生命、宇宙、万物——42个基本大问题
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2018-02-01
大大
原理
借鉴昨日，活在当下，憧憬明天。重要的是不要停止发问。 —— 爱因斯坦
42，这个数字对于许多人而言并不陌生。根据道格拉斯·亚当斯（Douglas Adams）在他的科幻作品《银河系漫游指南》一书中的描述，生命、宇宙、万物的终极答案便是42。但42究竟诠释着什么？至少在这里，它意味着42个通往真理的基本大问题：从宇宙学常数问题，到时空和量子场的起源，再到生命和意识之谜。
I. 超越标准模型篇
上个世纪，物理学家经过了几十年的努力发展出了粒子物理学的标准模型，描述了自然界中的三种基本力（电磁力、弱核力和强核力）和基本粒子（夸克、电子等），两个量子场论是它的核心。量子电动力学（QED）描述了光与物质间的相互作用，并和弱核力统一成电弱力。量子色动力学（QCD）则是描述强核力的一个理论。2012年，标准模型迎来了巅峰，希格斯玻色子的发现最终填补了标准模型的最后一块拼图。然而，我们知道它并不是一个终极理论。标准模型没有包括引力，也无法解释中微子为什么有质量等其他问题。因此，多年来物理学家一直致力于寻找超越标准模型的新物理。
1、夸克和轻子是最基本的吗？
为什么世间的万物都有着一些共同的性质？人们很快就意识到，物质其实都是由自然界的一些基本单元构成的。所谓的基本单元是指不能再由更小的物质构成的单元。经历了千年的探索，我们在实验中发现了原子、质子、中子、电子和夸克。现在我们知道，电子（与μ子和τ子被称为轻子）和夸克（共有六种）是不可再分割的。但是，鉴于过去的经历，我们不得不怀疑它们真的是最基本的吗？或许它们是由更小的先子（preon）组成的？又或者它们正如弦理论所预言的那样是由只有普朗克长度大小的弦构成的？ ○ 宇宙中最基本的粒子是什么？| 图片来源：Fermilab
2、家族问题：为什么夸克和轻子有三代？
上夸克、下夸克、电子和电中微子都是被称为费米子的基本粒子，它们构成了我们体验到的万物。但这并不是故事的全部，自然富有深意的又安排了这些费米子的第二代，甚至是第三代。例如，三代带电轻子分别为：电子（发现于1897年）、μ子（发现于1937年）和 τ子（发现于1975年）。它们的性质完全相同，μ子和 τ子只是电子更重的版本而已。物理学家发现，电子可以完成其它两种粒子能做的一切事情，就好像 μ子和 τ子是多余的一样。以至于当 μ子第一次在宇宙射线中被发现的时候，著名的实验家Isidor Rabi怒道：“是谁订的 μ子？” 物理学家把这三种粒子描述为轻子家族的三代，然而，在我们所观测的世界中，似乎只需要第一代的电子就足够了。为什么会有三代？其中必然有更深刻的原因，只是我们还不知道。
○ 费米子：左边是三代夸克上(u)、下(d)、粲(c)、奇(s)、顶(t)及底(b)；右边是三代轻子：电子(e)、μ子和τ子，以及它们相应的中微子(ν)。| 图片来源：Sandbox Studio, Chicago with Ana Kova
3、夸总是被束缚在它们所构成的粒子内吗？其背后的理论为何如此的难？ 根据量子色动力学（QCD），当两个夸克越靠越近时（能量越来越高），它们间的相互作用就越弱，这被称为“渐进自由”。1973年，Frank Wilczek和其他两位物理学家因发现了渐进自由而获得诺贝尔物理学奖，他们描述了在高能下，对强核力进行微扰计算的可能。物理学家相信，在低能量的情况下（距离越来越远），夸克之间的作用力则会越来越强，使夸克永远被禁闭在它们所构成的粒子（比如质子或中子）内，因此宇宙中并没有自由夸克。虽然夸克禁闭是被普遍接受的事实，但从来没有被严格的证明过。
○ 宇宙中并没不存在“自由夸克”。如果把一个上夸克和一个反下夸克强行拉开，所需要的能量越来越高，一旦超过一个点，便会在真空中制造出一对夸克/反夸克对。这是很反直觉的，有点像奇怪的巴拿赫-塔斯基定理（又名“分球怪论”）。| 图片来源：Flip Tanedo of Quantum Diaries
事实上，QCD在许多方面都没有被很好的理解，因为它们是如此的深奥，以至于相关问题也被列为千禧年七大数学难题之一。对QCD更好的理解，能够帮助我们揭开许多谜题。例如，在宇宙学中，夸克-胶子等离子体是非常重要的，它也已经在实验室（比如RHIC和LHC）中被制造出来了。对夸克-胶子等离子的深入研究为我们提供了许多的洞见，但也出现了许多新的问题。此外，对QCD的完整相图的研究也能够应用在核物理和天体物理中，比如更好的描述中子星的内部结构。
4、粒子质量的起源之谜
虽然理论物理学家已经投入了大量的工作，但是并没有理论能够解释标准模型中的费米子的质量，或者说它们与希格斯场的汤川耦合。特别是顶夸克的质量之谜，不仅是因为它的质量相比其它基本粒子是如此之大，也因为它的值接近希格斯场的真空期望值。
同时，中微子质量的发现，为我们需要一个超越标准模型的理论提供了坚实的实验证据。对于每一代的费米子，要么需要加入一个额外的场（如果是狄拉克型的质量，就像电子或夸克那样），要么违反轻子数守恒（如果是马约拉纳型的质量，意味着中微子是自己的反粒子）。我们需要解释为什么中微子具有质量，以及为什么质量那么小。这些问题都可以在大统一理论中找到答案，但大统一理论有很多版本，并没有哪个被普遍接受。目前，我们并不知道中微子的确切质量（中微子振荡实验只测量了质量平方差），也不知道质量是属于马约拉纳型的还是狄拉克型的，又或者两者兼有。此外，正如其它的费米子，目前也没有理论解释中微子质量的基本起源。
