàn)在已經(jīng)知道，希格斯玻色子的質(zhì)量只有125GeV，這跟普朗克能量尺度相差十幾個(gè)數(shù)量級(jí)，而不是理論所期待的在同一個(gè)等級(jí)。因此，我們要問，為什么粒子的質(zhì)量是我們現(xiàn)在觀測到的質(zhì)量，而不是接近普朗克質(zhì)量？最優(yōu)美的一個(gè)解決方法是存在一個(gè)額外的對(duì)稱，可以抵消所有普朗克尺度的貢獻(xiàn)，使粒子的質(zhì)量要比普朗克質(zhì)量低的多。

這就是“超對(duì)稱”理論背后的想法。超對(duì)稱做了一個(gè)非常大膽的預(yù)言：所有的費(fèi)米子（比如夸克和電子）都有一個(gè)玻色子的超對(duì)稱伙伴，以及所有的玻色子（比如光子，膠子）都有相應(yīng)的費(fèi)米子超對(duì)稱伙伴。在許多超對(duì)稱理論中，最輕的超對(duì)稱粒子是一種不帶電、穩(wěn)定的粒子，稱為中輕微子。如果找到這些粒子，也可以解釋暗物質(zhì)的問題。雖然超對(duì)稱理論備受喜愛，但多年來在粒子加速器都沒有發(fā)現(xiàn)它們，而它們?cè)鐟?yīng)該被找到。

還有哪些未知的粒子等待被發(fā)現(xiàn)？

過去，越來越強(qiáng)大的加速器或探測器發(fā)現(xiàn)了許多新的粒子，而這很可能會(huì)再次發(fā)生。有一些新粒子被提出來解決一些特定問題，比如軸子可以解釋為什么量子色動(dòng)力學(xué)不違反CP不變性，惰性中微子則被提出來解釋中微子振蕩實(shí)驗(yàn)中的可能觀測。其它的新粒子被提出來主要是因?yàn)樗鼈冊(cè)诶碚撋鲜强赡艽嬖诘模热珙愃茦?biāo)準(zhǔn)模型中的額外費(fèi)米子或玻色子。我們隨時(shí)可能在實(shí)驗(yàn)室中遇到令人驚喜的新發(fā)現(xiàn)，因?yàn)槲覀儗?duì)自然的理解還不完整。

質(zhì)子的半徑、自旋和衰變之謎

原子中的質(zhì)子是由三個(gè)夸克組成，盡管質(zhì)子在100多年前就走入我們的視線，但事實(shí)表明我們對(duì)它還不夠了解。當(dāng)科學(xué)家用不同的方法測量質(zhì)子的半徑時(shí)驚奇的發(fā)現(xiàn)，兩種方法給出了不同的半徑數(shù)值。對(duì)半徑的精確測量很重要，因?yàn)檫@是對(duì)量子電動(dòng)力學(xué)（QED）的檢驗(yàn)。如果這種差異在實(shí)驗(yàn)中持續(xù)出現(xiàn)，或許意味著存在著一個(gè)未發(fā)現(xiàn)的粒子。

但即使半徑之謎解決了，科學(xué)家還面臨著另一個(gè)問題。起初，物理學(xué)家認(rèn)為它的自旋主要來自夸克的貢獻(xiàn)。但到了1987年，歐洲μ子實(shí)驗(yàn)組進(jìn)行的一系列高能物理實(shí)驗(yàn)引發(fā)了所謂的“質(zhì)子自旋危機(jī)”。由CERN、DESY和SLAC所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)給出了令人意外的結(jié)果：夸克對(duì)質(zhì)子的自旋貢獻(xiàn)僅為30%！如果不是夸克，那又會(huì)是什么？在一次最新的大型數(shù)值模擬量子色動(dòng)力學(xué)的結(jié)果顯示，膠子提供了質(zhì)子一半的自旋。而剩下的20%的質(zhì)子自旋被認(rèn)為是來自夸克和膠子的軌道角動(dòng)量。基于過去幾十年的努力，物理學(xué)家距離揭開質(zhì)子自旋的來源越來越近。

質(zhì)子的最后一個(gè)謎題則跟它的壽命有關(guān)。質(zhì)子可以衰變，是大統(tǒng)一理論一個(gè)非常重要的預(yù)言。但唯一的問題是，目前實(shí)驗(yàn)還沒有觀測到任何質(zhì)子衰變的跡象。例如日本的超級(jí)神岡探測器一直致力于監(jiān)測衰變質(zhì)子釋放出的輻射，但沒有觀測到任何衰變的證據(jù)。他們的最新研究成果將質(zhì)子壽命的下限提高到1.6×10^34年。如果有朝一日我們能夠在探測器中觀測到質(zhì)子發(fā)生衰變，那就意味著自然界中三種基本力——弱核力、強(qiáng)核力和電磁力——在宇宙早期能夠被統(tǒng)一在一起。

洛倫茲或CPT不變性會(huì)被違反嗎？（愛因斯坦的相對(duì)論和標(biāo)準(zhǔn)場理論總是有效的嗎？）

在最基本的層面，標(biāo)準(zhǔn)模型違反了P和CP（P代表宇稱，即鏡像中的世界；C代表電荷共軛，即把粒子換成反粒子）對(duì)稱性，同時(shí)在希格斯場凝聚后，也違反了弱同位旋和弱超電荷守恒。1956年，吳健雄通過觀察鈷-60原子的放射性衰變，驗(yàn)證了楊振寧和李政道的理論：在弱相互作用中宇稱不守恒。1964年，James Cronin 和 Val Fitch在實(shí)驗(yàn)室中也找到了CP破壞的證據(jù)。那么自然而然地要問，是否還存在更多的對(duì)稱性破缺，無論是在基本層面（超越標(biāo)準(zhǔn)模型的理論），或是由于進(jìn)一步的對(duì)稱性破缺（因矢量或張量的凝聚，而非標(biāo)量場），或因?yàn)榱孔訚q落（例如普朗克尺度上的“時(shí)空泡沫”）。

特別是，科學(xué)家一直致力于尋找違反洛倫茲不變性或CPT不變性的證據(jù)，但到目前為止并沒有發(fā)現(xiàn)任何蛛絲馬跡。大多數(shù)科學(xué)家都同意廣義相對(duì)論和粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型并不是最終的理論。在眾多統(tǒng)一理論中，比如弦理論、修正引力理論和非對(duì)易量子場論中，都預(yù)言了洛倫茲對(duì)稱性的微小的破缺。因此對(duì)洛倫茲不變性的精確檢驗(yàn)會(huì)指向一條通往正確的統(tǒng)一理論模型的道路。同樣的，CPT對(duì)稱性也是現(xiàn)代物理學(xué)的重要支柱，它是指物理定律在電荷共軛、宇稱、時(shí)間反演的聯(lián)合變換下保持不變。如果CPT對(duì)稱性被打破了，就意味著打破了現(xiàn)有的物理學(xué)。

