當(dāng)今物理學(xué)界25大難題

DavidGross：21世紀(jì)物理學(xué)的25個(gè)難題大衛(wèi)·格羅斯【①】作者簡(jiǎn)介：大衛(wèi)·格羅斯（DavidGross），美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院士，加州大學(xué)圣巴巴拉分校（UniversityofCaliforniaatSantaBarbara）卡維利理論物理研究所（KavliInstituteforTheoreticalPhysics

）所長(zhǎng)。格羅斯教授是量子色動(dòng)力學(xué)的奠基人之一，當(dāng)代弦理論專家，因發(fā)現(xiàn)強(qiáng)相互作用中的漸近自由現(xiàn)象2004年與弗蘭克·維爾切克（FrankWilczek）和戴維·波利策（DavidPolitzer）分享了當(dāng)年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。編者按：

1900年，在巴黎國(guó)際數(shù)學(xué)家代表大會(huì)上，德國(guó)數(shù)學(xué)家大衛(wèi)·希爾伯特（DavidHilbert，1864－1943）根據(jù)19世紀(jì)數(shù)學(xué)研究成果和發(fā)展趨勢(shì)，提出了新世紀(jì)數(shù)學(xué)家應(yīng)該致力解決的23個(gè)數(shù)學(xué)問題。希爾伯特的演講，對(duì)20世紀(jì)的數(shù)學(xué)發(fā)展，產(chǎn)生了極大的影響。100余年之后的2004年，另一個(gè)大衛(wèi)，因發(fā)現(xiàn)量子色動(dòng)力學(xué)中的“漸近自由”現(xiàn)象而榮獲2004年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的美國(guó)物理學(xué)家大衛(wèi)·格羅斯教授，同樣就未來物理學(xué)的發(fā)展，提出了25個(gè)問題。也許人們會(huì)說，在物理學(xué)領(lǐng)域提出問題要比數(shù)學(xué)領(lǐng)域容易得多，因?yàn)槲锢韺W(xué)就像大江大河，而數(shù)學(xué)則像尼羅河三角洲中縱橫交錯(cuò)的河網(wǎng)。但若是反過來想一想，既然物理學(xué)界對(duì)前沿問題具有更廣泛的共識(shí)，我們就不難明白，格羅斯教授所提出的問題對(duì)未來物理學(xué)發(fā)展的重要意義。有趣的是，這25個(gè)問題中，有1/3落在物理學(xué)的邊緣地帶，其中3個(gè)與計(jì)算機(jī)科學(xué)相關(guān)，3個(gè)與生物學(xué)相關(guān)，4個(gè)與哲學(xué)和社會(huì)學(xué)相關(guān)。格羅斯教授的演講，最初是為美國(guó)加州大學(xué)卡維利理論物理研究所成立25周年慶典而準(zhǔn)備的，該慶典云集了物理學(xué)各領(lǐng)域的世界一流學(xué)者。此后數(shù)月，格羅斯教授先后在歐洲核子中心（CERN）、中國(guó)科學(xué)院理論物理研究所、浙江大學(xué)等地作過內(nèi)容相近的講演。這份講稿來自于我在2004年10月7日卡維利理論物理研究所（KITP）25周年慶祝會(huì)議上所作的演講。在這次會(huì)議中，與會(huì)者被邀請(qǐng)?zhí)岢鲆恍┛赡芤龑?dǎo)物理學(xué)研究的問題，廣泛地說，在未來25年可能引導(dǎo)物理學(xué)研究的問題，講稿中的一部分內(nèi)容就來自于與會(huì)者所提出的問題。1、宇宙起源第1個(gè)問題關(guān)于宇宙的起源。這個(gè)問題不僅對(duì)于科學(xué)而且對(duì)于哲學(xué)和宗教都是一個(gè)永久的問題?，F(xiàn)在它是理論物理學(xué)和宇宙學(xué)亟待解決的問題：“宇宙是如何開始的？”根據(jù)最新的觀察，我們知道宇宙正在膨脹。因此，如果我們讓時(shí)光倒流，宇宙將會(huì)收縮。如果我們應(yīng)用愛因斯坦方程和我們關(guān)于粒子物理學(xué)的知識(shí)，我們可以或多或少對(duì)哪兒會(huì)出現(xiàn)“初始奇點(diǎn)”做出近似的推斷。在“初始奇點(diǎn)”，宇宙收縮成為一種難以置信的高密度和高能量的狀態(tài)——即通常所稱的“大爆炸”。我們不知道在大爆炸點(diǎn)（atthebigbang）發(fā)生了什么，我們所知的基礎(chǔ)物理的所有方法——不僅是廣義相對(duì)論和標(biāo)準(zhǔn)模型，甚至包括我所知的弦理論——都失靈了。為了理解宇宙是如何開始的，我們需要了解什么是大爆炸。宇宙學(xué)家觀察到微波背景輻射中臨近大爆炸時(shí)發(fā)生的量子漲落的痕跡。這些漲落是宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的起源。因此，對(duì)于宇宙學(xué)和天體物理學(xué)而言，理解在大爆炸點(diǎn)真正發(fā)生了什么是一個(gè)急迫的任務(wù)。有沒有方法能夠直接觀察到臨近大爆炸時(shí)的物理狀態(tài)？我們往回能夠推多遠(yuǎn)？利用普通的輻射，我們能夠回推到大爆炸之后的十萬年左右，但是不能更早。