21世纪物理学的25个难题

21世纪物理学的25个难题大卫·格罗斯1[①]编者按：1900年，在巴黎国际数学家代表大会上，德国数学家大卫·希尔伯特（David Hilbert，1864－1943）根据19世纪数学研究成果和发展趋势，提出了新世纪数学家应该致力解决的23个数学问题。

希尔伯特的演讲，对20世纪的数学发展，产生了极大的影响。

100余年之后的2004年，另一个大卫，因发现量子色动力学中的“渐近自由”现象而荣获2004年诺贝尔物理学奖的美国物理学家大卫·格罗斯教授，同样就未来物理学的发展，提出了25个问题。

也许人们会说，在物理学领域提出问题要比数学领域容易得多，因为物理学就像大江大河，而数学则像尼罗河三角洲中纵横交错的河网。

但若是反过来想一想，既然物理学界对前沿问题具有更广泛的共识，我们就不难明白，格罗斯教授所提出的问题对未来物理学发展的重要意义。

有趣的是，这25个问题中，有1/3落在物理学的边缘地带，其中3个与计算机科学相关，3个与生物学相关，4个与哲学和社会学相关。

格罗斯教授的演讲，最初是为美国加州大学卡维利理论物理研究所成立25周年庆典而准备的，该庆典云集了物理学各领域的世界一流学者。

此后数月，格罗斯教授先后在欧洲核子中心（CERN）、中国科学院理论物理研究所、浙江大学等地作过内容相近的讲演。

这里的译文，系根据格罗斯教授所提供的讲稿译出，中科院理论物理所网站有免费下载的讲演录相（/ Video/2005/000.asf），读者也可以参考。

作者简介：大卫·格罗斯（David Gross），美国国家科学院院士，加州大学圣巴巴拉分校（University of California at Santa Barbara）卡维利理论物理研究所（Kavli Institute for Theoretical Physics ）所长。

格罗斯教授是量子色动力学的奠基人之一，当代弦理论专家，因发现强相互作用中的渐近自由现象2004年与弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）和戴维·波利策（David Politzer）分享了当年度的诺贝尔物理学奖。

这份讲稿来自于我在2004年10月7日卡维利理论物理研究所（KITP）25周年庆祝会议上所作的演讲。

在这次会议中，与会者被邀请提出一些可能引导物理学研究的问题，广泛地说，在未来25年可能引导物理学研究的问题，讲稿中的一部分内容就来自于与会者所提出的问题。

1、宇宙起源第1个问题关于宇宙的起源。

这个问题不仅对于科学而且对于哲学和宗教都是一个永久的问题。

现在它是理论物理学和宇宙学亟待解决的问题：“宇宙是如何开始的？”根据最新的观察，我们知道宇宙正在膨胀。

因此，如果我们让时光倒流，宇宙将会收缩。

如果我们应用爱因斯坦方程和我们关于粒子物理学的知识，我们可以或多或少对哪儿会出现“初始奇点”做出近似的推断。

在“初始奇点”，宇宙收缩成为一种难以置信的高密度和高能量的状态——即通常所称的“大爆炸”。

我们不知道在大爆炸点（at the big bang）发生了什么，我们所知的基础物理的所有方法——不仅是广义相对论和标准模型，甚至包括我所知的弦理论——都失灵了。

1[①]作者简介：大卫·格罗斯（David Gross），美国国家科学院院士，加州大学圣巴巴拉分校（University of California at Santa Barbara）卡维利理论物理研究所（Kavli Institute for Theoretical Physics ）所长。

格罗斯教授是量子色动力学的奠基人之一，当代弦理论专家，因发现强相互作用中的渐近自由现象2004年与弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）和戴维·波利策（David Politzer）分享了当年度的诺贝尔物理学奖。

为了理解宇宙是如何开始的，我们需要了解什么是大爆炸。

宇宙学家观察到微波背景辐射中临近大爆炸时发生的量子涨落的痕迹。

这些涨落是宇宙大尺度结构的起源。

因此，对于宇宙学和天体物理学而言，理解在大爆炸点真正发生了什么是一个急迫的任务。

有没有方法能够直接观察到临近大爆炸时的物理状态？我们往回能够推多远？利用普通的辐射，我们能够回推到大爆炸之后的十万年左右，但是不能更早。

这次会议上有许多这样的讨论：我们能否利用引力辐射或CMB中的信号来发展出新的观察或理论方法，从而将我们的观察回推到大爆炸点为止的整个过程。

那么理论的状况又如何？我们可以确切地说出在宇宙创生时发生了什么吗？弦理论已经成功地消除了广义相对论中产生的奇点。

但是，弦理论能够处理的奇点不是大爆炸所产生的那种类型。

大爆炸所产生的是与时间无关的静态奇点。

弦理论能消除初始奇异点吗？能告诉我们宇宙是如何开始的吗？能告诉我们宇宙的初始状态是什么，或者宇宙的初始波函数是什么吗？一些人推测根本就不存在一个起点，而是宇宙很大，随后塌陷，然后再次膨胀。

一些人鼓吹一个循环的宇宙。

我相信更为可能的是，时间自身是一个突现的概念（emergent concept），如弦理论所暗示的一样。

因此，为了回答诸如“宇宙是如何开始的”和“时间是如何开始的”这一类问题，我们需要重新明确表述这些问题或者改变这些问题，就如同在物理学中经常出现的那样。

随后这些问题可能更容易回答。

无论如何，上述问题无疑将在未来引导暴涨宇宙学和弦论宇宙学中的大量研究。

2、暗物质第2个问题研究的是我们在最近几年内发现的暗物质的本质。

现在看来，宇宙中绝大多数物质不是由构成我们的粒子组成的，而是某种我们不能直接看到的新类型的物质。

这种“暗物质”不发出辐射，可以推想，它与普通粒子和辐射的相互作用非常微弱。

我们只能通过它的引力效应而知道它的存在。

我们可以通过观察星系边缘的普通物质的轨道而测量它的质量。

结果是宇宙的25％由暗物质组成，而不是由质子、中子、夸克或电子构成。

普通的重子物质，即组成我们的物质，仅占目前宇宙质量或能量密度的3-4％。

因此什么是暗物质？我们能在实验室直接观察到它吗？它是如何与普通物质相互作用的？主流的假设是暗物质由弱相互作用大质量粒子（Weakly Interacting Massive Particles，WIMP）组成。