我們的宇宙穩(wěn)定嗎？

希格斯玻色子具有特殊的質(zhì)量，其值意味著希格斯勢里的基本自耦合參數(shù)：幾乎等于零（如果標(biāo)準(zhǔn)模型計(jì)算有效的話）。從這個(gè)結(jié)果來看，希格斯凝聚和我們所知道的宇宙只能勉強(qiáng)算是穩(wěn)定的。事實(shí)上，進(jìn)一步的計(jì)算暗示了我們的宇宙可能處于一種亞穩(wěn)態(tài)，最終會(huì)過渡到具有非常不同性質(zhì)的更加穩(wěn)定的狀態(tài)。事實(shí)上，這里牽涉到一個(gè)非常深刻的問題：如何解釋 λ≈0？我們的宇宙是否處于穩(wěn)定狀態(tài)呢？

II. 引力和宇宙篇

上個(gè)世紀(jì)，有兩個(gè)偉大的理論徹底地改變了我們對(duì)自然的理解。其中一個(gè)是量子力學(xué)，描述了粒子和它們之間的相互作用。另一個(gè)則是愛因斯坦的廣義相對(duì)論，將引力和彎曲的時(shí)空聯(lián)系在一起。100年以來，兩者皆經(jīng)受住了無數(shù)次對(duì)它們的檢驗(yàn)。盡管有許多人都在試圖修正愛因斯坦的引力理論，但所有的實(shí)驗(yàn)只是不斷地證明了愛因斯坦是正確的！特別是這兩年，關(guān)于引力波探測的進(jìn)展更是令人喜出望外。廣義相對(duì)論不僅有許多一開始令人無法接受的預(yù)言（比如黑洞和蟲洞等），在探索宇宙奧秘的道路上，它也奠定了強(qiáng)有力的理論基礎(chǔ)。

愛因斯坦的引力理論如何與量子力學(xué)結(jié)合？

當(dāng)我們談及宇宙大爆炸或黑洞奇點(diǎn)的時(shí)候就會(huì)意識(shí)到，廣義相對(duì)論和量子力學(xué)必須合二為一才能揭開宇宙更深層的秘密。

自愛因斯坦的時(shí)代物理學(xué)家就已經(jīng)開始試圖構(gòu)建一個(gè)量子引力理論，即對(duì)引力場進(jìn)行量子化描述的理論，就跟自然界中的其它場一樣。在所有理論中，最著名的兩個(gè)嘗試分別為弦理論和圈量子引力。前者將一個(gè)粒子的世界線替換成弦的世界面，因此費(fèi)恩曼圖中的線相交被拓展為面相交。后者則認(rèn)為時(shí)空具有“顆粒性”。雖然這兩個(gè)理論在數(shù)學(xué)上非常具有吸引力，但它們目前還沒有做出可檢驗(yàn)的預(yù)言。其它的嘗試包括因果集理論，因果動(dòng)態(tài)三角剖分理論，漸進(jìn)安全引力理論和涌現(xiàn)引力理論等。

近年來，物理學(xué)家還發(fā)現(xiàn)愛因斯坦曾經(jīng)提出的兩個(gè)理論有著令人驚喜的關(guān)聯(lián)，該理論用一個(gè)方程表示為：ER = EPR。方程左邊代表蟲洞，右邊代表量子糾纏。在這個(gè)基礎(chǔ)上，Leonard Susskind更是進(jìn)一步提出GR = QM（廣義相對(duì)論=量子力學(xué)），將二者統(tǒng)一。

黑洞的熵和溫度的起源是什么？

自約翰·惠勒提出“黑洞”一詞后，科學(xué)家、科幻家、小說家等就沒有停止過對(duì)它的想象。它不僅僅只是理論上的產(chǎn)物，大量天文觀測都證實(shí)了恒星級(jí)黑洞和超大質(zhì)量黑洞的存在。2018年，黑洞也將迎來歷史性的一刻，我們即將看到它的第一張照片！

一直以來，黑洞都是滋生悖論的溫床。上個(gè)世紀(jì)，貝肯斯坦（Jacob Bekenstein）和霍金（Stephen Hawking）提出了黑洞熵和輻射的概念后，爭論就從沒有停止過。霍金和索恩（Kip Thorne）也為此有過好幾次著名的打賭。到目前為止，都是索恩獲勝（他還獲得了2017年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）。貝肯斯坦-霍金熵的公式為

A和κ分別表示黑洞的表面積和表面引力，公式中假定了一些著名的常數(shù)? = c = G = k = 1。公式中的量同時(shí)與引力和量子力學(xué)緊密聯(lián)系，但最基本的問題是為什么熵正比于面積（A）而不是體積。弦理論、圈量子引力理論、以及其它的模型都嘗試在四維時(shí)空中的真實(shí)黑洞或最簡單的靜態(tài)史瓦西黑洞的情況下推導(dǎo)式子（1），但都沒有成功。這足以證明，我們并未真正理解黑洞熵的深意。

信息在黑洞中丟失了嗎？

在1974 - 1975年間，霍金計(jì)算了在黑洞周圍的量子場實(shí)際上會(huì)輻射出粒子（即霍金輻射）。輻射會(huì)使黑洞失去質(zhì)量并且變得越來越小，直到黑洞完全蒸發(fā)殆盡。自此之后，便誕生了所謂的“黑洞信息悖論”。

根據(jù)廣義相對(duì)論，進(jìn)入黑洞的信息不會(huì)再出來，而被困在黑洞內(nèi)的信息會(huì)因?yàn)檎舭l(fā)而消失。那么，信息去哪了？如果它隨著黑洞消失，那就違反了量子理論。或許你會(huì)想，難道信息不會(huì)儲(chǔ)存在霍金輻射中一起出來嗎？問題就在于黑洞內(nèi)的信息是不能跑出來的，因此唯一的可能就是霍金輻射里復(fù)制了進(jìn)入黑洞的物體信息。這樣就有兩份信息，一份在黑洞外，一份在黑洞里面，不過這也違反了量子理論。當(dāng)然，另一個(gè)最簡單的可能性便是：量子力學(xué)是不完備的，因此黑洞信息悖論就迫使我們?nèi)ネ卣乖摾碚摚拖駩垡蛩固沟南鄬?duì)論拓展了牛頓的運(yùn)動(dòng)定律一樣。