這次會(huì)議上有許多這樣的討論：我們能否利用引力輻射或CMB中的信號(hào)來發(fā)展出新的觀察或理論方法，從而將我們的觀察回推到大爆炸點(diǎn)為止的整個(gè)過程。那么理論的狀況又如何？我們可以確切地說出在宇宙創(chuàng)生時(shí)發(fā)生了什么嗎？弦理論已經(jīng)成功地消除了廣義相對(duì)論中產(chǎn)生的奇點(diǎn)。但是，弦理論能夠處理的奇點(diǎn)不是大爆炸所產(chǎn)生的那種類型。大爆炸所產(chǎn)生的是與時(shí)間無關(guān)的靜態(tài)奇點(diǎn)。弦理論能消除初始奇異點(diǎn)嗎？能告訴我們宇宙是如何開始的嗎？能告訴我們宇宙的初始狀態(tài)是什么，或者宇宙的初始波函數(shù)是什么嗎？一些人推測(cè)根本就不存在一個(gè)起點(diǎn)，而是宇宙很大，隨后塌陷，然后再次膨脹。一些人鼓吹一個(gè)循環(huán)的宇宙。我相信更為可能的是，時(shí)間自身是一個(gè)突現(xiàn)的概念（emergentconcept），如弦理論所暗示的一樣。因此，為了回答諸如

“宇宙是如何開始的”和“時(shí)間是如何開始的”這一類問題，我們需要重新明確表述這些問題或者改變這些問題，就如同在物理學(xué)中經(jīng)常出現(xiàn)的那樣。隨后這些問題可能更容易回答。無論如何，上述問題無疑將在未來引導(dǎo)暴漲宇宙學(xué)和弦論宇宙學(xué)中的大量研究。2、暗物質(zhì)第2個(gè)問題研究的是我們?cè)谧罱鼛啄陜?nèi)發(fā)現(xiàn)的暗物質(zhì)的本質(zhì)?，F(xiàn)在看來，宇宙中絕大多數(shù)物質(zhì)不是由構(gòu)成我們的粒子組成的，而是某種我們不能直接看到的新類型的物質(zhì)。這種“暗物質(zhì)”不發(fā)出輻射，可以推想，它與普通粒子和輻射的相互作用非常微弱。我們只能通過它的引力效應(yīng)而知道它的存在。我們可以通過觀察星系邊緣的普通物質(zhì)的軌道而測(cè)量它的質(zhì)量。結(jié)果是宇宙的25％由暗物質(zhì)組成，而不是由質(zhì)子、中子、夸克或電子構(gòu)成。普通的重子物質(zhì)，即組成我們的物質(zhì)，僅占目前宇宙質(zhì)量或能量密度的3-4％。因此什么是暗物質(zhì)？我們能在實(shí)驗(yàn)室直接觀察到它嗎？它是如何與普通物質(zhì)相互作用的？主流的假設(shè)是暗物質(zhì)由弱相互作用大質(zhì)量粒子（WeaklyInteractingMassiveParticles，WIMP）組成。粒子物理學(xué)家已經(jīng)構(gòu)造出許多推測(cè)模型，這些模型超出了粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型，通常包括許多可能組成暗物質(zhì)的候選粒子。我喜歡的候選粒子是“neutralino”（中性伴隨子），標(biāo)準(zhǔn)模型的超對(duì)稱擴(kuò)展中的最輕的中性粒子，它是構(gòu)成暗物質(zhì)的一個(gè)理想的候選粒子。但是暗物質(zhì)也可能由“軸子”或其他粒子構(gòu)成，軸子是為解決強(qiáng)CP問題而發(fā)明的另外一個(gè)預(yù)測(cè)粒子。于是出現(xiàn)了觀測(cè)問題，我們是否能在實(shí)驗(yàn)室中制造和檢測(cè)暗物質(zhì)？我們能直接探測(cè)到充滿和包圍星系的暗物質(zhì)嗎？暗物質(zhì)在宇宙中是如何分布的？關(guān)于星系的結(jié)構(gòu)和形成，暗物質(zhì)向我們提供了什么信息？在星系的形成和分布的當(dāng)前模型中，暗物質(zhì)扮演了一個(gè)至關(guān)重要的角色。正是暗物質(zhì)進(jìn)行了第一次塌陷，隨后普通物質(zhì)出現(xiàn)，并塌陷成為大塊的暗物質(zhì)（theclumpsofdarkmatter）。我們還不能以充足的定量細(xì)節(jié)來理解星系是如何形成的，為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，我們需要真正理解暗物質(zhì)的本質(zhì)和特性。3、暗能量第3個(gè)問題與最近的發(fā)現(xiàn)有關(guān)，宇宙中的絕大部分能量是一種新形式的能量，即所謂的“暗能量”。暗能量施加負(fù)壓力，負(fù)壓力導(dǎo)致了宇宙膨脹的加速，通過觀察這種加速作用，天體物理學(xué)家已經(jīng)推斷出當(dāng)前宇宙的70％的能量密度是暗能量的形式。這是最近一二十年內(nèi)最神奇和最驚人的發(fā)現(xiàn)之一。什么是暗能量？最簡(jiǎn)單的假設(shè)是暗能量是恒定的，但是它也可能會(huì)隨著時(shí)間而發(fā)生變化，然而，如何從觀察上確定暗能量真是恒定的還是隨著時(shí)間變化？關(guān)于暗能量的最簡(jiǎn)單假設(shè)是它是“宇宙學(xué)常數(shù)”Λ，當(dāng)初愛因斯坦將它引入他的方程以便得出一個(gè)靜態(tài)的宇宙。但是隨后（人們）認(rèn)識(shí)到愛因斯坦的靜態(tài)宇宙是不穩(wěn)定的；而且人們發(fā)現(xiàn)，宇宙不是靜態(tài)的，它正在膨脹。因此，愛因斯坦放棄了宇宙學(xué)常數(shù)。他曾經(jīng)說過Λ是他最大的錯(cuò)誤。但是現(xiàn)在測(cè)量顯示，看來存在一個(gè)不為零的、并具有負(fù)壓力的能量，它看起來就像是一個(gè)宇宙學(xué)常數(shù)。它真是一個(gè)宇宙學(xué)常數(shù)嗎？還是其他東西？我們應(yīng)該怎樣解釋呢？宇宙中的絕大多數(shù)能量是真空能，然而卻不可能“看到”它，除非您測(cè)量整個(gè)宇宙的膨脹，這真是令人驚奇。還有檢測(cè)暗能量的其他方法嗎？4

