借鑒昨日盟步，活在當下藏斩，憧憬明天。重要的是不要停止發(fā)問却盘≌颍—— 愛因斯坦

42，這個數(shù)字對于許多人而言并不陌生黄橘。根據(jù)道格拉斯·亞當斯（Douglas Adams）在他的科幻作品《銀河系漫游指南》一書中的描述兆览，生命、宇宙塞关、萬物的終極答案便是42抬探。但42究竟詮釋著什么？至少在這里帆赢，它意味著42個通往真理的基本大問題：從宇宙學常數(shù)問題小压，到時空和量子場的起源，再到生命和意識之謎匿醒。

I. 超越標準模型篇

上個世紀场航，物理學家經(jīng)過了幾十年的努力發(fā)展出了粒子物理學的標準模型，描述了自然界中的三種基本力（電磁力廉羔、弱核力和強核力）和基本粒子（夸克溉痢、電子等），兩個量子場論是它的核心憋他。量子電動力學（QED）描述了光與物質(zhì)間的相互作用孩饼，并和弱核力統(tǒng)一成電弱力。量子色動力學（QCD）則是描述強核力的一個理論竹挡。2012年镀娶，標準模型迎來了巔峰，希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)最終填補了標準模型的最后一塊拼圖揪罕。然而梯码，我們知道它并不是一個終極理論。標準模型沒有包括引力好啰，也無法解釋中微子為什么有質(zhì)量等其他問題轩娶。因此，多年來物理學家一直致力于尋找超越標準模型的新物理框往。

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夸克和輕子是最基本的嗎鳄抒？

為什么世間的萬物都有著一些共同的性質(zhì)？人們很快就意識到，物質(zhì)其實都是由自然界的一些基本單元構(gòu)成的许溅。所謂的基本單元是指不能再由更小的物質(zhì)構(gòu)成的單元瓤鼻。經(jīng)歷了千年的探索，我們在實驗中發(fā)現(xiàn)了原子贤重、質(zhì)子茬祷、中子、電子和夸克〔⒒龋現(xiàn)在我們知道牲迫，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。但是借卧，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筛峭？或許它們是由更小的先子（preon）組成的铐刘？又或者它們正如弦理論所預言的那樣是由只有普朗克長度大小的弦構(gòu)成的.

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家族問題：為什么夸克和輕子有三代？

上夸克影晓、下夸克镰吵、電子和電中微子都是被稱為費米子的基本粒子，它們構(gòu)成了我們體驗到的萬物挂签。但這并不是故事的全部疤祭，自然富有深意的又安排了這些費米子的第二代，甚至是第三代饵婆。例如勺馆，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）侨核。它們的性質(zhì)完全相同草穆，μ子和 τ子只是電子更重的版本而已。物理學家發(fā)現(xiàn)搓译，電子可以完成其它兩種粒子能做的一切事情悲柱，就好像 μ子和 τ子是多余的一樣。以至于當 μ子第一次在宇宙射線中被發(fā)現(xiàn)的時候些己，著名的實驗家Isidor Rabi怒道：“是誰訂的 μ子豌鸡？” 物理學家把這三種粒子描述為輕子家族的三代，然而段标，在我們所觀測的世界中涯冠，似乎只需要第一代的電子就足夠了。為什么會有三代怀樟？其中必然有更深刻的原因功偿，只是我們還不知道。

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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械荷？

根據(jù)量子色動力學（QCD）共耍，當兩個夸克越靠越近時（能量越來越高），它們間的相互作用就越弱吨瞎，這被稱為“漸進自由”痹兜。1973年，F(xiàn)rank Wilczek和其他兩位物理學家因發(fā)現(xiàn)了漸進自由而獲得諾貝爾物理學獎颤诀，他們描述了在高能下字旭，對強核力進行微擾計算的可能。物理學家相信崖叫，在低能量的情況下（距離越來越遠）遗淳，夸克之間的作用力則會越來越強，使夸克永遠被禁閉在它們所構(gòu)成的粒子（比如質(zhì)子或中子）內(nèi)心傀，因此宇宙中并沒有自由夸克屈暗。雖然夸克禁閉是被普遍接受的事實，但從來沒有被嚴格的證明過脂男。