之后，為了挽救量子理論，物理學(xué)家逐漸提出了互補(bǔ)原理、全息原理等，之后又面臨了火墻悖論的困境，問題似乎變得越來越棘手。但有一點(diǎn)可以肯定的是，這個(gè)問題和10、11有著密切的關(guān)聯(lián)，或許只有等到我們發(fā)展出量子引力理論，該悖論才能得到完美的解決。

宇宙學(xué)常數(shù)問題

1917年，為了描述一個(gè)靜態(tài)的宇宙，愛因斯坦在場方程中引進(jìn)了一個(gè)額外的常數(shù)項(xiàng)，稱為宇宙學(xué)常數(shù)，它提供了抵抗引力的排斥作用。然而，當(dāng)哈勃發(fā)現(xiàn)宇宙正在膨脹的時(shí)候，愛因斯坦認(rèn)為這是他一生中犯的最大的錯(cuò)誤。而現(xiàn)在看來，這個(gè)“錯(cuò)誤”或許有著更深的含義。

愛因斯坦為了描述靜態(tài)的宇宙在場方程中引入了宇宙學(xué)常數(shù)（Λ）。事實(shí)上，宇宙學(xué)常數(shù)有兩種方式可以出現(xiàn)在場方程中，在左邊時(shí)它充當(dāng)了幾何項(xiàng)，而在右邊時(shí)它則充當(dāng)了真空中的能量密度。

根據(jù)量子力學(xué)，真空本身會(huì)有微小的漲落，這些漲落會(huì)產(chǎn)生能量。物理學(xué)家認(rèn)為量子真空能量可以充當(dāng)宇宙學(xué)常數(shù)的角色。但是，基于量子力學(xué)計(jì)算的真空能量的值遠(yuǎn)高于實(shí)際觀測到的能量密度——高出120個(gè)數(shù)量級(jí)，這個(gè)結(jié)果被驚嘆為“物理學(xué)史上最糟糕的理論預(yù)測”。這便是宇宙學(xué)常數(shù)問題[4]。物理學(xué)家提出了多重宇宙和人擇原理（進(jìn)一步討論可參考問題21）等模型來解決理論和觀測之間的偏差，但目前并沒有統(tǒng)一的意見。

什么是暗能量？

1998年，兩個(gè)獨(dú)立的天文小組通過對(duì)遙遠(yuǎn)的超新星爆發(fā)的測量得出了一個(gè)驚人的結(jié)論：宇宙正在加速膨脹！科學(xué)家把造成加速膨脹的幕后推手稱為“暗能量”。暗能量占據(jù)了宇宙總質(zhì)量和能量的68.3%，它支配著宇宙的終極命運(yùn)。

但究竟什么是暗能量？在這個(gè)問題上，科學(xué)家耗費(fèi)了大量的筆墨和實(shí)驗(yàn)觀測，一個(gè)最簡單的解釋或許是暗能量就是宇宙學(xué)常數(shù)，但如上述，我們遇到了問題。也有人提出一些具有奇異性質(zhì)的粒子能夠充當(dāng)暗能量的角色，比如變色龍粒子，它的性質(zhì)會(huì)隨著周圍的環(huán)境而改變。又或許宇宙中存著一種微弱且長程的第五種基本力，它會(huì)抵消掉一點(diǎn)引力的作用。當(dāng)然，也有一些物理學(xué)家認(rèn)為根本不存在暗能量，只是現(xiàn)有的引力理論需要得到修正。（在2017年發(fā)現(xiàn)的雙中子星合并中，有一些試圖修正引力的理論已經(jīng)被否定。）雖然有許多的理論被提出，但暗能量依舊保持著它的神秘。

宇宙經(jīng)歷了暴脹時(shí)期嗎？如果是，暴脹又是如何以及為何開始的？

當(dāng)宇宙的年齡僅為10^-32秒時(shí)，宇宙經(jīng)歷了一場指數(shù)式的膨脹，這段時(shí)期被稱為暴脹時(shí)期。暴脹理論的提出是為了解釋傳統(tǒng)大爆炸理論所面臨的難題（比如視界問題和平坦性問題） 。但是，暴脹理論面臨著幾個(gè)問題。第一個(gè)重要的問題需要由觀測來回答，即是否有暴脹的直接證據(jù)。第二個(gè)需要同時(shí)由理論和觀測來回答，即暴脹的起源之謎。目前有許多富有競爭力的模型，但都受到許多質(zhì)疑。2017年，針對(duì)于暴脹理論是否是一個(gè)科學(xué)理論，世界上最富盛名的物理學(xué)家都加入了這場辯論。

為什么宇宙中遍布著物質(zhì)，而不是反物質(zhì)？

根據(jù)粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測，在宇宙誕生之初，應(yīng)該有等量的物質(zhì)和反物質(zhì)被創(chuàng)造。而我們知道，當(dāng)正反物質(zhì)相遇時(shí)會(huì)發(fā)生湮滅，化作一團(tuán)能量。理論上，這樣的一次大湮滅事件應(yīng)當(dāng)發(fā)生在138億年前。但事實(shí)是，在那場戰(zhàn)役中，物質(zhì)戰(zhàn)勝了反物質(zhì)，并存活了下來，否則我們就不會(huì)在這里尋找這個(gè)問題的答案。

1968年，物理學(xué)家Andrei Sakharov意識(shí)到，如果宇宙滿足三個(gè)條件，那么物質(zhì)和反物質(zhì)不對(duì)稱性就是不可避免的。這三個(gè)條件分別是：重子數(shù)不守恒、違反C對(duì)稱（電荷共軛對(duì)稱）和CP對(duì)稱（電荷共軛與宇稱聯(lián)合對(duì)稱性）、以及存在偏離熱平衡的相互作用。解決物質(zhì)-反物質(zhì)不對(duì)稱性的理論包括輕子數(shù)不對(duì)稱產(chǎn)生機(jī)制、電弱重子數(shù)產(chǎn)生機(jī)制、Affleck-Dine機(jī)制和普朗克/大統(tǒng)一重子數(shù)產(chǎn)生機(jī)制。

什么是暗物質(zhì)？

Fritz Zwicky在1930年代和Vera Rubin及她的合作者在1970年代的觀測都表明，星系中的引力大多數(shù)來自不發(fā)光的物質(zhì)，即所謂的暗物質(zhì)。近年來許多天文觀測數(shù)據(jù)都傾向于暗物質(zhì)的存在，它的數(shù)量大約是普通物質(zhì)（比如行星、恒星、氣體等）的5到6倍。在宇宙的138億年的演化過程中，它對(duì)星系、星系團(tuán)和大尺度結(jié)構(gòu)的形成至關(guān)重要。