恒星、行星的形成第4個(gè)問題研究的是更實(shí)際的天體物理問題：比星系小的恒星和行星物體的形成?，F(xiàn)在有一個(gè)關(guān)于恒星形成的合理理論，但它并不是定量的，我們希望讓它成為定量理論。我們能夠真正理解恒星質(zhì)量的范圍嗎？有多少雙星形成？最初雙星被認(rèn)為是罕見的?，F(xiàn)在認(rèn)為所有恒星中至少有一半在雙星中形成。我們可以計(jì)算雙星的頻率嗎？恒星是如何成組的？新的觀察已經(jīng)回溯到第一批恒星形成的時(shí)期，這在一定程度上重新喚起了人們對(duì)這些問題的興趣。第一批恒星形成時(shí)的環(huán)境與今天現(xiàn)存的環(huán)境是不同的。例如，那時(shí)沒有天體物理學(xué)家所稱的“金屬”——比氦重的元素，因?yàn)楸群ぶ氐乃性囟际窃诤阈侵行纬傻?。第一批恒星只有氫和氦。如果恒星形成的理論足夠完善，那么天體物理學(xué)家就可以告訴我們第一批形成的恒星的本質(zhì)。但是，實(shí)際上，觀測(cè)的結(jié)果出乎意料之外，它們與理論預(yù)測(cè)并不相符合。因此，關(guān)于恒星形成的理論以及檢驗(yàn)這些理論的新途徑，還有很多東西我們并不清楚。一個(gè)出現(xiàn)只有大約10年的新論題，是行星形成的理論。我們第一次能夠直接觀察到我們自身的太陽系之外的行星。現(xiàn)在已經(jīng)觀察到幾百顆行星，我們正在開始積累關(guān)于行星系統(tǒng)的真實(shí)數(shù)據(jù)。這是非常有趣的科學(xué)。其中最有趣的事情之一就是尋找我們太陽系之外的生命。因此，我們問道：適宜居住的行星有多大的頻度？銀河系中有多少行星能夠支撐生命？我們能否發(fā)展出從觀察上確定一個(gè)行星上面是否存在生命的技術(shù)？能否通過觀察這些行星的大氣層的譜線而確定它上面是否存在生命？這樣看來，行星理論和行星科學(xué)突然變成一個(gè)非常有活力的領(lǐng)域，受到大部分非常年輕的天體物理學(xué)家的歡迎。這是一個(gè)非常令人激動(dòng)的研究領(lǐng)域。5、廣義相對(duì)論關(guān)于廣義相對(duì)論（GR），愛因斯坦的引力理論，宇宙學(xué)的語言，以及討論宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)的理論框架，存在許多問題。這次會(huì)議的一些與會(huì)者問到：我們目前對(duì)GR的理解在所有尺度上都是正確的嗎？GR在一些案例中已經(jīng)得到了令人十分信服的驗(yàn)證。但是有兩個(gè)區(qū)域我們根本沒有進(jìn)行過實(shí)驗(yàn)。一個(gè)是短距離。事實(shí)上，對(duì)于小于一毫米的距離，我們的確沒有檢驗(yàn)過牛頓的引力理論。另一個(gè)區(qū)域是引力非常強(qiáng)的地方，那里強(qiáng)大的引力造成了空－時(shí)流形的極度彎曲，例如黑洞附近。一個(gè)好的問題是：我們能用觀測(cè)來確定克爾度規(guī)（Kerrmetric）是否正確描述了黑洞周圍的幾何學(xué)嗎？在一個(gè)黑洞形成時(shí)，只要我們知道這個(gè)黑洞的質(zhì)量和自旋，那么它周圍的空間和時(shí)間的幾何學(xué)便是完全確定的。現(xiàn)在人們相信，宇宙中有許多黑洞。事實(shí)上，看來在每個(gè)星系的中心都有一個(gè)質(zhì)量巨大的黑洞。天體物理學(xué)家和理論物理學(xué)家正在設(shè)法解決如何利用對(duì)掉進(jìn)黑洞的物質(zhì)所發(fā)出的輻射的觀測(cè)來確定空間－時(shí)間幾何?；蛟S我們能夠確定克爾度規(guī)是否正確描述了我們的星系中心的黑洞外部的空間－時(shí)間。6、量子力學(xué)現(xiàn)代物理學(xué)的另一個(gè)理論支柱是量子力學(xué)（QM）。有趣的是，這次會(huì)議上，許多最卓越的參與者都在詢問，QM是不是自然的最終解釋。一些人如霍夫特（t’Hooft）就提出，在極小距離上QM可能失效，并設(shè)想它將被一個(gè)決定論性的理論所代替。拉格特（TonyLeggett）關(guān)心QM是否會(huì)在大型的復(fù)雜系統(tǒng)上失效。理由如下：所有學(xué)習(xí)QM的人都知道，當(dāng)你開始考慮薛定鍔貓的時(shí)候，你就會(huì)有點(diǎn)不舒服。在理解貓是如何處于一種死了和活著的疊加態(tài)的時(shí)候，就會(huì)有點(diǎn)困難?；蛟SQM不能描述貓；或許對(duì)于大型的復(fù)雜系統(tǒng)QM可能失效。實(shí)驗(yàn)家非常努力地設(shè)法解決這些問題。在大型的宏觀復(fù)雜系統(tǒng)上檢驗(yàn)QM的嘗試，為實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家提供了強(qiáng)大的動(dòng)力。