○ 我们一般认为物质和反物质是不同的，就像天使与恶魔。但是马约拉纳中微子却同时是天使与恶魔。| 图片来源：Fermilab Today
5、等级问题和超对称
为什么标准模型中的基本粒子的质量要比普朗克质量小那么多？这个问题就是所谓的“等级问题”。我们似乎可以说粒子物理学是一个等级森严的领域。四种基本力的强度悬殊，从强到弱（即从强核力到引力）形成等级。物理学中的不同质量也形成等级，最顶层的是普朗克质量，最底层的就是真空能量。
如果从第一原理预测标准模型的粒子的质量，它们的质量应当约为普朗克质量，大概在能量10^19GeV。但问题是，这比宇宙中已被探测到的质量最大的粒子都要高出17个数量级。特别是希格斯玻色子，它的质量应该非常大，因为它跟如此多的粒子相互作用。
而我们现在已经知道，希格斯玻色子的质量只有125GeV，这跟普朗克能量尺度相差十几个数量级，而不是理论所期待的在同一个等级。因此，我们要问，为什么粒子的质量是我们现在观测到的质量，而不是接近普朗克质量？最优美的一个解决方法是存在一个额外的对称，可以抵消所有普朗克尺度的贡献，使粒子的质量要比普朗克质量低的多。
这就是“超对称”理论背后的想法。超对称做了一个非常大胆的预言：所有的费米子（比如夸克和电子）都有一个玻色子的超对称伙伴，以及所有的玻色子（比如光子，胶子）都有相应的费米子超对称伙伴。在许多超对称理论中，最轻的超对称粒子是一种不带电、稳定的粒子，称为中轻微子。如果找到这些粒子，也可以解释暗物质的问题。虽然超对称理论备受喜爱，但多年来在粒子加速器都没有发现它们，而它们早应该被找到。
○ 左边为标准模型粒子，右边为超对称粒子。| 图片来源：DESY
6、还有哪些未知的粒子等待被发现？
过去，越来越强大的加速器或探测器发现了许多新的粒子，而这很可能会再次发生。有一些新粒子被提出来解决一些特定问题，比如轴子可以解释为什么量子色动力学不违反CP不变性，惰性中微子则被提出来解释中微子振荡实验中的可能观测。其它的新粒子被提出来主要是因为它们在理论上是可能存在的，比如类似标准模型中的额外费米子或玻色子。我们随时可能在实验室中遇到令人惊喜的新发现，因为我们对自然的理解还不完整。
○ 轴子（扩展阅读：《同时解决物理学的五大难题？一个野心勃勃的理论》）。 | 图片来源：Sandbox Studio
7、质子的半径、自旋和衰变之谜
原子中的质子是由三个夸克组成，尽管质子在100多年前就走入我们的视线，但事实表明我们对它还不够了解。当科学家用不同的方法测量质子的半径时惊奇的发现，两种方法给出了不同的半径数值。对半径的精确测量很重要，因为这是对量子电动力学（QED）的检验。如果这种差异在实验中持续出现，或许意味着存在着一个未发现的粒子。
但即使半径之谜解决了，科学家还面临着另一个问题。起初，物理学家认为它的自旋主要来自夸克的贡献。但到了1987年，欧洲μ子实验组进行的一系列高能物理实验引发了所谓的“质子自旋危机”。由CERN、DESY和SLAC所进行的实验给出了令人意外的结果：夸克对质子的自旋贡献仅为30%！如果不是夸克，那又会是什么？在一次最新的大型数值模拟量子色动力学的结果显示，胶子提供了质子一半的自旋。而剩下的20%的质子自旋被认为是来自夸克和胶子的轨道角动量。基于过去几十年的努力，物理学家距离揭开质子自旋的来源越来越近。
○ 事实上，质子内部非常复杂。| 图片来源：APS/Alan Stonebraker
质子的最后一个谜题则跟它的寿命有关。质子可以衰变，是大统一理论一个非常重要的预言。但唯一的问题是，目前实验还没有观测到任何质子衰变的迹象。例如日本的超级神冈探测器一直致力于监测衰变质子释放出的辐射，但没有观测到任何衰变的证据。他们的最新研究成果将质子寿命的下限提高到1.6×10^34年。如果有朝一日我们能够在探测器中观测到质子发生衰变，那就意味着自然界中三种基本力——弱核力、强核力和电磁力——在宇宙早期能够被统一在一起。
8、洛伦兹或CPT不变性会被违反吗？（爱因斯坦的相对论和标准场理论总是有效的吗？）
在最基本的层面，标准模型违反了P和CP（P代表宇称，即镜像中的世界；C代表电荷共轭，即把粒子换成反粒子）对称性，同时在希格斯场凝聚后，也违反了弱同位旋和弱超电荷守恒。1956年，吴健雄通过观察钴-60原子的放射性衰变，验证了杨振宁和李政道的理论：在弱相互作用中宇称不守恒。1964年，James Cronin 和 Val Fitch在实验室中也找到了CP破坏的证据。那么自然而然地要问，是否还存在更多的对称性破缺，无论是在基本层面（超越标准模型的理论），或是由于进一步的对称性破缺（因矢量或张量的凝聚，而非标量场），或因为量子涨落（例如普朗克尺度上的“时空泡沫”）。
特别是，科学家一直致力于寻找违反洛伦兹不变性或CPT不变性的证据，但到目前为止并没有发现任何蛛丝马迹。大多数科学家都同意广义相对论和粒子物理学的标准模型并不是最终的理论。在众多统一理论中，比如弦理论、修正引力理论和非对易量子场论中，都预言了洛伦兹对称性的微小的破缺。因此对洛伦兹不变性的精确检验会指向一条通往正确的统一理论模型的道路。同样的，CPT对称性也是现代物理学的重要支柱，它是指物理定律在电荷共轭、宇称、时间反演的联合变换下保持不变。如果CPT对称性被打破了，就意味着打破了现有的物理学。