但究竟什么是暗物質(zhì)？我們并不知道，通過天文觀測，我們可以推測出暗物質(zhì)不發(fā)光、不反射、也不吸收光。因此，通過普通的光學(xué)手段是無法找到它們的蹤跡的。科學(xué)家提出了許多可能的候選粒子，比如弱相互作用大質(zhì)量粒子、軸子、惰性中微子、超中性子等等。但到目前為止地底下的大型探測器、太空中的衛(wèi)星、以及對(duì)撞機(jī)中均未發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的蹤跡。另一些人則希望通過修正引力來解釋暗物質(zhì)的存在（詳見：《誰才是真正的銀河護(hù)衛(wèi)者》）。而最近，物理學(xué)家 Justin Khoury 和 Lasha Berezhiani 認(rèn)為，在寒冷、高密度的環(huán)境下，暗物質(zhì)會(huì)凝聚成超流體。這個(gè)想法得到了越來越多人的青睞。

宇宙中還有哪些新的天體等待被發(fā)現(xiàn)？

宇宙中遍布中許多不同類型的奇異物體。在我們熟悉的普通恒星內(nèi)部，輻射壓和引力的完美對(duì)抗，防止它進(jìn)一步坍縮。而在白矮星中所發(fā)生的事情則更有意思，它是由電子的“簡并壓”所支撐著。類似地，恒星死亡后另一個(gè)結(jié)局——中子星，則是由中子簡并壓支撐。1967年，Jocelyn Bell Burnell發(fā)現(xiàn)了快速旋轉(zhuǎn)的中子星——脈沖星。此外，宇宙中也有許多恒星級(jí)黑洞，天文學(xué)家通過黑洞周圍的吸積盤輻射出的X-射線對(duì)它們進(jìn)行觀測。而超大質(zhì)量黑洞被認(rèn)為普遍存在于大型星系的中心。宇宙中也充滿了不同的粒子和輻射，它們都有著不同的起源。

基于過去幾十年天文觀測帶來的驚喜，我們完全有理由期待未來會(huì)發(fā)現(xiàn)更多令人意想不到的天體。例如，天文學(xué)家還沒有在宇宙早期形成的第三星族星，它們幾乎完全由氫氣和氦氣構(gòu)成。又比如Katherine Freese提出來的“暗星”，或者由夸克組成的“夸克星”，或以暗物質(zhì)湮滅做為能量來源的天體（而不是核反應(yīng)）。未來，天體物理學(xué)充滿了無限的可能性。

III. 大問題篇

額外維度、多重宇宙、時(shí)間旅行等等聽起來像是從科幻小說出才會(huì)出現(xiàn)的概念，事實(shí)上一直是前沿理論研究的對(duì)象。有些人認(rèn)為我們永遠(yuǎn)也無法在實(shí)驗(yàn)室中檢驗(yàn)這些理論，樂觀主義者則認(rèn)為，只要有足夠的時(shí)間和資源，我們將最終得到令人滿意的答案。

時(shí)空之謎

亨利·龐加萊曾經(jīng)說過：“三維語言看起來比四維更加適合用來描述我們的世界。” 在1917年時(shí)，物理學(xué)家保羅·埃倫費(fèi)斯特（Paul Ehrenfest）也曾寫過一篇富有啟發(fā)性的論文[5]。在文章中他枚舉了許多證據(jù)證明三維是描述我們這個(gè)世界最完美的維度。如果再加上時(shí)間維度，就是我們熟悉的四維時(shí)空。但是時(shí)空真的只有四維嗎？如果是，為什么恰好是四維的？一個(gè)真正令人滿意的理論應(yīng)該能夠提供一個(gè)合理的（非人擇的）解釋。另外，我們也想要解釋為什么時(shí)間只有一個(gè)坐標(biāo)？

還有一個(gè)深刻的問題是，時(shí)空的起源是什么？有一些理論推測，或許我們可以從一些更基本的框架中推導(dǎo)出時(shí)空。或許時(shí)空是從一些更深層次的量子現(xiàn)象中產(chǎn)生的，那么時(shí)空的量子本質(zhì)是什么？全息原理、Amplituhedron、量子泡沫都嘗試回答這個(gè)問題，但至今還沒有出現(xiàn)過令人信服的結(jié)果。

存在更高的維度嗎？

在廣義相對(duì)論發(fā)表不久后，數(shù)學(xué)家 Theodor Kaluza 有了一個(gè)絕妙的想法，如果空間是四維，那么他就可以把光和引力——它們看起來毫無共同之處——統(tǒng)一起來。這個(gè)美妙的理論連愛因斯坦都心動(dòng)了。但這個(gè)額外維在哪里？物理學(xué)家 Oskar Klein 認(rèn)為 Kaluza 的額外維度會(huì)卷曲成看不見的小圓圈（用術(shù)語說就是“緊致化”），尺度為10^33厘米。這個(gè)尺度太小了，以至于目前任何實(shí)驗(yàn)都無法直接探索它的存在。當(dāng)然，現(xiàn)在我們知道他們的五維統(tǒng)一理論是錯(cuò)誤的。

到了1970年代，弦理論家的登場復(fù)興了對(duì)額外維度的探索。超弦理論所需要用到的數(shù)學(xué)要求存在至少十個(gè)維度。也就是，為了讓描述超弦理論的方程能夠運(yùn)作——連接廣義相對(duì)論和量子力學(xué)的方程，解釋自然界中的粒子，統(tǒng)一基本力等等——他們必須發(fā)明額外的維度。物理學(xué)家必須思考如何緊致化額外的六個(gè)維或更多。最后，弦理論家發(fā)現(xiàn)，如果用卡拉比-丘空間來代替在空間中卷曲的圓圈，我們就會(huì)得到十維：三維空間，加上六維的卡拉比-丘成桐空間，再加上一維時(shí)間。

如果存在額外維度，那么接下來更深層的問題就是我們宇宙內(nèi)部空間的結(jié)構(gòu)。自然規(guī)律大概是由這個(gè)結(jié)構(gòu)決定的，所以不同的內(nèi)部空間會(huì)對(duì)應(yīng)不同的宇宙：內(nèi)部空間本質(zhì)上就是宇宙的基因組。例如，弦理論所預(yù)測的可能宇宙的數(shù)目高達(dá)10的500次方。

是否存在多重宇宙？

多重宇宙，這個(gè)令人聯(lián)想翩翩的概念，實(shí)際上是一些最受推崇的理論所預(yù)言的，例如：由于暴脹模型在某些方面的不足之處，使許多人認(rèn)為“永恒暴脹”的設(shè)想是極有可能的。在這種設(shè)想下，由于新的宇宙會(huì)不斷地從舊的產(chǎn)生，從而導(dǎo)致宇宙的數(shù)量不斷的增加。