彭羅斯（RogerPenrose）相信，在你試圖描述心靈（mind），或者一個(gè)具有意識(shí)的系統(tǒng)的時(shí)候，QM將會(huì)失效。維格納（EugeneWigner）也相信這一點(diǎn)。就個(gè)人來說，這三個(gè)問題對(duì)我構(gòu)不成問題，量子力學(xué)我也看不出存在什么問題。但是第四個(gè)問題卻是同樣困擾著我。我們?nèi)绾问褂肣M將宇宙作為一個(gè)整體加以描述？討論宇宙的波函數(shù)的意義是什么呢？在當(dāng)前的暴漲理論中，林德（AndrewLinde）等人在談?wù)撚钪娴牟煌瑓^(qū)域的內(nèi)部暴漲，內(nèi)部暴漲產(chǎn)生了一長(zhǎng)串宇宙，所謂“多宇宙”（multiverse），不同的宇宙彼此之間沒有任何交流。描述這樣一個(gè)“多宇宙”的QM意味著什么？7、粒子物理學(xué)第7個(gè)問題，我們轉(zhuǎn)向粒子物理學(xué)。對(duì)于基本粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型，電弱相互作用和強(qiáng)相互作用的理論，可以提出許多問題。標(biāo)準(zhǔn)模型是一個(gè)極為成功的理論，它符合所有現(xiàn)存的實(shí)驗(yàn)。但是它還有許多未解之謎，還有許多未定的問題，其中一些我們不認(rèn)為可以容易地得到答案。標(biāo)準(zhǔn)模型最神秘的特征是物質(zhì)的基本成分的質(zhì)量和混合（mixing），我們現(xiàn)在相信這些基本成分就是夸克和輕子。它們具有非常奇怪的質(zhì)量譜。頂夸克的質(zhì)量是上夸克質(zhì)量的十萬倍。夸克在各種相互作用下混合。中微子甚至具有一種更為奇特的質(zhì)量模式。這種質(zhì)量譜來自于何處？標(biāo)準(zhǔn)模型，甚至標(biāo)準(zhǔn)模型的簡(jiǎn)單場(chǎng)理論的推廣，對(duì)此確實(shí)給不出好的主意。標(biāo)準(zhǔn)模型的許多其他特征同樣是神秘的。我們?nèi)绾谓忉屩刈拥钠鹪矗恐刈訑?shù)是守恒的嗎？現(xiàn)在我們相信重子數(shù)是不守恒的，因?yàn)闆]有理由認(rèn)為它應(yīng)該守恒。假如是這樣，在大爆炸演化成宇宙時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生重子。我們知道這種情況會(huì)發(fā)生的途徑，以及會(huì)產(chǎn)生宇宙中重子不對(duì)稱的途徑。但是迄今為止，我們?cè)诶碚撋线€不能精確地計(jì)算宇宙中的重子數(shù)。我們應(yīng)該能夠做到這一點(diǎn)。我們的確不知道質(zhì)子能夠存活多久。還有許多其他問題不在標(biāo)準(zhǔn)模型之內(nèi)，這些問題的解決，需要一個(gè)更全面的理論。8、超對(duì)稱依我看來，粒子物理學(xué)的基本問題，無論對(duì)于理論家還是實(shí)驗(yàn)家，都是超對(duì)稱的問題。超對(duì)稱是空間和時(shí)間的相對(duì)論性對(duì)稱的一個(gè)非凡的新擴(kuò)展。如果它是真的，那么空間－時(shí)間還具有額外的量子維度。超對(duì)稱理論表述在超空間中，超空間具有額外的費(fèi)米子維度，這些維度用反對(duì)易數(shù)來度量。超對(duì)稱理論在量子維度到普通空間－時(shí)間維度的旋轉(zhuǎn)下是對(duì)稱的，這就會(huì)導(dǎo)致這樣的預(yù)言，即迄今所知的每個(gè)粒子都存在一個(gè)對(duì)應(yīng)的超對(duì)稱伙伴。支持超對(duì)稱一個(gè)非常強(qiáng)的線索，來自于強(qiáng)、弱和電磁理論向極高能量的外推?，F(xiàn)有的觀察，對(duì)這些力作了極高精度的測(cè)量?；诂F(xiàn)有的觀察和我們手中的那些極其成功的和精確的理論工具，我們可以將標(biāo)準(zhǔn)模型的這些力外推到非常高的能量區(qū)域。借助于這些工具，我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)能量達(dá)到引力作用變得明顯的尺度時(shí)，所有的力都統(tǒng)一起來。但是只有在我們假定理論是超對(duì)稱的，并且超對(duì)稱在TeV尺度以下自發(fā)破缺時(shí)，這種統(tǒng)一才會(huì)實(shí)現(xiàn)。幸運(yùn)的是，這一能級(jí)正是新的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LargeHadronCollider）準(zhǔn)備探測(cè)的能級(jí)，兩年內(nèi)大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)將在CERN運(yùn)行。建造這臺(tái)加速器的主要?jiǎng)訖C(jī)之一和粒子理論家最近十年的主要工作之一就是探索超對(duì)稱存在的可能性。如果我們發(fā)現(xiàn)超對(duì)稱，那么現(xiàn)在的新物理學(xué)在接下來的幾十年內(nèi)將有許多工作要做——設(shè)法理解超對(duì)稱是如何破缺的，并測(cè)量超粒子的質(zhì)量譜。