○ CPT对称性。| 图片来源：Chad Ozel
9、我们的宇宙稳定吗？
希格斯玻色子具有特殊的质量，其值意味着希格斯势里的基本自耦合参数： 几乎等于零（如果标准模型计算有效的话）。从这个结果来看，希格斯凝聚和我们所知道的宇宙只能勉强算是稳定的。事实上，进一步的计算暗示了我们的宇宙可能处于一种亚稳态，最终会过渡到具有非常不同性质的更加稳定的状态。事实上，这里牵涉到一个非常深刻的问题：如何解释 λ≈0？我们的宇宙是否处于稳定状态呢？
II. 引力和宇宙篇
上个世纪，有两个伟大的理论彻底地改变了我们对自然的理解。其中一个是量子力学，描述了粒子和它们之间的相互作用。另一个则是爱因斯坦的广义相对论，将引力和弯曲的时空联系在一起。100年以来，两者皆经受住了无数次对它们的检验。尽管有许多人都在试图修正爱因斯坦的引力理论，但所有的实验只是不断地证明了爱因斯坦是正确的！特别是这两年，关于引力波探测的进展更是令人喜出望外。广义相对论不仅有许多一开始令人无法接受的预言（比如黑洞和虫洞等），在探索宇宙奥秘的道路上，它也奠定了强有力的理论基础。
当我们谈及宇宙大爆炸或黑洞奇点的时候就会意识到，广义相对论和量子力学必须合二为一才能揭开宇宙更深层的秘密。
自爱因斯坦的时代物理学家就已经开始试图构建一个量子引力理论，即对引力场进行量子化描述的理论，就跟自然界中的其它场一样。在所有理论中，最著名的两个尝试分别为弦理论和圈量子引力。前者将一个粒子的世界线替换成弦的世界面，因此费恩曼图中的线相交被拓展为面相交。后者则认为时空具有“颗粒性”。虽然这两个理论在数学上非常具有吸引力，但它们目前还没有做出可检验的预言。其它的尝试包括因果集理论，因果动态三角剖分理论，渐进安全引力理论和涌现引力理论等。
近年来，物理学家还发现爱因斯坦曾经提出的两个理论有着令人惊喜的关联，该理论用一个方程表示为：ER = EPR。方程左边代表虫洞，右边代表量子纠缠。在这个基础上，Leonard Susskind更是进一步提出GR = QM（广义相对论=量子力学），将二者统一[3]。
自约翰·惠勒提出“黑洞”一词后，科学家、科幻家、小说家等就没有停止过对它的想象。它不仅仅只是理论上的产物，大量天文观测都证实了恒星级黑洞和超大质量黑洞的存在。2018年，黑洞也将迎来历史性的一刻，我们即将看到它的第一张照片！
一直以来，黑洞都是滋生悖论的温床。上个世纪，贝肯斯坦（Jacob Bekenstein）和霍金（Stephen Hawking）提出了黑洞熵和辐射的概念后，争论就从没有停止过。霍金和索恩（Kip Thorne）也为此有过好几次著名的打赌。到目前为止，都是索恩获胜（他还获得了2017年的诺贝尔物理学奖）。贝肯斯坦-霍金熵的公式为 霍金温度定义为 A和κ分别表示黑洞的表面积和表面引力，公式中假定了一些著名的常数ħ = c = G = k = 1。公式中的量同时与引力和量子力学紧密联系，但最基本的问题是为什么熵正比于面积（A）而不是体积。弦理论、圈量子引力理论、以及其它的模型都尝试在四维时空中的真实黑洞或最简单的静态史瓦西黑洞的情况下推导式子（1），但都没有成功。这足以证明，我们并未真正理解黑洞熵的深意。
在1974 - 1975年间，霍金计算了在黑洞周围的量子场实际上会辐射出粒子（即霍金辐射）。辐射会使黑洞失去质量并且变得越来越小，直到黑洞完全蒸发殆尽。自此之后，便诞生了所谓的“黑洞信息悖论”。
根据广义相对论，进入黑洞的信息不会再出来，而被困在黑洞内的信息会因为蒸发而消失。那么，信息去哪了？如果它随着黑洞消失，那就违反了量子理论。或许你会想，难道信息不会储存在霍金辐射中一起出来吗？问题就在于黑洞内的信息是不能跑出来的，因此唯一的可能就是霍金辐射里复制了进入黑洞的物体信息。这样就有两份信息，一份在黑洞外，一份在黑洞里面，不过这也违反了量子理论。当然，另一个最简单的可能性便是：量子力学是不完备的，因此黑洞信息悖论就迫使我们去拓展该理论，就像爱因斯坦的相对论拓展了牛顿的运动定律一样。
之后，为了挽救量子理论，物理学家逐渐提出了互补原理、全息原理等，之后又面临了火墙悖论的困境，问题似乎变得越来越棘手。但有一点可以肯定的是，这个问题和10、11有着密切的关联，或许只有等到我们发展出量子引力理论，该悖论才能得到完美的解决。
1917年，为了描述一个静态的宇宙，爱因斯坦在场方程中引进了一个额外的常数项，称为宇宙学常数，它提供了抵抗引力的排斥作用。然而，当哈勃发现宇宙正在膨胀的时候，爱因斯坦认为这是他一生中犯的最大的错误。而现在看来，这个“错误”或许有着更深的含义。
○ 爱因斯坦为了描述静态的宇宙在场方程中引入了宇宙学常数（Λ）。事实上，宇宙学常数有两种方式可以出现在场方程中，在左边时它充当了几何项，而在右边时它则充当了真空中的能量密度。
根据量子力学，真空本身会有微小的涨落，这些涨落会产生能量。物理学家认为量子真空能量可以充当宇宙学常数的角色。但是，基于量子力学计算的真空能量的值远高于实际观测到的能量密度——高出120个数量级，这个结果被惊叹为“物理学史上最糟糕的理论预测”。这便是宇宙学常数问题[4]。物理学家提出了多重宇宙和人择原理（进一步讨论可参考问题21）等模型来解决理论和观测之间的偏差，但目前并没有统一的意见。