事實上养叛，QCD在許多方面都沒有被很好的理解，因為它們是如此的深奧宰翅，以至于相關(guān)問題也被列為千禧年七大數(shù)學難題之一弃甥。對QCD更好的理解，能夠幫助我們揭開許多謎題汁讼。例如淆攻，在宇宙學中，夸克-膠子等離子體是非常重要的掉缺，它也已經(jīng)在實驗室（比如RHIC和LHC）中被制造出來了卜录。對夸克-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)了許多新的問題眶明。此外艰毒，對QCD的完整相圖的研究也能夠應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)搜囱。

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粒子質(zhì)量的起源之謎

雖然理論物理學家已經(jīng)投入了大量的工作丑瞧，但是并沒有理論能夠解釋標準模型中的費米子的質(zhì)量，或者說它們與希格斯場的湯川耦合蜀肘。特別是頂夸克的質(zhì)量之謎绊汹，不僅是因為它的質(zhì)量相比其它基本粒子是如此之大，也因為它的值接近希格斯場的真空期望值扮宠。

同時西乖，中微子質(zhì)量的發(fā)現(xiàn)，為我們需要一個超越標準模型的理論提供了堅實的實驗證據(jù)。對于每一代的費米子获雕，要么需要加入一個額外的場（如果是狄拉克型的質(zhì)量薄腻，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)量届案，意味著中微子是自己的反粒子）庵楷。我們需要解釋為什么中微子具有質(zhì)量，以及為什么質(zhì)量那么小楣颠。這些問題都可以在大統(tǒng)一理論中找到答案尽纽，但大統(tǒng)一理論有很多版本，并沒有哪個被普遍接受童漩。目前弄贿，我們并不知道中微子的確切質(zhì)量（中微子振蕩實驗只測量了質(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矫膨，又或者兩者兼有挎春。此外，正如其它的費米子豆拨，目前也沒有理論解釋中微子質(zhì)量的基本起源。

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等級問題和超對稱

為什么標準模型中的基本粒子的質(zhì)量要比普朗克質(zhì)量小那么多能庆？這個問題就是所謂的“等級問題”施禾。我們似乎可以說粒子物理學是一個等級森嚴的領(lǐng)域。四種基本力的強度懸殊搁胆，從強到弱（即從強核力到引力）形成等級弥搞。物理學中的不同質(zhì)量也形成等級，最頂層的是普朗克質(zhì)量渠旁，最底層的就是真空能量攀例。

如果從第一原理預測標準模型的粒子的質(zhì)量，它們的質(zhì)量應當約為普朗克質(zhì)量顾腊，大概在能量10^19GeV粤铭。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個數(shù)量級杂靶。特別是希格斯玻色子梆惯，它的質(zhì)量應該非常大，因為它跟如此多的粒子相互作用吗垮。

而我們現(xiàn)在已經(jīng)知道垛吗，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數(shù)量級烁登，而不是理論所期待的在同一個等級怯屉。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)量锨络，而不是接近普朗克質(zhì)量赌躺？最優(yōu)美的一個解決方法是存在一個額外的對稱，可以抵消所有普朗克尺度的貢獻足删，使粒子的質(zhì)量要比普朗克質(zhì)量低的多寿谴。

這就是“超對稱”理論背后的想法。超對稱做了一個非常大膽的預言：所有的費米子（比如夸克和電子）都有一個玻色子的超對稱伙伴失受，以及所有的玻色子（比如光子讶泰，膠子）都有相應的費米子超對稱伙伴。在許多超對稱理論中拂到，最輕的超對稱粒子是一種不帶電痪署、穩(wěn)定的粒子，稱為中輕微子兄旬。如果找到這些粒子狼犯，也可以解釋暗物質(zhì)的問題。雖然超對稱理論備受喜愛领铐，但多年來在粒子加速器都沒有發(fā)現(xiàn)它們悯森，而它們早應該被找到。

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還有哪些未知的粒子等待被發(fā)現(xiàn)绪撵？

過去瓢姻，越來越強大的加速器或探測器發(fā)現(xiàn)了許多新的粒子，而這很可能會再次發(fā)生音诈。有一些新粒子被提出來解決一些特定問題幻碱，比如軸子可以解釋為什么量子色動力學不違反CP不變性，惰性中微子則被提出來解釋中微子振蕩實驗中的可能觀測细溅。其它的新粒子被提出來主要是因為它們在理論上是可能存在的褥傍，比如類似標準模型中的額外費米子或玻色子。我們隨時可能在實驗室中遇到令人驚喜的新發(fā)現(xiàn)喇聊，因為我們對自然的理解還不完整恍风。