有趣的問題是：如果我們測(cè)量超對(duì)稱粒子的質(zhì)量譜和耦合常數(shù)，那么我們能否利用這些信息對(duì)大統(tǒng)一尺度上，甚或在弦的尺度上的物理學(xué)有更直接的理解嗎？9、量子色動(dòng)力學(xué)最后，在標(biāo)準(zhǔn)模型中，還有一個(gè)問題，第9個(gè)問題，是關(guān)于我所喜歡的理論——量子色動(dòng)力學(xué)（QCD）的。這個(gè)問題，三十年前我以為我就有了答案。我們能夠解QCD嗎？三十年前，我以為答案是肯定的，花上五年時(shí)間就差不多了?？墒?，我們至今也不會(huì)解QCD。在大距離處，相互作用力很強(qiáng)，我們還不能作解析處理。我認(rèn)為，在這個(gè)方向上，最大的希望是構(gòu)造一個(gè)強(qiáng)子和介子的對(duì)偶弦（dualstring）描述。介子是夸克和反夸克組成的束縛態(tài)，看起來就像是流管（fluxtubes），流管的末端是夸克和反夸克，其行為則像弦。事實(shí)上，我們現(xiàn)在有大量的證據(jù)表明，在弦理論和規(guī)范理論之中就存著這樣的一個(gè)對(duì)偶弦描述。如果有人設(shè)想色（NC）的數(shù)目不是3，而是無窮，那么我們就確信存在一個(gè)經(jīng)典弦，它將描述所有的介子。如果我們能夠精確地寫下對(duì)偶弦理論的經(jīng)典方程（人們正在努力尋找），那么我們就可以期望以經(jīng)典的方式求解，這可能并不太難。隨后，我們可以解析地計(jì)算1/NC展開的首項(xiàng)中的強(qiáng)子質(zhì)量譜。這是一個(gè)激動(dòng)人心的目標(biāo)，在過去的幾年中，沿此方向已經(jīng)取得了許多進(jìn)展。在未來的許多年里，這個(gè)問題仍將指導(dǎo)人們探索非微擾的QCD和弦理論。10、弦理論現(xiàn)在我轉(zhuǎn)向弦理論——構(gòu)造一個(gè)所有相互作用的統(tǒng)一理論的雄心勃勃的嘗試。這里的基本問題是：什么是弦理論？我們真的不理解弦理論的核心是什么。我們所有的，不過是在一個(gè)理論的某些局部情形中，有許多不同的描述或計(jì)算方法，而這個(gè)理論本身是什么，我們卻不能真正表述清楚。這真是一種怪異的處境。弦理論的各種表述經(jīng)常是完全不同的。起初，我們是先描述10維空時(shí)中一條弦的經(jīng)典運(yùn)動(dòng)，隨后將這個(gè)系統(tǒng)量子化。但是現(xiàn)在，我們是按普通的（超對(duì)稱的）規(guī)范理論，即標(biāo)準(zhǔn)模型中的楊－米爾斯理論，來表述某些特定的空時(shí)背景中的弦理論。有極強(qiáng)的證據(jù)表明，這些規(guī)范理論在數(shù)學(xué)上等價(jià)于一個(gè)描述在5維反德西特空間（anti-deSitterSpace，具有一個(gè)負(fù)的宇宙學(xué)常數(shù)）中運(yùn)動(dòng)的、可視之為的弦的理論。對(duì)于弦理論，我們還有許多不同的對(duì)偶表述，但是我們不知道該理論以及所有這些對(duì)偶表述的本質(zhì)是什么。這種對(duì)偶性的深層含義還沒有被真正理解。理論有許多不同表述，這些不同的表述看起來差異很大，各自都有不同的基本的動(dòng)力學(xué)對(duì)象，這一事實(shí)對(duì)我們所熟悉的基本性和局域性概念造成了極其嚴(yán)重的威脅。11、空間－時(shí)間的本質(zhì)第11個(gè)問題是：什么是空間－時(shí)間？在弦理論中，許多人相信“空間和時(shí)間或許在劫難逃?！蔽覀冇性S多例子表明在弦理論中空間是一個(gè)突現(xiàn)的概念。我們可以通過改變一個(gè)耦合的強(qiáng)度而輕易地改變空間的維數(shù)。按3維空間的規(guī)范理論表述的弦理論中，額外的6個(gè)維度和引力都是突現(xiàn)出來的。按量子力學(xué)矩陣模型表述的M-理論，其低能部分是用11維的超引力來描述的，其中全部10個(gè)空間維和引力似乎是描述宏觀現(xiàn)象的近似方法。因此，我們有許多不同表述形式的弦理論，其中空間不再是一個(gè)基本概念，而是一個(gè)突現(xiàn)的概念。如果空間是一個(gè)突現(xiàn)的概念，那么時(shí)間也應(yīng)該如此。但是我們?nèi)绾蜗胂髸r(shí)間是突現(xiàn)的呢？我不知道如何從一開始就不用時(shí)間去表述一個(gè)物理學(xué)理論。我相信這一問題的答案，即空間－時(shí)間的真正本質(zhì)，對(duì)于理解弦理論的真實(shí)含義將是必要的，解決這一問題將需要一些革命性的概念。12、物理學(xué)是一門環(huán)境科學(xué)嗎？另一個(gè)引人入勝的問題，第12個(gè)問題，最近弦理論家討論得很多，但比前述問題更普遍。這個(gè)問題就是：物理學(xué)是一門環(huán)境科學(xué)嗎？我更喜歡將這個(gè)問題以下列方式提出：刻畫物理宇宙的所有參數(shù)和定律原則上是可計(jì)算的嗎？還是說，這些參數(shù)和定律在一定程度上是由歷史的或量子力學(xué)的偶然事件所決定的？不可計(jì)算的物理參數(shù)的例子是我們太陽系中行星的半徑。沒有人相信我們可以計(jì)算這些半徑。它們不是基本的。它們由歷史偶然事件所決定的。精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)和夸克與輕子的質(zhì)量又如何呢？