1998年，两个独立的天文小组通过对遥远的超新星爆发的测量得出了一个惊人的结论：宇宙正在加速膨胀！科学家把造成加速膨胀的幕后推手称为“暗能量”。暗能量占据了宇宙总质量和能量的68.3%，它支配着宇宙的终极命运。
但究竟什么是暗能量？在这个问题上，科学家耗费了大量的笔墨和实验观测，一个最简单的解释或许是暗能量就是宇宙学常数，但如上述，我们遇到了问题。也有人提出一些具有奇异性质的粒子能够充当暗能量的角色，比如变色龙粒子，它的性质会随着周围的环境而改变。又或许宇宙中存着一种微弱且长程的第五种基本力，它会抵消掉一点引力的作用。当然，也有一些物理学家认为根本不存在暗能量，只是现有的引力理论需要得到修正。（在2017年发现的双中子星合并中，有一些试图修正引力的理论已经被否定。）虽然有许多的理论被提出，但暗能量依旧保持着它的神秘。
○ 基于Lovelock's theorem，对引力进行修正主要有几个选项，比如添加新的场或假设存在更高维度。双子星合并事件已经排除了其中一些理论。| 图片来源： Tessa Baker
15、宇宙经历了暴胀时期吗？如果是，暴胀又是如何以及为何开始的？
当宇宙的年龄仅为10^-32秒时，宇宙经历了一场指数式的膨胀，这段时期被称为暴胀时期。暴胀理论的提出是为了解释传统大爆炸理论所面临的难题（比如视界问题和平坦性问题） 。但是，暴胀理论面临着几个问题。第一个重要的问题需要由观测来回答，即是否有暴胀的直接证据。第二个需要同时由理论和观测来回答，即暴胀的起源之谜。目前有许多富有竞争力的模型，但都受到许多质疑。2017年，针对于暴胀理论是否是一个科学理论，世界上最富盛名的物理学家都加入了这场辩论。 ○ 2017年2月，一篇题为《POP goes the universe》的文章引发了关于宇宙起源的辩论。详见：《一场关于宇宙起源的大辩论爆发》。| 图片来源： Scientific American
根据粒子物理学的标准模型的预测，在宇宙诞生之初，应该有等量的物质和反物质被创造。而我们知道，当正反物质相遇时会发生湮灭，化作一团能量。理论上，这样的一次大湮灭事件应当发生在138亿年前。但事实是，在那场战役中，物质战胜了反物质，并存活了下来，否则我们就不会在这里寻找这个问题的答案。
○ 当物质和反物质相遇时，会发生湮灭，所有的能量都会以光子的形式释放。| 图片来源：RealLifeLore/YouTube
1968年，物理学家Andrei Sakharov意识到，如果宇宙满足三个条件，那么物质和反物质不对称性就是不可避免的。这三个条件分别是：重子数不守恒、违反C对称（电荷共轭对称）和CP对称（电荷共轭与宇称联合对称性）、以及存在偏离热平衡的相互作用。解决物质-反物质不对称性的理论包括轻子数不对称产生机制、电弱重子数产生机制、Affleck-Dine机制和普朗克/大统一重子数产生机制。
Fritz Zwicky在1930年代和Vera Rubin及她的合作者在1970年代的观测都表明，星系中的引力大多数来自不发光的物质，即所谓的暗物质。近年来许多天文观测数据都倾向于暗物质的存在，它的数量大约是普通物质（比如行星、恒星、气体等）的5到6倍。在宇宙的138亿年的演化过程中，它对星系、星系团和大尺度结构的形成至关重要。
○ 两个星系团间的碰撞合并成一个更大的星系团。这被认为是暗物质的强有力证据。| 图片来源：NASA
但究竟什么是暗物质？我们并不知道，通过天文观测，我们可以推测出暗物质不发光、不反射、也不吸收光。因此，通过普通的光学手段是无法找到它们的踪迹的。科学家提出了许多可能的候选粒子，比如弱相互作用大质量粒子、轴子、惰性中微子、超中性子等等。但到目前为止地底下的大型探测器、太空中的卫星、以及对撞机中均未发现暗物质的踪迹。另一些人则希望通过修正引力来解释暗物质的存在（详见：《谁才是真正的银河护卫者》）。而最近，物理学家 Justin Khoury 和 Lasha Berezhiani 认为，在寒冷、高密度的环境下，暗物质会凝聚成超流体。这个想法得到了越来越多人的青睐。
○ 左边：巨大的星系团之所以能够束缚在一起是因为暗物质提供了额外的引力。在星系团中的暗物质粒子的运动比较随机。右边：单独星系也需要额外的力才能维持，否则星系早就分崩离析。但是普通的暗物质模型无法完美地解释这个力。一个稠密的星系晕中的暗物质可以被凝聚成超流体。而这个超流体可以提供额外的力。| 图片来源：Lucy Reading-Ikkanda
宇宙中遍布中许多不同类型的奇异物体。在我们熟悉的普通恒星内部，辐射压和引力的完美对抗，防止它进一步坍缩。而在白矮星中所发生的事情则更有意思，它是由电子的“简并压”所支撑着。类似地，恒星死亡后另一个结局——中子星，则是由中子简并压支撑。1967年，Jocelyn Bell Burnell发现了快速旋转的中子星——脉冲星。此外，宇宙中也有许多恒星级黑洞，天文学家通过黑洞周围的吸积盘辐射出的X-射线对它们进行观测。而超大质量黑洞被认为普遍存在于大型星系的中心。宇宙中也充满了不同的粒子和辐射，它们都有着不同的起源。
基于过去几十年天文观测带来的惊喜，我们完全有理由期待未来会发现更多令人意想不到的天体。例如，天文学家还没有在宇宙早期形成的第三星族星，它们几乎完全由氢气和氦气构成。又比如Katherine Freese提出来的“暗星”，或者由夸克组成的“夸克星”，或以暗物质湮灭做为能量来源的天体（而不是核反应）。未来，天体物理学充满了无限的可能性。