在永恒暴脹理論中，暴脹永遠(yuǎn)不會(huì)停止。圖中紅色X的記號(hào)代表暴脹停止的區(qū)域，比如我們的宇宙。綠色則代表暴脹繼續(xù)的區(qū)域，會(huì)一直無限持續(xù)下去。| 圖片來源：E.Siegel

如果我們把注意力僅限于自己的宇宙，暴脹意味著它的大小遠(yuǎn)大于局部的可觀測宇宙。事實(shí)上，它有可能是無限的，具有平坦或開放（雙曲線）幾何。那么我們單一的宇宙就包含了大量的可觀測的宇宙。

而如果我們進(jìn)一步把注意力放在在可觀測宇宙之中，那么由 Hugh Everett 提出的量子力學(xué)的多世界詮釋暗示著當(dāng)我們對(duì)一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行觀測時(shí)會(huì)分離出無數(shù)個(gè)平行宇宙，每一個(gè)都是波函數(shù)的一個(gè)可能解，而我們只是在其中一個(gè)特定的宇宙。

另外，如果自然是由采取所有可能的路徑積分來描述的，那么問題20探討的每個(gè)內(nèi)部空間就都是有著不同法則的不同宇宙的基礎(chǔ)。此外，對(duì)于一個(gè)給定的內(nèi)部空間，可以有許多不同的初始條件，也意味著不只有一個(gè)宇宙。

當(dāng)然，多重宇宙是極具爭議的，因?yàn)樗辉谡５目茖W(xué)領(lǐng)域所能掌控的范疇之內(nèi)。同樣極具爭議的還有人擇原理，簡單地說就是我們所居住的宇宙必須是一個(gè)滿足智慧生命的出現(xiàn)所要求的宇宙。理論物理學(xué)家 Brandon Carter 將該原理分為兩種：弱人擇原理和強(qiáng)人擇原理。前者認(rèn)為，作為觀察者的我們之所以存在于這個(gè)時(shí)空位置，是因?yàn)檫@個(gè)位置提供了我們存在的可能；后者則認(rèn)為，我們的宇宙（同時(shí)也包括那些基本的物理常數(shù)）必須允許觀察者在某一階段出現(xiàn)。

這個(gè)原理通常是由多重宇宙和我們宇宙的許多特征似乎不利于我們存在的事實(shí)驅(qū)動(dòng)的。然而，我們生活在一個(gè)“適居帶宇宙”中，就像我們已生活在一個(gè)“適居帶行星”上一樣。而真正的挑戰(zhàn)就在于如何使多重宇宙和/或人擇原理成為真正的科學(xué)理論。

是否存在一些奇異性質(zhì)的時(shí)空幾何？

非阿貝爾規(guī)范理論預(yù)測了各種可能對(duì)宇宙學(xué)很重要的拓?fù)淙毕荩渲邪▎螛O子、宇宙弦和疇壁。此外，愛因斯坦的廣義相對(duì)論允許許多奇特的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)存在于時(shí)空之中，例如蟲洞。我們偶爾會(huì)在微波背景輻射測量中搜索宇宙非平凡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的證據(jù)。

另外，在時(shí)空幾何中的裸奇點(diǎn)和閉合類時(shí)循環(huán)的可能性仍未被解決。這很有意思，因?yàn)樗鼈冊(cè)诶碚撋显试S進(jìn)行反向時(shí)間旅行。

宇宙是如何開始的？它的最終命運(yùn)又是什么？

宇宙起源，或許是最最基本的大問題了。關(guān)于它的奧秘有許多：為什么宇宙需要一個(gè)起源？最初出現(xiàn)的場是什么，又是以怎樣的狀態(tài)出現(xiàn)的？為什么初始的熵是如此之低，使得我們能夠定義未來的熵增走向？在我們這個(gè)特定宇宙的開始之前，是否還存在任何其它東西？

另一方面，科學(xué)家一直想知道我們的宇宙的最終命運(yùn)是什么？由于我們現(xiàn)在仍不知道暗能量究竟是什么，因此前方或許還有更多的驚喜在等著我們發(fā)現(xiàn)，我們不知道未來宇宙會(huì)走向何方。不同的理論模型對(duì)宇宙的過去和未來都有不同的判斷。也許宇宙將永遠(yuǎn)膨脹下去，物質(zhì)之間的距離被拉的越來越遠(yuǎn)，最終達(dá)到熱寂狀態(tài)；也許在某一個(gè)時(shí)刻，宇宙會(huì)停止膨脹，并開始收縮，直到回復(fù)至剛誕生時(shí)的狀態(tài)；也許宇宙會(huì)在膨脹和坍縮之間不斷的循環(huán)自己。未來，更多精確的觀測將有助于我們對(duì)眾多模型進(jìn)行篩選和排除，但可以肯定的是，一個(gè)好的預(yù)測肯定需要涉及在引力、粒子物理學(xué)和宇宙演化上做出根本性的突破。

引力的起源之謎

本質(zhì)上來說，所有的統(tǒng)一理論（比如大統(tǒng)一、超對(duì)稱等），都假設(shè)了局域洛倫茲不變性（即愛因斯坦的相對(duì)論），而非嘗試去解釋它。Sakharov和其他人試圖從真空能量或其他形式的度量彈性中推導(dǎo)出引力，但這些努力都不具有說服力。在費(fèi)曼等人的早期研究中，從弦理論中推導(dǎo)的引力為自旋為2的場。但問題是弦理論、它的場和它的作用量（action）都是從哪里來的，而且這類思路（如弦理論本身）還并未得到廣泛的接受。所以引力的根本來源也是一個(gè)未知的大問題。

為什么所有的基本力都有規(guī)范理論的形式？

粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型中的所有基本力都是由規(guī)范場描述的（甚至連引力也是由一個(gè)規(guī)范理論描述的，盡管是以一個(gè)不同的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)的）。它是一種真正意義上用來解釋自然界為何會(huì)存在這些力的基礎(chǔ)理論。它或許也可以解釋為何物質(zhì)與這些場存在一種簡單的最小耦合，以及為何它們的作用量存在一種簡單的最微形式。