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質(zhì)子的半徑、自旋和衰變之謎

原子中的質(zhì)子是由三個夸克組成誓篱，盡管質(zhì)子在100多年前就走入我們的視線邻耕，但事實表明我們對它還不夠了解。當科學家用不同的方法測量質(zhì)子的半徑時驚奇的發(fā)現(xiàn)燕鸽，兩種方法給出了不同的半徑數(shù)值兄世。對半徑的精確測量很重要，因為這是對量子電動力學（QED）的檢驗啊研。如果這種差異在實驗中持續(xù)出現(xiàn)御滩，或許意味著存在著一個未發(fā)現(xiàn)的粒子鸥拧。

但即使半徑之謎解決了，科學家還面臨著另一個問題削解。起初富弦，物理學家認為它的自旋主要來自夸克的貢獻。但到了1987年氛驮，歐洲μ子實驗組進行的一系列高能物理實驗引發(fā)了所謂的“質(zhì)子自旋危機”腕柜。由CERN、DESY和SLAC所進行的實驗給出了令人意外的結(jié)果：夸克對質(zhì)子的自旋貢獻僅為30%矫废！如果不是夸克盏缤，那又會是什么？在一次最新的大型數(shù)值模擬量子色動力學的結(jié)果顯示蓖扑，膠子提供了質(zhì)子一半的自旋唉铜。而剩下的20%的質(zhì)子自旋被認為是來自夸克和膠子的軌道角動量÷筛埽基于過去幾十年的努力潭流，物理學家距離揭開質(zhì)子自旋的來源越來越近。

質(zhì)子的最后一個謎題則跟它的壽命有關(guān)柜去。質(zhì)子可以衰變灰嫉，是大統(tǒng)一理論一個非常重要的預言。但唯一的問題是嗓奢，目前實驗還沒有觀測到任何質(zhì)子衰變的跡象熬甫。例如日本的超級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)蔓罚。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)生衰變瞻颂，那就意味著自然界中三種基本力——弱核力豺谈、強核力和電磁力——在宇宙早期能夠被統(tǒng)一在一起。

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洛倫茲或CPT不變性會被違反嗎贡这？（愛因斯坦的相對論和標準場理論總是有效的嗎茬末？）

在最基本的層面，標準模型違反了P和CP（P代表宇稱盖矫，即鏡像中的世界丽惭；C代表電荷共軛，即把粒子換成反粒子）對稱性辈双，同時在希格斯場凝聚后责掏，也違反了弱同位旋和弱超電荷守恒。1956年湃望，吳健雄通過觀察鈷-60原子的放射性衰變换衬，驗證了楊振寧和李政道的理論：在弱相互作用中宇稱不守恒痰驱。1964年，James Cronin 和 Val Fitch在實驗室中也找到了CP破壞的證據(jù)瞳浦。那么自然而然地要問担映，是否還存在更多的對稱性破缺，無論是在基本層面（超越標準模型的理論）叫潦，或是由于進一步的對稱性破缺（因矢量或張量的凝聚蝇完，而非標量場），或因為量子漲落（例如普朗克尺度上的“時空泡沫”）矗蕊。

特別是短蜕，科學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)任何蛛絲馬跡拔妥。大多數(shù)科學家都同意廣義相對論和粒子物理學的標準模型并不是最終的理論忿危。在眾多統(tǒng)一理論中，比如弦理論没龙、修正引力理論和非對易量子場論中铺厨，都預言了洛倫茲對稱性的微小的破缺。因此對洛倫茲不變性的精確檢驗會指向一條通往正確的統(tǒng)一理論模型的道路硬纤。同樣的解滓，CPT對稱性也是現(xiàn)代物理學的重要支柱，它是指物理定律在電荷共軛筝家、宇稱洼裤、時間反演的聯(lián)合變換下保持不變。如果CPT對稱性被打破了溪王，就意味著打破了現(xiàn)有的物理學腮鞍。