III. 大问题篇
额外维度、多重宇宙、时间旅行等等听起来像是从科幻小说出才会出现的概念，事实上一直是前沿理论研究的对象。有些人认为我们永远也无法在实验室中检验这些理论，乐观主义者则认为，只要有足够的时间和资源，我们将最终得到令人满意的答案。
亨利·庞加莱曾经说过：“三维语言看起来比四维更加适合用来描述我们的世界。” 在1917年时，物理学家保罗·埃伦费斯特（Paul Ehrenfest）也曾写过一篇富有启发性的论文[5]。在文章中他枚举了许多证据证明三维是描述我们这个世界最完美的维度。如果再加上时间维度，就是我们熟悉的四维时空。但是时空真的只有四维吗？如果是，为什么恰好是四维的？一个真正令人满意的理论应该能够提供一个合理的（非人择的）解释。另外，我们也想要解释为什么时间只有一个坐标？
还有一个深刻的问题是，时空的起源是什么？有一些理论推测，或许我们可以从一些更基本的框架中推导出时空。或许时空是从一些更深层次的量子现象中产生的，那么时空的量子本质是什么？全息原理、Amplituhedron、量子泡沫都尝试回答这个问题，但至今还没有出现过令人信服的结果。
○ Amplituhedron，一种新发现的数学对象，类似于在更高维度中的多面体宝石。它大大简化了粒子间相互作用的计算，并且向时空是现实世界中的基本成分这一概念发起挑战。| 图片来源：Andy Gilmore
在广义相对论发表不久后，数学家 Theodor Kaluza 有了一个绝妙的想法，如果空间是四维，那么他就可以把光和引力——它们看起来毫无共同之处——统一起来。这个美妙的理论连爱因斯坦都心动了。但这个额外维在哪里？物理学家 Oskar Klein 认为 Kaluza 的额外维度会卷曲成看不见的小圆圈（用术语说就是“紧致化”），尺度为10^33厘米。这个尺度太小了，以至于目前任何实验都无法直接探索它的存在。当然，现在我们知道他们的五维统一理论是错误的。
到了1970年代，弦理论家的登场复兴了对额外维度的探索。超弦理论所需要用到的数学要求存在至少十个维度。也就是，为了让描述超弦理论的方程能够运作——连接广义相对论和量子力学的方程，解释自然界中的粒子，统一基本力等等——他们必须发明额外的维度。物理学家必须思考如何紧致化额外的六个维或更多。最后，弦理论家发现，如果用卡拉比-丘空间来代替在空间中卷曲的圆圈，我们就会得到十维：三维空间，加上六维的卡拉比-丘成桐空间，再加上一维时间。
○ 六维的卡拉比-丘空间，正是超弦理论所需要的额外维。| 图片来源：Jeff Bryant
如果存在额外维度，那么接下来更深层的问题就是我们宇宙内部空间的结构。自然规律大概是由这个结构决定的，所以不同的内部空间会对应不同的宇宙：内部空间本质上就是宇宙的基因组。例如，弦理论所预测的可能宇宙的数目高达10的500次方。
多重宇宙，这个令人联想翩翩的概念，实际上是一些最受推崇的理论所预言的，例如：由于暴胀模型在某些方面的不足之处，使许多人认为“永恒暴胀”的设想是极有可能的。在这种设想下，由于新的宇宙会不断地从旧的产生，从而导致宇宙的数量不断的增加。
○ 在永恒暴胀理论中，暴胀永远不会停止。图中红色X的记号代表暴胀停止的区域，比如我们的宇宙。绿色则代表暴胀继续的区域，会一直无限持续下去。| 图片来源：E.Siegel
如果我们把注意力仅限于自己的宇宙，暴胀意味着它的大小远大于局部的可观测宇宙。事实上，它有可能是无限的，具有平坦或开放（双曲线）几何。那么我们单一的宇宙就包含了大量的可观测的宇宙。
而如果我们进一步把注意力放在在可观测宇宙之中，那么由 Hugh Everett 提出的量子力学的多世界诠释暗示着当我们对一个系统进行观测时会分离出无数个平行宇宙，每一个都是波函数的一个可能解，而我们只是在其中一个特定的宇宙。
另外，如果自然是由采取所有可能的路径积分来描述的，那么问题20探讨的每个内部空间就都是有着不同法则的不同宇宙的基础。此外，对于一个给定的内部空间，可以有许多不同的初始条件，也意味着不只有一个宇宙。
当然，多重宇宙是极具争议的，因为它不在正常的科学领域所能掌控的范畴之内。同样极具争议的还有人择原理，简单地说就是我们所居住的宇宙必须是一个满足智慧生命的出现所要求的宇宙。理论物理学家 Brandon Carter 将该原理分为两种：弱人择原理和强人择原理。前者认为，作为观察者的我们之所以存在于这个时空位置，是因为这个位置提供了我们存在的可能；后者则认为，我们的宇宙（同时也包括那些基本的物理常数）必须允许观察者在某一阶段出现。
这个原理通常是由多重宇宙和我们宇宙的许多特征似乎不利于我们存在的事实驱动的。然而，我们生活在一个“适居带宇宙”中，就像我们已生活在一个“适居带行星”上一样。而真正的挑战就在于如何使多重宇宙和/或人择原理成为真正的科学理论。
非阿贝尔规范理论预测了各种可能对宇宙学很重要的拓扑缺陷，其中包括单极子、宇宙弦和畴壁。此外，爱因斯坦的广义相对论允许许多奇特的拓扑结构存在于时空之中，例如虫洞。我们偶尔会在微波背景辐射测量中搜索宇宙非平凡拓扑结构的证据。
○ 虫洞：时空中的捷径。| 图片来源：STOCKERNUMBER2/SHUTTERSTOCK