為什么自然是由量子場描述的？

真正基礎(chǔ)的理論或許能從更深層的原理中推導(dǎo)出量子力學(xué)和量子場。其中涉及到的一個(gè)重要問題是量子力學(xué)的詮釋，目前學(xué)界對(duì)此還沒有達(dá)到共識(shí)。早在1911年，愛因斯坦就意識(shí)到了這個(gè)問題，他在大量文章和書籍中都對(duì)此進(jìn)行了質(zhì)問與思考。但是這些問題至今仍未能被很好的解答，從某種意義上說許多杰出的物理學(xué)家仍對(duì)波粒二象性（或薛定諤貓和EPR悖論）感到疑惑。但拋開詮釋的問題，或許只有這樣的基礎(chǔ)理論才能解釋我們所在的宇宙為何由量子場構(gòu)成，而這些場又是如何起源的。

物理在數(shù)學(xué)上的一致性問題

對(duì)一個(gè)成功的理論來說，它必須在數(shù)學(xué)、邏輯和哲學(xué)上都保持一致性，并同時(shí)能預(yù)測實(shí)驗(yàn)與觀測的結(jié)果。但是即便是簡單的四維時(shí)空中的量子場論，也還沒能在數(shù)學(xué)上做到嚴(yán)格的一致性。

物理形式和人類經(jīng)驗(yàn)的現(xiàn)實(shí)之間有什么聯(lián)系嗎？

我們對(duì)自然的基本法則還遠(yuǎn)未達(dá)到真正理解的地步，數(shù)學(xué)和物理本質(zhì)上是一個(gè)與自然本身具有相同關(guān)系的人類創(chuàng)造，如同一幅承載著由自然所描繪的豐富地形的地圖。

在“現(xiàn)實(shí)的終極本質(zhì)”這一話題里，包含著一個(gè)古老的問題——“為什么有物存在，而非一切皆空？”對(duì)此，哥倫比亞大學(xué)的哲學(xué)家 Sidney Morgenbesser 的回答就非常有趣，他說：“即便是一切皆空，你還是不會(huì)滿意！”麻省理工學(xué)院的理論物理學(xué)教授 Frank Wilczek 的回答或許是最優(yōu)的，他說：“對(duì)于這個(gè)古老問題，答案就是——‘空’是不穩(wěn)定的。”

愛因斯坦有一句同樣深刻的名言，他說“這個(gè)世界最難以理解的就是它是可被理解的”。什么樣的原理可以解釋這樣一個(gè)事實(shí)，即現(xiàn)在的宇宙是由簡單的規(guī)律順利演化導(dǎo)致、而非隨機(jī)的混沌胡亂而成的？或許對(duì)自然的終極理解，會(huì)證實(shí)自然就如艾米莉·狄金森在詩中所寫：

“自然，是我們所知

卻無法巧妙說出

我們的智慧無能為力

面對(duì)她的樸素。”

IV. 量子系統(tǒng)和凝聚態(tài)物質(zhì)的奇異行為篇

在過去的幾十年中，凝聚態(tài)物理學(xué)和量子系統(tǒng)的奇異行為是物理學(xué)家所熱衷研究的對(duì)象。物理學(xué)家專注于研究包含高度關(guān)聯(lián)電子的材料（比如傳統(tǒng)和新奇的超導(dǎo)體）、碳科學(xué)的性質(zhì)（比如石墨烯、碳納米管和富勒烯等）、新的光學(xué)和X-射線技術(shù)、能夠應(yīng)用在量子信息處理和量子密碼學(xué)的技術(shù)等等。

還有哪些超導(dǎo)和超流體的新形式等待被發(fā)現(xiàn)？

在低溫下，像氦-4原子這樣的玻色子會(huì)經(jīng)歷玻色-愛因斯坦凝聚成為超流體。同樣的，費(fèi)米子會(huì)形成配對(duì)，凝聚成超流體，如果費(fèi)米子帶電則會(huì)形成超導(dǎo)體。從氦-3的超流體相，到原子的玻色-愛因斯坦凝聚，再到中子星的中子，這些都是科學(xué)家熱衷研究的超流體對(duì)象。另一方面，超導(dǎo)體的例子也有很多，比如有機(jī)超導(dǎo)體、重費(fèi)米子化合物和高溫超導(dǎo)體等等。高溫超導(dǎo)體的超導(dǎo)電性機(jī)制以及其它特征都有待被闡明。基于這些年來這個(gè)領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，我們可以期待未來有更重大的發(fā)現(xiàn)在等待著我們。

有哪些新的拓?fù)湎嗟却话l(fā)現(xiàn)？

繼 Kosterlitz-Thouless 相變、以及整數(shù)和分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)后，拓?fù)浣^緣體是近年來令人驚喜意外的發(fā)現(xiàn)。拓?fù)浣^緣體是一種表面導(dǎo)電但內(nèi)部絕緣的材料。目前，物理學(xué)家提出了許多與凝聚態(tài)物質(zhì)系統(tǒng)中的其他拓?fù)浞瞧椒蚕嗪臀矬w有關(guān)的理論。

（注：David J. Thouless和Michael Kosterlitz因在拓?fù)湎嘧兒屯負(fù)湎嘌芯款I(lǐng)域做出了重要的理論發(fā)現(xiàn)，而被授予2016年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。）

物質(zhì)還有哪些新的相和形式等待被發(fā)現(xiàn)？

普通物質(zhì)的涌現(xiàn)性質(zhì)已經(jīng)顯示出驚人的豐富性。在20世紀(jì)和21世紀(jì)初，許多奇特的相被發(fā)現(xiàn)：如不同形式的磁性、空間結(jié)構(gòu)（如晶體和準(zhǔn)晶、電荷密度波、自旋密度波等）、1維和2維材料、納米結(jié)構(gòu)、軟物質(zhì)（如液晶和聚合物）、以及顆粒體系。

現(xiàn)在，量子相變是一個(gè)熱門的探索領(lǐng)域。包括普通材料中的電子液體在內(nèi)的量子液體還沒有被很好地理解，而任何液相的存在，都是物質(zhì)的重大的涌現(xiàn)性質(zhì)。

流體中的湍流仍是一個(gè)未解決的重大問題。更一般的非線性系統(tǒng)也可能潛藏著更多的驚喜，例如混沌和非平衡相變。

等離子體被描述為物質(zhì)的第四種狀態(tài)，在天體物理學(xué)和地球應(yīng)用的許多領(lǐng)域中都極為重要。一個(gè)尚未實(shí)現(xiàn)的舊夢想是，如果在磁約束或慣性約束上有所突破，都將使受控聚變合成為無窮無盡的可用能量來源。

在高度關(guān)聯(lián)的電子材料中，還有哪些性質(zhì)等待被發(fā)現(xiàn)？

對(duì)于許多凝聚態(tài)物質(zhì)系統(tǒng)來說，單電子（或準(zhǔn)粒子）的圖景運(yùn)作的如此之好是一件相當(dāng)奇妙的事。但是電子相關(guān)效應(yīng)可能會(huì)導(dǎo)致一些新的現(xiàn)象，而上面提到的那些現(xiàn)象肯定不會(huì)就是所有可能性的全部。