似乎，弦理論有許多解，許多可能的基態(tài)或真空。最近有些弦理論家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了他們所謂的“景觀”——宇宙的巨大數(shù)量的亞穩(wěn)態(tài)。一些人認(rèn)為這些亞穩(wěn)態(tài)彼此十分不同。它們具有不同的空間－時(shí)間維數(shù)（很大的空間－時(shí)間維數(shù)），不同的規(guī)范耦合常數(shù)，不同的夸克和輕子的質(zhì)量和數(shù)目。尤其是，它們具有不同的宇宙學(xué)常數(shù)。他們認(rèn)為，當(dāng)宇宙從大爆炸中突現(xiàn)時(shí)，它可能終結(jié)于這些狀態(tài)中的任何一種，或者宇宙的不同區(qū)域可能經(jīng)歷暴脹，并終結(jié)于不同的狀態(tài)。因此我們可能有一個(gè)多元宇宙。多元宇宙的有些部分看起來像這個(gè)，有些部分像那個(gè)，如此等等。那么我們?cè)谀且徊糠帜?？生命存在、星系形成等等只能發(fā)生在多元宇宙中極少數(shù)的幾個(gè)宇宙之中。因此他們?cè)V諸“人擇原理”（anthropicprinciple），來說明我們只能處于生命能夠存在的那很小一部分宇宙之中。他們不去合理地計(jì)算自然常數(shù)的數(shù)值，不去推導(dǎo)出一些基本的規(guī)律，卻希望通過人擇原理保留一些預(yù)測(cè)能力。我個(gè)人根本不喜歡這種方法。我的確認(rèn)為，愛因斯坦在表述自己的信念時(shí)所說的話是正確的，他說：大自然的立法，使得你最終能夠計(jì)算一切；自然的法則如此強(qiáng)大，以至所有的參數(shù)都能夠完全確定、不可更改，否則就會(huì)破壞整個(gè)理論。但是否如此，仍然是一個(gè)懸而未決的問題。13、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)第13個(gè)問題是運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)之間的傳統(tǒng)差別是否還將存在。在物理學(xué)中，傳統(tǒng)上我們所說的運(yùn)動(dòng)學(xué)，指的是物理學(xué)的框架，比如量子場(chǎng)論或量子力學(xué)，或者早期的經(jīng)典場(chǎng)論或經(jīng)典力學(xué)。在這樣一個(gè)框架中，我們引入一個(gè)特定的動(dòng)力學(xué)，比如標(biāo)準(zhǔn)模型。但是你可以在同一運(yùn)動(dòng)學(xué)框架中引入不同的動(dòng)力學(xué)規(guī)律；這取決于你。如果你仔細(xì)想一想，你就會(huì)覺得這種運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的分離是多么奇怪。我相信，在我們?cè)噲D理解弦理論和空間－時(shí)間的本質(zhì)時(shí)，這種差別將會(huì)變得模糊。將來我們會(huì)有一個(gè)框架，不再被分成運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)，只有一個(gè)可想象的動(dòng)力學(xué)，它與運(yùn)動(dòng)學(xué)框架交織在一起。隨后，量子力學(xué)可能會(huì)作為不可避免的、不那么神秘的結(jié)論而突現(xiàn)出來。14、凝聚態(tài)物理凝聚態(tài)物理，與物理學(xué)其他領(lǐng)域相比，更多是由實(shí)驗(yàn)來推動(dòng)的。因此當(dāng)我請(qǐng)凝聚態(tài)物理學(xué)家為我提出問題時(shí)，他們?cè)S多人頗不情愿。他們說，“我們不提出問題，我們應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)。”但是當(dāng)我進(jìn)一步詢問時(shí)，我得到了一些好問題。其中之一涉及可能的新物質(zhì)態(tài)，這是凝聚態(tài)物理中一個(gè)激動(dòng)人心的領(lǐng)域，探索的是那些不能由朗道所發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)理論范式——費(fèi)米液體理論——所描述的物理系統(tǒng)。量子霍爾系統(tǒng)就屬于這一類，在過去的一二十年里，弄清它的結(jié)構(gòu)一直是非常激動(dòng)人心的工作。但是，是否存在其他種類的凝聚態(tài)相互作用系統(tǒng)，它們也表現(xiàn)出非費(fèi)米液體的行為，并且可以通過常規(guī)的方式在實(shí)驗(yàn)中觀察得到？理論家迄今已經(jīng)發(fā)展出許多非常有趣的數(shù)學(xué)模型，這些模型已經(jīng)超出了費(fèi)米液體理論的描述范圍。關(guān)于高溫超導(dǎo)，人們已經(jīng)提出了不少模型，但迄今我們?nèi)圆焕斫飧邷爻瑢?dǎo)。自然界中是否真的會(huì)有非費(fèi)米液體行為的凝聚態(tài)物質(zhì)系統(tǒng)，現(xiàn)在還是一個(gè)未知數(shù)。