另外，在时空几何中的裸奇点和闭合类时循环的可能性仍未被解决。这很有意思，因为它们在理论上允许进行反向时间旅行。
宇宙起源，或许是最最基本的大问题了。关于它的奥秘有许多：为什么宇宙需要一个起源？最初出现的场是什么，又是以怎样的状态出现的？为什么初始的熵是如此之低，使得我们能够定义未来的熵增走向？在我们这个特定宇宙的开始之前，是否还存在任何其它东西？
另一方面，科学家一直想知道我们的宇宙的最终命运是什么？由于我们现在仍不知道暗能量究竟是什么，因此前方或许还有更多的惊喜在等着我们发现，我们不知道未来宇宙会走向何方。不同的理论模型对宇宙的过去和未来都有不同的判断。也许宇宙将永远膨胀下去，物质之间的距离被拉的越来越远，最终达到热寂状态；也许在某一个时刻，宇宙会停止膨胀，并开始收缩，直到回复至刚诞生时的状态；也许宇宙会在膨胀和坍缩之间不断的循环自己。
○ 循环宇宙？| 图片来源：Claus Lunau
未来，更多精确的观测将有助于我们对众多模型进行筛选和排除，但可以肯定的是，一个好的预测肯定需要涉及在引力、粒子物理学和宇宙演化上做出根本性的突破。
本质上来说，所有的统一理论（比如大统一、超对称等），都假设了局域洛伦兹不变性（即爱因斯坦的相对论），而非尝试去解释它。Sakharov和其他人试图从真空能量或其他形式的度量弹性中推导出引力，但这些努力都不具有说服力。在费曼等人的早期研究中，从弦理论中推导的引力为自旋为2的场。但问题是弦理论、它的场和它的作用量（action）都是从哪里来的，而且这类思路（如弦理论本身）还并未得到广泛的接受。所以引力的根本来源也是一个未知的大问题。
○ 关于引力，还有许多谜题等待被揭开。| 图片来源：Julien Pacaud
粒子物理学的标准模型中的所有基本力都是由规范场描述的（甚至连引力也是由一个规范理论描述的，尽管是以一个不同的结构呈现的）。它是一种真正意义上用来解释自然界为何会存在这些力的基础理论。它或许也可以解释为何物质与这些场存在一种简单的最小耦合，以及为何它们的作用量存在一种简单的最微形式。
真正基础的理论或许能从更深层的原理中推导出量子力学和量子场。其中涉及到的一个重要问题是量子力学的诠释，目前学界对此还没有达到共识。早在1911年，爱因斯坦就意识到了这个问题，他在大量文章和书籍中都对此进行了质问与思考。但是这些问题至今仍未能被很好的解答，从某种意义上说许多杰出的物理学家仍对波粒二象性（或薛定谔猫和EPR悖论）感到疑惑。但抛开诠释的问题，或许只有这样的基础理论才能解释我们所在的宇宙为何由量子场构成，而这些场又是如何起源的。
○ 通电的导线周围会产生磁场，铁屑在磁场的作用下发生定向排列。| 图片来源：Trevor Clifford Photography/SPL
对一个成功的理论来说，它必须在数学、逻辑和哲学上都保持一致性，并同时能预测实验与观测的结果。但是即便是简单的四维时空中的量子场论，也还没能在数学上做到严格的一致性。
我们对自然的基本法则还远未达到真正理解的地步，数学和物理本质上是一个与自然本身具有相同关系的人类创造，如同一幅承载着由自然所描绘的丰富地形的地图。
在“现实的终极本质”这一话题里，包含着一个古老的问题——“为什么有物存在，而非一切皆空？”对此，哥伦比亚大学的哲学家 Sidney Morgenbesser 的回答就非常有趣，他说：“即便是一切皆空，你还是不会满意！”麻省理工学院的理论物理学教授 Frank Wilczek 的回答或许是最优的，他说：“对于这个古老问题，答案就是——‘空’是不稳定的。”
爱因斯坦有一句同样深刻的名言，他说“这个世界最难以理解的就是它是可被理解的”。什么样的原理可以解释这样一个事实，即现在的宇宙是由简单的规律顺利演化导致、而非随机的混沌胡乱而成的？或许对自然的终极理解，会证实自然就如艾米莉·狄金森在诗中所写：
“自然，是我们所知 却无法巧妙说出 我们的智慧无能为力 面对她的朴素。”
IV. 量子系统和凝聚态物质的奇异行为篇
在过去的几十年中，凝聚态物理学和量子系统的奇异行为是物理学家所热衷研究的对象。物理学家专注于研究包含高度关联电子的材料（比如传统和新奇的超导体）、碳科学的性质（比如石墨烯、碳纳米管和富勒烯等）、新的光学和X-射线技术、能够应用在量子信息处理和量子密码学的技术等等。
在低温下，像氦-4原子这样的玻色子会经历玻色-爱因斯坦凝聚成为超流体。同样的，费米子会形成配对，凝聚成超流体，如果费米子带电则会形成超导体。从氦-3的超流体相，到原子的玻色-爱因斯坦凝聚，再到中子星的中子，这些都是科学家热衷研究的超流体对象。另一方面，超导体的例子也有很多，比如有机超导体、重费米子化合物和高温超导体等等。高温超导体的超导电性机制以及其它特征都有待被阐明。基于这些年来这个领域的蓬勃发展，我们可以期待未来有更重大的发现在等待着我们。
○ 铷原子形成玻色-爱因斯坦凝聚的过程。红色代表凝聚较少的区域，白色则代表非常密集的区域。| 图片来源：NIST/JILA/CU-Boulder
继 Kosterlitz-Thouless 相变、以及整数和分数量子霍尔效应的发现后，拓扑绝缘体是近年来令人惊喜意外的发现。拓扑绝缘体是一种表面导电但内部绝缘的材料。目前，物理学家提出了许多与凝聚态物质系统中的其他拓扑非平凡相和物体有关的理论。
（注：David J. Thouless和Michael Kosterlitz因在拓扑相变和拓扑相研究领域做出了重要的理论发现，而被授予2016年的诺贝尔物理学奖。）