量子計(jì)算機(jī)、量子信息和其它基于量子糾纏的應(yīng)用的未來是什么？

量子糾纏是指兩個(gè)粒子之間可以保持一種特殊的連接，如果你測量了其中一個(gè)粒子的狀態(tài)，你就粒子知道另一個(gè)粒子的狀態(tài)，無論距離多遠(yuǎn)，愛因斯坦把這種可以超光速的作用稱為“鬼魅般的超距作用”。量子糾纏是發(fā)展量子計(jì)算和量子信息的關(guān)鍵。舉個(gè)例子，當(dāng)有多個(gè)量子比特被糾纏的時(shí)候，對(duì)其中的一個(gè)量子比特的操作就會(huì)瞬時(shí)影響所有其它的量子比特，也就意味著著空前的并行運(yùn)算能量。但是，由于糾纏態(tài)在真實(shí)環(huán)境中是十分脆弱的，所以目前最大的問題是這些領(lǐng)域的重要性是否能在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)。糾纏在量子計(jì)算機(jī)的物理實(shí)現(xiàn)和黑洞信息悖論的解決等問題上越來越受到關(guān)注。

量子光學(xué)和光子學(xué)的未來是什么？

光子、電子在基于光子學(xué)的新技術(shù)（包括光電子學(xué)）中起著重要的作用。該領(lǐng)域的前沿研究涉及到更短的激光脈寬、更高的強(qiáng)度、先前無法企及的波長輻射、量子現(xiàn)象的控制以及更多新興思想的涌現(xiàn)。什么樣的新現(xiàn)象會(huì)伴隨光子、或光子與電子以及其他粒子一起被發(fā)現(xiàn)呢？

V. 突破極限篇

理論、計(jì)算、實(shí)驗(yàn)和觀測上的技術(shù)的極限是什么？

理論：高能物理中的大部分計(jì)算都是基于微擾方法的，例如用費(fèi)圖表示的擴(kuò)展方式。現(xiàn)有的用于實(shí)際計(jì)算的非微擾技術(shù)主要是數(shù)值計(jì)算，其中最有名的方法是點(diǎn)陣規(guī)范理論。但實(shí)質(zhì)上所有用于實(shí)際系統(tǒng)的數(shù)值方法對(duì)計(jì)算機(jī)的計(jì)算時(shí)間和內(nèi)存需求都會(huì)迅速增長，并且如何確保收斂性和準(zhǔn)確性也并非一件顯而易見的事。一個(gè)重大的突破將是發(fā)現(xiàn)能準(zhǔn)確計(jì)算出真實(shí)系統(tǒng)的重要屬性和過程的非微擾技術(shù)。

實(shí)驗(yàn)：在高能物理學(xué)中，更高能量的研究需要重大的創(chuàng)新，才能實(shí)現(xiàn)像μ子對(duì)撞機(jī)、線性?0.5TeV 電子對(duì)撞機(jī)、光子對(duì)撞機(jī)或龐大的強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)，或許最終我們也將實(shí)現(xiàn)?100 TeV的質(zhì)子對(duì)撞。這些實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置都有著極高的要求。其他的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，如暗物質(zhì)的直接探測、中微子物理等，都將需要采用越來越大的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。技術(shù)創(chuàng)新將有助于讓這些實(shí)驗(yàn)得以實(shí)現(xiàn)，對(duì)靈敏度的增加便是其中一項(xiàng)。

計(jì)算：計(jì)算正迅速與理論和實(shí)驗(yàn)比肩，成為支撐物理學(xué)研究的第三支柱，而這三個(gè)領(lǐng)域中的突破對(duì)物理學(xué)來說都是同等重要的。現(xiàn)實(shí)的模擬在技術(shù)上也變得越來越重要。天體物理學(xué)中的重要現(xiàn)象常常因自由度過大而無法進(jìn)行更真實(shí)的模擬，這種情況下，對(duì)根本性的計(jì)算創(chuàng)新的需求或許迫在眉睫。除物理以外，其他科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域?qū)τ?jì)算的需求也越來越迫切，也只有計(jì)算機(jī)科學(xué)才能產(chǎn)生更優(yōu)更強(qiáng)的算法。

觀測：在過去的100年之中，天文學(xué)家觀測到了宇宙中的許多奇異現(xiàn)象。從電磁波的各個(gè)頻段、到中微子天文學(xué)、引力波天文學(xué)，都是天文學(xué)家用來探索宇宙的工具。這兩年對(duì)引力波的成功探測為我們了解宇宙開辟了一個(gè)新的窗口，去年對(duì)雙子星合并的觀測，更是令人驚喜地開啟了多信使時(shí)代。天文物理學(xué)中的許多不解之謎，或許都可借助更先進(jìn)的技術(shù)和更復(fù)雜的觀測方法得到解答。

化學(xué)、應(yīng)用物理和科技的最終極限是什么？

無機(jī)過程（例如地質(zhì)學(xué)）產(chǎn)生的物質(zhì)的多樣性是很令人稱奇的，雖然在生物系統(tǒng)中被開發(fā)的物質(zhì)數(shù)量仍大得多。目前來看，我們可以自己設(shè)計(jì)的化學(xué)系統(tǒng)的復(fù)雜性似乎沒有上限。如果能夠?qū)⑦^去兩個(gè)世紀(jì)人類的發(fā)現(xiàn)延伸到下個(gè)一百萬年、甚至上億年之后，那么什么樣的技術(shù)是能徹底改變我們后代生活的呢？人工智能算得上是其中一個(gè)，它可以以計(jì)算機(jī)形態(tài)（基于經(jīng)典比特）、或人類形態(tài)（基于神經(jīng)元連接）、亦或是完全未知的形態(tài)（例如基于量子狀態(tài)）存在。我們的后代將如何利用所有的新興技術(shù)？

VI. 生命篇

許多人都聽過那只世界上最神秘莫測的貓——薛定諤貓，它是由對(duì)量子力學(xué)做出杰出貢獻(xiàn)的物理學(xué)家薛定諤（Erwin Schrodinger）提出的一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)。但薛定諤實(shí)際上還有一個(gè)非常有意思的工作，是他在1944年基于在都柏林的一系列講座撰寫的一個(gè)薄薄的書《什么是生命？》。這本書在DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)還未被發(fā)現(xiàn)時(shí)就預(yù)測了DNA的一些重要性質(zhì)。薛定諤準(zhǔn)確地認(rèn)識(shí)到，生物的進(jìn)化和代與代之間的信息傳遞的關(guān)鍵是“非周期晶體”——一個(gè)永遠(yuǎn)不會(huì)完全重復(fù)的原子鏈。盡管鏈中的每個(gè)鏈接都含有相同的原子（碳、氮、氧、氫和磷），但它們的不同組合可編碼大量的信息。