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我們的宇宙穩(wěn)定嗎？

希格斯玻色子具有特殊的質(zhì)量莹菱，其值意味著希格斯勢里的基本自耦合參數(shù)：幾乎等于零（如果標準模型計算有效的話）移国。

從這個結(jié)果來看，希格斯凝聚和我們所知道的宇宙只能勉強算是穩(wěn)定的道伟。事實上迹缀，進一步的計算暗示了我們的宇宙可能處于一種亞穩(wěn)態(tài)，最終會過渡到具有非常不同性質(zhì)的更加穩(wěn)定的狀態(tài)蜜徽。事實上祝懂，這里牽涉到一個非常深刻的問題：如何解釋? λ≈0？我們的宇宙是否處于穩(wěn)定狀態(tài)呢拘鞋？

II. 引力和宇宙篇

上個世紀砚蓬，有兩個偉大的理論徹底地改變了我們對自然的理解。其中一個是量子力學盆色，描述了粒子和它們之間的相互作用怜械。另一個則是愛因斯坦的廣義相對論颅和，將引力和彎曲的時空聯(lián)系在一起。100年以來缕允，兩者皆經(jīng)受住了無數(shù)次對它們的檢驗峡扩。盡管有許多人都在試圖修正愛因斯坦的引力理論，但所有的實驗只是不斷地證明了愛因斯坦是正確的障本！特別是這兩年教届，關(guān)于引力波探測的進展更是令人喜出望外。廣義相對論不僅有許多一開始令人無法接受的預言（比如黑洞和蟲洞等）驾霜，在探索宇宙奧秘的道路上航闺，它也奠定了強有力的理論基礎(chǔ)荸恕。

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愛因斯坦的引力理論如何與量子力學結(jié)合瓶蚂？

當我們談及宇宙大爆炸或黑洞奇點的時候就會意識到鸯两，廣義相對論和量子力學必須合二為一才能揭開宇宙更深層的秘密。

自愛因斯坦的時代物理學家就已經(jīng)開始試圖構(gòu)建一個量子引力理論蓉冈，即對引力場進行量子化描述的理論城舞，就跟自然界中的其它場一樣。在所有理論中寞酿，最著名的兩個嘗試分別為弦理論和圈量子引力家夺。前者將一個粒子的世界線替換成弦的世界面，因此費恩曼圖中的線相交被拓展為面相交伐弹。后者則認為時空具有“顆粒性”拉馋。雖然這兩個理論在數(shù)學上非常具有吸引力，但它們目前還沒有做出可檢驗的預言惨好。其它的嘗試包括因果集理論煌茴，因果動態(tài)三角剖分理論，漸進安全引力理論和涌現(xiàn)引力理論等日川。

近年來蔓腐，物理學家還發(fā)現(xiàn)愛因斯坦曾經(jīng)提出的兩個理論有著令人驚喜的關(guān)聯(lián)，該理論用一個方程表示為：ER = EPR逗鸣。方程左邊代表蟲洞，右邊代表量子糾纏绰精。在這個基礎(chǔ)上撒璧，Leonard Susskind更是進一步提出GR = QM（廣義相對論=量子力學），將二者統(tǒng)一[3]笨使。

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黑洞的熵和溫度的起源是什么卿樱？

自約翰·惠勒提出“黑洞”一詞后，科學家硫椰、科幻家繁调、小說家等就沒有停止過對它的想象萨蚕。它不僅僅只是理論上的產(chǎn)物，大量天文觀測都證實了恒星級黑洞和超大質(zhì)量黑洞的存在蹄胰。2018年岳遥，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裕寨！

一直以來浩蓉，黑洞都是滋生悖論的溫床。上個世紀宾袜，貝肯斯坦（Jacob Bekenstein）和霍金（Stephen Hawking）提出了黑洞熵和輻射的概念后捻艳，爭論就從沒有停止過∏烀ǎ霍金和索恩（Kip Thorne）也為此有過好幾次著名的打賭认轨。到目前為止，都是索恩獲勝（他還獲得了2017年的諾貝爾物理學獎）月培。