15、復(fù)雜動(dòng)力系統(tǒng)25年前，KITP剛成立的時(shí)候，對(duì)呈現(xiàn)出復(fù)雜和混沌行為的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的研究，是一個(gè)非常時(shí)髦的領(lǐng)域。25年之后，這次會(huì)議的一個(gè)與會(huì)者問道：“現(xiàn)在，當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的時(shí)候，我們將它放到一個(gè)大型計(jì)算機(jī)上進(jìn)行分析，我們從計(jì)算機(jī)模擬中得到數(shù)據(jù)，但是我們?nèi)绾翁幚頂?shù)據(jù)呢？我們?nèi)绾卫斫馑兀俊蔽覀冎?，這些復(fù)雜系統(tǒng)的預(yù)言能力具有內(nèi)在的局限性。它們通常都有混沌的特征。但是僅憑模擬，理論家還不能斷定，你所看到的究竟是一個(gè)復(fù)雜的難以計(jì)算的系統(tǒng)，還是一個(gè)具有某些有趣的混沌動(dòng)力學(xué)行為的系統(tǒng)。因此對(duì)于理論家來說，急需開發(fā)工具去分析這些復(fù)雜的計(jì)算機(jī)模擬，以便了解隱藏在這些復(fù)雜數(shù)據(jù)之下的基礎(chǔ)是什么。16、量子計(jì)算機(jī)量子計(jì)算是一個(gè)嶄新的領(lǐng)域，大概只有10年之久，目標(biāo)是建造一臺(tái)使用量子元件的計(jì)算機(jī)。也已證明，在某些情況下，量子計(jì)算機(jī)的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)勝于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，優(yōu)勢(shì)是指數(shù)級(jí)的。對(duì)理論家來講，這里最有趣的問題，第16個(gè)問題，是：量子計(jì)算機(jī)將是無聲的或耳聾的嗎？建造一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，關(guān)鍵問題是防止量子系統(tǒng)退相干。如果一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)由于它與周圍環(huán)境不可避免的相互作用而發(fā)生退相干，那么它就變成了一臺(tái)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。防止一個(gè)量子態(tài)與環(huán)境發(fā)生相互作用是困難的。有兩個(gè)策略：一個(gè)是“無聲”策略——將計(jì)算機(jī)的量子比特與周圍環(huán)境隔絕開來，從而盡可能地降低噪音。另外一個(gè)方法是建造一臺(tái)“耳聾”的計(jì)算機(jī)，這里信息由拓?fù)湫詼?zhǔn)粒子攜帶，拓?fù)湫詼?zhǔn)粒子是非局域的，不能被破壞，因此不受環(huán)境噪音的影響。這是一個(gè)比較新的、使人著迷的量子計(jì)算機(jī)方案。這里的問題是，要證明存在這樣的凝聚態(tài)物質(zhì)系統(tǒng)，它們具有可以操控的拓?fù)浼ぐl(fā)態(tài)。最后，我們真的能夠建造一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)嗎？量子計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)是基本量子比特（qubits），例如像自旋；自旋可以向上或向下，對(duì)應(yīng)于0或1，但實(shí)際上卻是量子力學(xué)的。真正的計(jì)算需要10,000個(gè)量子比特，但是此刻我們只能建造2或3個(gè)量子比特的計(jì)算機(jī)，距離10,000個(gè)量子比特還有很長(zhǎng)一段路。17、高溫超導(dǎo)體我們的周年紀(jì)念會(huì)議上主要是從事基礎(chǔ)研究的理論家，但下一個(gè)問題，即第17個(gè)問題，卻是關(guān)于應(yīng)用的，這是一個(gè)非常有趣的問題。我們能不能懂得如何制造室溫甚至室溫以上的超導(dǎo)材料？按凝聚態(tài)物理學(xué)家所說，沒有理由相信你不能得到室溫超導(dǎo)體。然而，當(dāng)前的理論還不夠好，不能斷定是否可能獲得室溫超導(dǎo)體。另外一個(gè)吸引人的問題是：我們能不能懂得如何制造室溫鐵磁體——一種普通的，但不是由鐵，而是由可加工處理的電子（半導(dǎo)體）材料制成的鐵磁體？如果可以，那么人們就可以在微觀層次上對(duì)它進(jìn)行操作，對(duì)理論家來說這是一個(gè)非常有趣的目標(biāo)和一個(gè)極好的題目。18、生物學(xué)現(xiàn)在我們轉(zhuǎn)向生物學(xué)，它是許多軟凝聚態(tài)物理學(xué)家開始感興趣的一個(gè)領(lǐng)域。今天在生物學(xué)的世界中有許多漂亮的數(shù)據(jù)，例如人類基因組。我們能夠基于所有這些數(shù)據(jù)來理解生命嗎？存在一個(gè)生物學(xué)的理論嗎？或者，生命僅是一個(gè)歷史偶然事件嗎？這看起來是一個(gè)非常困難的問題。理論物理學(xué)家很擅長(zhǎng)理解復(fù)雜系統(tǒng)。但是生物系統(tǒng)與凝聚態(tài)物質(zhì)系統(tǒng)是不同的。