粒子物理学家已经构造出许多推测模型，这些模型超出了粒子物理学的标准模型，通常包括许多可能组成暗物质的候选粒子。

我喜欢的候选粒子是“neutralino”（中性伴随子），标准模型的超对称扩展中的最轻的中性粒子，它是构成暗物质的一个理想的候选粒子。

但是暗物质也可能由“轴子”或其他粒子构成，轴子是为解决强CP问题而发明的另外一个预测粒子。

于是出现了观测问题，我们是否能在实验室中制造和检测暗物质？我们能直接探测到充满和包围星系的暗物质吗？暗物质在宇宙中是如何分布的？关于星系的结构和形成，暗物质向我们提供了什么信息？在星系的形成和分布的当前模型中，暗物质扮演了一个至关重要的角色。

正是暗物质进行了第一次塌陷，随后普通物质出现，并塌陷成为大块的暗物质（the clumps of dark matter）。

我们还不能以充足的定量细节来理解星系是如何形成的，为了达到这个目标，我们需要真正理解暗物质的本质和特性。

3、暗能量第3个问题与最近的发现有关，宇宙中的绝大部分能量是一种新形式的能量，即所谓的“暗能量”。

暗能量施加负压力，负压力导致了宇宙膨胀的加速，通过观察这种加速作用，天体物理学家已经推断出当前宇宙的70％的能量密度是暗能量的形式。

这是最近一二十年内最神奇和最惊人的发现之一。

什么是暗能量？最简单的假设是暗能量是恒定的，但是它也可能会随着时间而发生变化，然而，如何从观察上确定暗能量真是恒定的还是随着时间变化？关于暗能量的最简单假设是它是“宇宙学常数”Λ，当初爱因斯坦将它引入他的方程以便得出一个静态的宇宙。

但是随后（人们）认识到爱因斯坦的静态宇宙是不稳定的；而且人们发现，宇宙不是静态的，它正在膨胀。

因此，爱因斯坦放弃了宇宙学常数。

他曾经说过Λ是他最大的错误。

但是现在测量显示，看来存在一个不为零的、并具有负压力的能量，它看起来就像是一个宇宙学常数。

它真是一个宇宙学常数吗？还是其他东西？我们应该怎样解释呢？宇宙中的绝大多数能量是真空能，然而却不可能“看到”它，除非您测量整个宇宙的膨胀，这真是令人惊奇。

还有检测暗能量的其他方法吗？4恒星、行星的形成第4个问题研究的是更实际的天体物理问题：比星系小的恒星和行星物体的形成。

现在有一个关于恒星形成的合理理论，但它并不是定量的，我们希望让它成为定量理论。

我们能够真正理解恒星质量的范围吗？有多少双星形成？最初双星被认为是罕见的。

现在认为所有恒星中至少有一半在双星中形成。

我们可以计算双星的频率吗？恒星是如何成组的？新的观察已经回溯到第一批恒星形成的时期，这在一定程度上重新唤起了人们对这些问题的兴趣。

第一批恒星形成时的环境与今天现存的环境是不同的。

例如，那时没有天体物理学家所称的“金属”——比氦重的元素，因为比氦重的所有元素都是在恒星中形成的。

第一批恒星只有氢和氦。

如果恒星形成的理论足够完善，那么天体物理学家就可以告诉我们第一批形成的恒星的本质。

但是，实际上，观测的结果出乎意料之外，它们与理论预测并不相符合。

因此，关于恒星形成的理论以及检验这些理论的新途径，还有很多东西我们并不清楚。

一个出现只有大约10年的新论题，是行星形成的理论。

我们第一次能够直接观察到我们自身的太阳系之外的行星。

现在已经观察到几百颗行星，我们正在开始积累关于行星系统的真实数据。

这是非常有趣的科学。

其中最有趣的事情之一就是寻找我们太阳系之外的生命。

因此，我们问道：适宜居住的行星有多大的频度？银河系中有多少行星能够支撑生命？我们能否发展出从观察上确定一个行星上面是否存在生命的技术？能否通过观察这些行星的大气层的谱线而确定它上面是否存在生命？这样看来，行星理论和行星科学突然变成一个非常有活力的领域，受到大部分非常年轻的天体物理学家的欢迎。

这是一个非常令人激动的研究领域。

5、广义相对论关于广义相对论（GR），爱因斯坦的引力理论，宇宙学的语言，以及讨论宇宙的大尺度结构的理论框架，存在许多问题。

这次会议的一些与会者问到：我们目前对GR的理解在所有尺度上都是正确的吗？GR在一些案例中已经得到了令人十分信服的验证。

但是有两个区域我们根本没有进行过实验。

一个是短距离。

事实上，对于小于一毫米的距离，我们的确没有检验过牛顿的引力理论。

另一个区域是引力非常强的地方，那里强大的引力造成了空－时流形的极度弯曲，例如黑洞附近。

一个好的问题是：我们能用观测来确定克尔度规（Kerr metric）是否正确描述了黑洞周围的几何学吗？在一个黑洞形成时，只要我们知道这个黑洞的质量和自旋，那么它周围的空间和时间的几何学便是完全确定的。