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

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信息在黑洞中丟失了嗎？

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

根據(jù)廣義相對論铜涉，進入黑洞的信息不會再出來智玻，而被困在黑洞內(nèi)的信息會因為蒸發(fā)而消失。那么芙代，信息去哪了吊奢？如果它隨著黑洞消失，那就違反了量子理論纹烹∫彻觯或許你會想召边，難道信息不會儲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裹驰，因此唯一的可能就是霍金輻射里復制了進入黑洞的物體信息隧熙。這樣就有兩份信息，一份在黑洞外邦马，一份在黑洞里面贱鼻，不過這也違反了量子理論。當然滋将，另一個最簡單的可能性便是：量子力學是不完備的邻悬，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φ撏卣沽伺ｎD的運動定律一樣随闽。

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

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宇宙學常數(shù)問題

1917年腥寇，為了描述一個靜態(tài)的宇宙成翩，愛因斯坦在場方程中引進了一個額外的常數(shù)項，稱為宇宙學常數(shù)赦役，它提供了抵抗引力的排斥作用麻敌。然而，當哈勃發(fā)現(xiàn)宇宙正在膨脹的時候掂摔，愛因斯坦認為這是他一生中犯的最大的錯誤术羔。而現(xiàn)在看來，這個“錯誤”或許有著更深的含義乙漓。

根據(jù)量子力學级历，真空本身會有微小的漲落，這些漲落會產(chǎn)生能量簇秒。物理學家認為量子真空能量可以充當宇宙學常數(shù)的角色鱼喉。但是秀鞭，基于量子力學計算的真空能量的值遠高于實際觀測到的能量密度——高出120個數(shù)量級趋观，這個結(jié)果被驚嘆為“物理學史上最糟糕的理論預測”扛禽。這便是宇宙學常數(shù)問題[4]。物理學家提出了多重宇宙和人擇原理（進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皱坛，但目前并沒有統(tǒng)一的意見编曼。

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什么是暗能量？

1998年剩辟，兩個獨立的天文小組通過對遙遠的超新星爆發(fā)的測量得出了一個驚人的結(jié)論：宇宙正在加速膨脹掐场！科學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%贩猎，它支配著宇宙的終極命運熊户。

但究竟什么是暗能量？在這個問題上吭服，科學家耗費了大量的筆墨和實驗觀測嚷堡，一個最簡單的解釋或許是暗能量就是宇宙學常數(shù)，但如上述艇棕，我們遇到了問題蝌戒。也有人提出一些具有奇異性質(zhì)的粒子能夠充當暗能量的角色，比如變色龍粒子沼琉，它的性質(zhì)會隨著周圍的環(huán)境而改變北苟。又或許宇宙中存著一種微弱且長程的第五種基本力，它會抵消掉一點引力的作用打瘪。當然友鼻，也有一些物理學家認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瑟慈。（在2017年發(fā)現(xiàn)的雙中子星合并中桃移，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葛碧，但暗能量依舊保持著它的神秘借杰。

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

當宇宙的年齡僅為10^-32秒時，宇宙經(jīng)歷了一場指數(shù)式的膨脹乳绕，這段時期被稱為暴脹時期绞惦。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） 。但是洋措，暴脹理論面臨著幾個問題济蝉。第一個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)。第二個需要同時由理論和觀測來回答王滤，即暴脹的起源之謎贺嫂。目前有許多富有競爭力的模型，但都受到許多質(zhì)疑雁乡。2017年第喳，針對于暴脹理論是否是一個科學理論，世界上最富盛名的物理學家都加入了這場辯論踱稍。

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為什么宇宙中遍布著物質(zhì)曲饱，而不是反物質(zhì)？

根據(jù)粒子物理學的標準模型的預測珠月，在宇宙誕生之初扩淀，應該有等量的物質(zhì)和反物質(zhì)被創(chuàng)造。而我們知道啤挎，當正反物質(zhì)相遇時會發(fā)生湮滅引矩，化作一團能量。理論上侵浸，這樣的一次大湮滅事件應當發(fā)生在138億年前旺韭。但事實是，在那場戰(zhàn)役中掏觉，物質(zhì)戰(zhàn)勝了反物質(zhì)区端，并存活了下來，否則我們就不會在這里尋找這個問題的答案澳腹。