物理學(xué)家對(duì)此能有所幫助嗎？除了計(jì)算和描述物理現(xiàn)象時(shí)所發(fā)展的數(shù)學(xué)，還需要新的數(shù)學(xué)去描述生物學(xué)嗎？在生物學(xué)中我們必須處理許多不同時(shí)間尺度上的動(dòng)力學(xué)，這可能是（需要新數(shù)學(xué)的）一個(gè)原因。在你的神經(jīng)元和你的基因組中，時(shí)時(shí)刻刻——在納秒或更小的時(shí)間尺度上——都有重要的變化在發(fā)生。長(zhǎng)此以往，這些變化會(huì)對(duì)生命造成經(jīng)年累月的影響。物理學(xué)還沒有處理過這類問題，因此估計(jì)需要新方法或新數(shù)學(xué)。19、基因組學(xué)物理學(xué)家特別感興趣的，并且已開始投身其中的一個(gè)領(lǐng)域，就是基因組學(xué)?，F(xiàn)在我們手中有了完整的藍(lán)圖，人類基因組。舉例來說，我們可以利用基因組去理解進(jìn)化嗎？人們能夠利用基因組去比較不同人之間的DNA，從而追溯物種在過去進(jìn)化的歷史。理論家能否用理論物理學(xué)的方法將進(jìn)化史變成一個(gè)定量的甚至可預(yù)測(cè)的科學(xué)嗎？我特別喜歡的一個(gè)問題是：我們能夠通過基因組而獲知一個(gè)有機(jī)體的形態(tài)嗎？我想，20年之后，借助于物理學(xué)和物理學(xué)家的大量幫助，理論生物學(xué)可能會(huì)到達(dá)這樣一個(gè)階段：到那時(shí)，理論生物學(xué)課程的期終考試將會(huì)給學(xué)生們一小段DNA，要求他們基于這個(gè)DNA片段畫出有機(jī)體的圖像。20、神經(jīng)科學(xué)神經(jīng)科學(xué)是物理學(xué)家已經(jīng)工作了許多年的另一個(gè)領(lǐng)域。這是因?yàn)槔斫獯竽X是如何工作的這一問題是一個(gè)激動(dòng)人心和富有挑戰(zhàn)性的問題。物理學(xué)家喜歡挑戰(zhàn)性的問題。很清楚，我們需要一個(gè)理論去理解大腦是如何工作的，沒有模型僅有觀察達(dá)不到目的。在大腦研究中一個(gè)最吸引人的問題是意識(shí)的本質(zhì)。更精確地講：記憶和意識(shí)背后的原理是什么？我特別喜歡的一個(gè)問題是：我們能夠測(cè)量一個(gè)嬰兒的意識(shí)是何時(shí)開始的嗎？子宮內(nèi)的一個(gè)胚胎大概是無意識(shí)的。在你13歲的時(shí)候，你可能具有了意識(shí)。在胚胎和青少年之間的某個(gè)時(shí)間，意識(shí)出現(xiàn)了。什么時(shí)候？?jī)商?，兩個(gè)星期，兩年？你如何去測(cè)量是在什么時(shí)候意識(shí)開始出現(xiàn)的？它是突然出現(xiàn)的嗎（一級(jí)相變，還是連續(xù)相變）？如果你能夠告訴一個(gè)實(shí)驗(yàn)者如何去測(cè)量這個(gè)相變的本質(zhì)，那么你對(duì)于意識(shí)可能是什么已經(jīng)有了很多了解。另一個(gè)好問題是：我們是否能夠制造出一臺(tái)有意識(shí)的、有自由意志的、而且行為具有目的性的活機(jī)器嗎？21、計(jì)算物理學(xué)圍繞計(jì)算物理學(xué)產(chǎn)生了許多問題。作為理論物理學(xué)的一種方法，計(jì)算物理學(xué)在最近一些年變得非常重要?，F(xiàn)在，許多科學(xué)家和物理學(xué)家，在遇到難題的時(shí)候，已經(jīng)不是在紙上進(jìn)行計(jì)算，而是在計(jì)算機(jī)上模擬這個(gè)問題。第21個(gè)問題是：計(jì)算機(jī)將會(huì)替代分析技術(shù)嗎？如果這成為事實(shí)，那么我們需要改變對(duì)物理學(xué)家的訓(xùn)練嗎？數(shù)百年來，我們一直使用同樣的方法去教導(dǎo)學(xué)生。我們很少教導(dǎo)他們?nèi)绾问褂糜?jì)算機(jī)，如何進(jìn)行數(shù)值模擬。我們教導(dǎo)他們?nèi)绾斡?jì)算積分，如何解偏微分方程。我們要改變培養(yǎng)物理學(xué)家的方法嗎？最終，維爾切克（FrankWilczek）問道：“何時(shí)計(jì)算機(jī)將成為具有創(chuàng)造力的理論物理學(xué)家？”注意，他沒有問“是否”，而是問“何時(shí)”。我們將如何培訓(xùn)它們呢？這是一個(gè)非常有趣的問題，在我們擁有一臺(tái)可以成為具有創(chuàng)造力的理論物理學(xué)家的計(jì)算機(jī)之前，還有時(shí)間供我們作長(zhǎng)期思考。我們是按照培訓(xùn)一個(gè)人的方式培訓(xùn)一臺(tái)計(jì)算機(jī)，還是以一種不同的方式？對(duì)于人我們從經(jīng)典力學(xué)開始，隨后教授電學(xué)和磁學(xué)，然后是量子力學(xué)。對(duì)于計(jì)算機(jī)我們是否一開始就教它們弦理論，隨后推導(dǎo)量子場(chǎng)論和作為近似的經(jīng)典物理學(xué)？我不知道。這是一個(gè)可以思考的有趣問題。22、物理學(xué)的統(tǒng)一關(guān)于科學(xué)社會(huì)學(xué)，人們也提出了許多問題。尤其是，有不少問題