○ 常见的物质相有气体、液体和固体（中间三个），在高温中则有等离子体（最上），而在低温状态下，物质会呈现出我们从未见过的相。最下面显示的是量子凝聚。| 图片来源：Johan Jarnestad
普通物质的涌现性质已经显示出惊人的丰富性。在20世纪和21世纪初，许多奇特的相被发现：如不同形式的磁性、空间结构（如晶体和准晶、电荷密度波、自旋密度波等）、1维和2维材料、纳米结构、软物质（如液晶和聚合物）、以及颗粒体系。
现在，量子相变是一个热门的探索领域。包括普通材料中的电子液体在内的量子液体还没有被很好地理解，而任何液相的存在，都是物质的重大的涌现性质。
流体中的湍流仍是一个未解决的重大问题。更一般的非线性系统也可能潜藏着更多的惊喜，例如混沌和非平衡相变。
等离子体被描述为物质的第四种状态，在天体物理学和地球应用的许多领域中都极为重要。一个尚未实现的旧梦想是，如果在磁约束或惯性约束上有所突破，都将使受控聚变合成为无穷无尽的可用能量来源。
○ 物理学家正试图对所有可能的物质的相进行分类。完整的分类有助于我们发现新的材料和技术。[6] | 图片来源：Olena Shmahalo/Quanta Magazine
32、在高度关联的电子材料中，还有哪些性质等待被发现？
对于许多凝聚态物质系统来说，单电子（或准粒子）的图景运作的如此之好是一件相当奇妙的事。但是电子相关效应可能会导致一些新的现象，而上面提到的那些现象肯定不会就是所有可能性的全部。
33、量子计算机、量子信息和其它基于量子纠缠的应用的未来是什么？
量子纠缠是指两个粒子之间可以保持一种特殊的连接，如果你测量了其中一个粒子的状态，你就粒子知道另一个粒子的状态，无论距离多远，爱因斯坦把这种可以超光速的作用称为“鬼魅般的超距作用”。量子纠缠是发展量子计算和量子信息的关键。举个例子，当有多个量子比特被纠缠的时候，对其中的一个量子比特的操作就会瞬时影响所有其它的量子比特，也就意味着着空前的并行运算能量。但是，由于纠缠态在真实环境中是十分脆弱的，所以目前最大的问题是这些领域的重要性是否能在现实环境中实现。纠缠在量子计算机的物理实现和黑洞信息悖论的解决等问题上越来越受到关注。
光子、电子在基于光子学的新技术（包括光电子学）中起着重要的作用。该领域的前沿研究涉及到更短的激光脉宽、更高的强度、先前无法企及的波长辐射、量子现象的控制以及更多新兴思想的涌现。什么样的新现象会伴随光子、或光子与电子以及其他粒子一起被发现呢？
V. 突破极限篇
35、理论、计算、实验和观测上的技术的极限是什么？
理论：高能物理中的大部分计算都是基于微扰方法的，例如用费图表示的扩展方式。现有的用于实际计算的非微扰技术主要是数值计算，其中最有名的方法是点阵规范理论。但实质上所有用于实际系统的数值方法对计算机的计算时间和内存需求都会迅速增长，并且如何确保收敛性和准确性也并非一件显而易见的事。一个重大的突破将是发现能准确计算出真实系统的重要属性和过程的非微扰技术。
实验：在高能物理学中，更高能量的研究需要重大的创新，才能实现像μ子对撞机、线性〜0.5TeV 电子对撞机、光子对撞机或庞大的强子对撞机，或许最终我们也将实现〜100 TeV的质子对撞。这些实验对实验装置都有着极高的要求。其他的基础实验，如暗物质的直接探测、中微子物理等，都将需要采用越来越大的实验系统。技术创新将有助于让这些实验得以实现，对灵敏度的增加便是其中一项。
计算：计算正迅速与理论和实验比肩，成为支撑物理学研究的第三支柱，而这三个领域中的突破对物理学来说都是同等重要的。现实的模拟在技术上也变得越来越重要。天体物理学中的重要现象常常因自由度过大而无法进行更真实的模拟，这种情况下，对根本性的计算创新的需求或许迫在眉睫。除物理以外，其他科学技术领域对计算的需求也越来越迫切，也只有计算机科学才能产生更优更强的算法。
观测：在过去的100年之中，天文学家观测到了宇宙中的许多奇异现象。从电磁波的各个频段、到中微子天文学、引力波天文学，都是天文学家用来探索宇宙的工具。这两年对引力波的成功探测为我们了解宇宙开辟了一个新的窗口，去年对双子星合并的观测，更是令人惊喜地开启了多信使时代。天文物理学中的许多不解之谜，或许都可借助更先进的技术和更复杂的观测方法得到解答。
无机过程（例如地质学）产生的物质的多样性是很令人称奇的，虽然在生物系统中被开发的物质数量仍大得多。目前来看，我们可以自己设计的化学系统的复杂性似乎没有上限。如果能够将过去两个世纪人类的发现延伸到下个一百万年、甚至上亿年之后，那么什么样的技术是能彻底改变我们后代生活的呢？人工智能算得上是其中一个，它可以以计算机形态（基于经典比特）、或人类形态（基于神经元连接）、亦或是完全未知的形态（例如基于量子状态）存在。我们的后代将如何利用所有的新兴技术？
VI. 生命篇
许多人都听过那只世界上最神秘莫测的猫——薛定谔猫，它是由对量子力学做出杰出贡献的物理学家薛定谔（Erwin Schrodinger）提出的一个思想实验。但薛定谔实际上还有一个非常有意思的工作，是他在1944年基于在都柏林的一系列讲座撰写的一个薄薄的书《什么是生命？》。这本书在DNA的双螺旋结构还未被发现时就预测了DNA的一些重要性质。薛定谔准确地认识到，生物的进化和代与代之间的信息传递的关键是“非周期晶体”——一个永远不会完全重复的原子链。尽管链中的每个链接都含有相同的原子（碳、氮、氧、氢和磷），但它们的不同组合可编码大量的信息。