什么是生命？

自薛定諤完成《什么是生命》一書以來，74年過去了，科學(xué)家為了解生命如何運(yùn)作已經(jīng)走過了一條很漫長的道路，但直至今日，對(duì)于生命是什么我們?nèi)詻]有一個(gè)明確的定義。進(jìn)化是其中的一部分，因?yàn)樗桥c遺傳信息的代代相傳相關(guān)的概念。新陳代謝是其中的一部分，以一種特有的方式改變其環(huán)境中的化學(xué)平衡。但是，在明顯的非生命和生物之間，是一大片難以定義的灰色地帶。

病毒就是一種介于生命與非生命物種之間的物種，因?yàn)橐环矫嫠鼈儾荒茏孕袕?fù)制；另一方面當(dāng)有正常活細(xì)胞供它們使用時(shí)，就可進(jìn)行非常高效的傳播。這是一個(gè)在薛定諤年代就為人所知的事實(shí)，而這一問題在70多年后的今天變得更加寬泛。是否存在基于外來生物化學(xué)的生命形式？它們或許根本不以DNA為中心分子結(jié)構(gòu)？又或者甚至不以碳為中心元素。或許目前于我們而言是未知的原理，能在其他系外行星上產(chǎn)生完全陌生的生命形式。

地球上的生命是如何開始的？又是如何演化出復(fù)雜的生命形式？

地球形成于太陽系早期。許多證據(jù)證明地球上的生命經(jīng)歷過兩個(gè)主要階段。首先是單細(xì)胞原核生物，再接著是多細(xì)胞的真核生物。這些簡單的單細(xì)胞經(jīng)過漫長的歲月，形成了復(fù)雜的生物，例如人。這是個(gè)非常令人驚嘆的過程。

人們對(duì)地球上的生命起源進(jìn)行過非常多的討論和研究，因此有許多不同理論，但并沒有哪種理論特別令人信服。其中的一個(gè)關(guān)鍵問題就在于，開啟地球生命的第一個(gè)有機(jī)分子是完完全全原生于地球的，還是始于其他地方再以某種方式被帶入地球的？根據(jù)實(shí)驗(yàn)和基因分析，科學(xué)家們認(rèn)為地球生命最后的共同祖先，約生活在海底的深海熱液口附近。由于地球上的所有生命形式都是從這個(gè)遙遠(yuǎn)的祖先演化而來，所以它們都有一些共同的屬性和分子，如DNA。

另一個(gè)同樣重要的問題是，單細(xì)胞的前體是如何變成復(fù)雜生物的？由 Lynn Margulis 提出了一個(gè)現(xiàn)已被廣泛接受的思想：即真核細(xì)胞中的線粒體和葉綠體曾經(jīng)都是獨(dú)立的細(xì)菌。在那樣的情況下，生命將僅限于單細(xì)胞細(xì)菌，而古細(xì)菌（原核生物）則不能與細(xì)菌共生合并，最終導(dǎo)致了真核生物的出現(xiàn)。

生命在宇宙中有多普遍？

在過去20多年中，人類發(fā)現(xiàn)了數(shù)以千計(jì)的系外行星，其中少數(shù)幾個(gè)星球或許可作為宜居星球。從概率角度來看，這是否意味著宇宙中的許多地方或許都存在生命呢？畢竟在可觀測宇宙內(nèi)就已經(jīng)有數(shù)以萬億的星系，且每個(gè)星系中又有數(shù)以千億的恒星。

在宇宙138億年的歷史長河中，其他的生命都在哪里呢？或許更高級(jí)的智慧生命傾向于不與文明程度較低的生命接觸，又或者高級(jí)智慧生物因發(fā)展出危險(xiǎn)的科學(xué)技術(shù)而導(dǎo)致了自身的滅亡。還有一種可能性就是高等智慧生物出現(xiàn)的可能性本來就極其的低，因?yàn)樵谶M(jìn)化成高等智慧生物的過程中所面臨的障礙實(shí)在太多了。

生物為何能完成那些復(fù)雜到不可能的任務(wù)？

生物有兩項(xiàng)特別值得驕傲的能力：一個(gè)是蛋白質(zhì)折疊，也就是蛋白質(zhì)鏈形成具有正確生物功能結(jié)構(gòu)的過程；另一個(gè)是形態(tài)發(fā)生，即在一個(gè)初級(jí)單細(xì)胞增殖成一個(gè)完整的有機(jī)體過程中，讓分化細(xì)胞形成像眼睛、心臟、大腦等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的能力。這兩種能力是非常復(fù)雜的，絕非任何計(jì)算機(jī)能模擬或復(fù)制。目前我們?nèi)圆荒芙忾_生物為何能具有如此復(fù)雜能力的奧秘。

我們能夠理解并攻克那些威脅生命的疾病嗎？

幾乎任何器官的生物途徑都是錯(cuò)綜復(fù)雜的，我們掌握的只是其中的一部分。其研究難度在于未知的自由度過大，并且個(gè)體與個(gè)體之間的差異無法逾越，因此我們不禁想問，人類對(duì)疾病根源的探索究竟能走多遠(yuǎn)？對(duì)它的研究需要依靠的是臨床實(shí)驗(yàn)，還是理論系統(tǒng)生物學(xué)的突破？

什么是意識(shí)？

我們與現(xiàn)實(shí)之間的直接接觸都是通過自身對(duì)外界的體驗(yàn)，科學(xué)認(rèn)為這些體驗(yàn)都來自于大腦內(nèi)的神經(jīng)元結(jié)構(gòu)，越來越多用于進(jìn)行神經(jīng)科學(xué)研究的工具可對(duì)大腦的信息做更深層準(zhǔn)確的探索。

據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，不同的心理過程能激發(fā)大腦中不同的部位，但是科學(xué)家仍搞不清楚的是與意識(shí)相關(guān)的自理過程。其中最主要的問題是，科學(xué)家還無法確定意識(shí)的形成是與大腦中的某單一區(qū)域還是多區(qū)域有關(guān)。另一個(gè)重大問題是由意識(shí)引發(fā)的我們能夠感受到的真實(shí)體驗(yàn)，受到了怎樣的物理系統(tǒng)的支持？如何才能判斷另一個(gè)人的體驗(yàn)是否與我們相同？常規(guī)的圖靈試驗(yàn)并不足以為我們提供這些問題的答案。