自薛定谔完成《什么是生命》一书以来，74年过去了，科学家为了解生命如何运作已经走过了一条很漫长的道路，但直至今日，对于生命是什么我们仍没有一个明确的定义。进化是其中的一部分，因为它是与遗传信息的代代相传相关的概念。新陈代谢是其中的一部分，以一种特有的方式改变其环境中的化学平衡。但是，在明显的非生命和生物之间，是一大片难以定义的灰色地带。
病毒就是一种介于生命与非生命物种之间的物种，因为一方面它们不能自行复制；另一方面当有正常活细胞供它们使用时，就可进行非常高效的传播。这是一个在薛定谔年代就为人所知的事实，而这一问题在70多年后的今天变得更加宽泛。是否存在基于外来生物化学的生命形式？它们或许根本不以DNA为中心分子结构？又或者甚至不以碳为中心元素。或许目前于我们而言是未知的原理，能在其他系外行星上产生完全陌生的生命形式。
38、地球上的生命是如何开始的？又是如何演化出复杂的生命形式？
地球形成于太阳系早期。许多证据证明地球上的生命经历过两个主要阶段。首先是单细胞原核生物，再接着是多细胞的真核生物。这些简单的单细胞经过漫长的岁月，形成了复杂的生物，例如人。这是个非常令人惊叹的过程。
人们对地球上的生命起源进行过非常多的讨论和研究，因此有许多不同理论，但并没有哪种理论特别令人信服。其中的一个关键问题就在于，开启地球生命的第一个有机分子是完完全全原生于地球的，还是始于其他地方再以某种方式被带入地球的？根据实验和基因分析，科学家们认为地球生命最后的共同祖先，约生活在海底的深海热液口附近。由于地球上的所有生命形式都是从这个遥远的祖先演化而来，所以它们都有一些共同的属性和分子，如DNA。
另一个同样重要的问题是，单细胞的前体是如何变成复杂生物的？由 Lynn Margulis 提出了一个现已被广泛接受的思想：即真核细胞中的线粒体和叶绿体曾经都是独立的细菌。在那样的情况下，生命将仅限于单细胞细菌，而古细菌（原核生物）则不能与细菌共生合并，最终导致了真核生物的出现。
○ 在NASA的艾姆斯研究中心悬挂的一幅壁画中描述了地球上生命的出现。 | 图片来源：NASA Ames Research Center
在过去20多年中，人类发现了数以千计的系外行星，其中少数几个星球或许可作为宜居星球。从概率角度来看，这是否意味着宇宙中的许多地方或许都存在生命呢？毕竟在可观测宇宙内就已经有数以万亿的星系，且每个星系中又有数以千亿的恒星。
在宇宙138亿年的历史长河中，其他的生命都在哪里呢？或许更高级的智慧生命倾向于不与文明程度较低的生命接触，又或者高级智慧生物因发展出危险的科学技术而导致了自身的灭亡。还有一种可能性就是高等智慧生物出现的可能性本来就极其的低，因为在进化成高等智慧生物的过程中所面临的障碍实在太多了。
生物有两项特别值得骄傲的能力：一个是蛋白质折叠，也就是蛋白质链形成具有正确生物功能结构的过程；另一个是形态发生，即在一个初级单细胞增殖成一个完整的有机体过程中，让分化细胞形成像眼睛、心脏、大脑等复杂结构的能力。这两种能力是非常复杂的，绝非任何计算机能模拟或复制。目前我们仍不能解开生物为何能具有如此复杂能力的奥秘。
几乎任何器官的生物途径都是错综复杂的，我们掌握的只是其中的一部分。其研究难度在于未知的自由度过大，并且个体与个体之间的差异无法逾越，因此我们不禁想问，人类对疾病根源的探索究竟能走多远？对它的研究需要依靠的是临床实验，还是理论系统生物学的突破？
我们与现实之间的直接接触都是通过自身对外界的体验，科学认为这些体验都来自于大脑内的神经元结构，越来越多用于进行神经科学研究的工具可对大脑的信息做更深层准确的探索。
据研究发现，不同的心理过程能激发大脑中不同的部位，但是科学家仍搞不清楚的是与意识相关的自理过程。其中最主要的问题是，科学家还无法确定意识的形成是与大脑中的某单一区域还是多区域有关。另一个重大问题是由意识引发的我们能够感受到的真实体验，受到了怎样的物理系统的支持？如何才能判断另一个人的体验是否与我们相同？常规的图灵试验并不足以为我们提供这些问题的答案。
上面的42个基本问题便是许多科学家日夜奋斗想要解开的谜题，有很多问题看起来似乎没有实际的应用，因为科学家所追求的只是更好的理解自然。正如霍金在《时间简史》中写道：“自文明开始以来，人们不满足于将事件看做互无关联，且不可理解。他们渴望理解世界的根本秩序。今天，我们仍然很想知道，我们为何在此？我们从何而来？人类求知的最深切的意愿足以为我们从事的不断探索提供充足的理由。我们的目标恰恰正是对于我们生存其中的宇宙作出完整的描述。”
注：本文主要参考了文献[1]和[2]，并尽量进行了更简易的描述，任何深入的探讨皆有大量的文献可以参考。从这些文献中你也可以发现许多相关的其它问题，而不仅限于本文中的42个。比如在文献[7]中，就有许多跟引力相关的未解之谜。对数学物理感兴趣的读者，强烈推荐阅读文献[8]，论文中主要讨论了跟经典广义相对论、量子领域和宇宙学相关的开放问题，同时也讨论了著名的希尔伯特问题、斯梅尔问题、西蒙问题、彭罗斯问题以及千禧年大奖问题。
参考文献： | 
发表于 2018-2-3 22:26
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