當物質(zhì)和反物質(zhì)相遇時织盼，會發(fā)生湮滅，所有的能量都會以光子的形式釋放酱塔。| 圖片來源：RealLifeLore/YouTube

1968年沥邻，物理學家Andrei Sakharov意識到，如果宇宙滿足三個條件羊娃，那么物質(zhì)和反物質(zhì)不對稱性就是不可避免的唐全。這三個條件分別是：重子數(shù)不守恒、違反C對稱（電荷共軛對稱）和CP對稱（電荷共軛與宇稱聯(lián)合對稱性）蕊玷、以及存在偏離熱平衡的相互作用邮利。解決物質(zhì)-反物質(zhì)不對稱性的理論包括輕子數(shù)不對稱產(chǎn)生機制、電弱重子數(shù)產(chǎn)生機制垃帅、Affleck-Dine機制和普朗克/大統(tǒng)一重子數(shù)產(chǎn)生機制延届。

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什么是暗物質(zhì)？

Fritz Zwicky在1930年代和Vera Rubin及她的合作者在1970年代的觀測都表明贸诚，星系中的引力大多數(shù)來自不發(fā)光的物質(zhì)方庭，即所謂的暗物質(zhì)厕吉。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)（比如行星械念、恒星赴涵、氣體等）的5到6倍。在宇宙的138億年的演化過程中订讼，它對星系、星系團和大尺度結(jié)構(gòu)的形成至關(guān)重要扇苞。

但究竟什么是暗物質(zhì)欺殿？我們并不知道，通過天文觀測鳖敷，我們可以推測出暗物質(zhì)不發(fā)光脖苏、不反射、也不吸收光定踱。因此棍潘，通過普通的光學手段是無法找到它們的蹤跡的⊙旅模科學家提出了許多可能的候選粒子亦歉，比如弱相互作用大質(zhì)量粒子、軸子畅哑、惰性中微子肴楷、超中性子等等。但到目前為止地底下的大型探測器荠呐、太空中的衛(wèi)星赛蔫、以及對撞機中均未發(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衛(wèi)者》）泥张。而最近呵恢，物理學家 Justin Khoury 和 Lasha Berezhiani 認為，在寒冷媚创、高密度的環(huán)境下渗钉，暗物質(zhì)會凝聚成超流體。這個想法得到了越來越多人的青睞钞钙。

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宇宙中還有哪些新的天體等待被發(fā)現(xiàn)晌姚？

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)部歇竟，輻射壓和引力的完美對抗挥唠，防止它進一步坍縮。而在白矮星中所發(fā)生的事情則更有意思焕议，它是由電子的“簡并壓”所支撐著宝磨。類似地弧关，恒星死亡后另一個結(jié)局——中子星，則是由中子簡并壓支撐唤锉。1967年世囊，Jocelyn Bell Burnell發(fā)現(xiàn)了快速旋轉(zhuǎn)的中子星——脈沖星。此外窿祥，宇宙中也有許多恒星級黑洞株憾，天文學家通過黑洞周圍的吸積盤輻射出的X-射線對它們進行觀測。而超大質(zhì)量黑洞被認為普遍存在于大型星系的中心晒衩。宇宙中也充滿了不同的粒子和輻射嗤瞎，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听系，我們完全有理由期待未來會發(fā)現(xiàn)更多令人意想不到的天體贝奇。例如，天文學家還沒有在宇宙早期形成的第三星族星靠胜，它們幾乎完全由氫氣和氦氣構(gòu)成掉瞳。又比如Katherine Freese提出來的“暗星”，或者由夸克組成的“夸克星”浪漠，或以暗物質(zhì)湮滅做為能量來源的天體（而不是核反應）陕习。未來，天體物理學充滿了無限的可能性址愿。

III. 大問題篇

額外維度衡查、多重宇宙、時間旅行等等聽起來像是從科幻小說出才會出現(xiàn)的概念必盖，事實上一直是前沿理論研究的對象拌牲。有些人認為我們永遠也無法在實驗室中檢驗這些理論，樂觀主義者則認為歌粥，只要有足夠的時間和資源塌忽，我們將最終得到令人滿意的答案。

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時空之謎

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失驶⊥辆樱” 在1917年時，物理學家保羅·埃倫費斯特（Paul Ehrenfest）也曾寫過一篇富有啟發(fā)性的論文[5]嬉探。在文章中他枚舉了許多證據(jù)證明三維是描述我們這個世界最完美的維度擦耀。如果再加上時間維度，就是我們熟悉的四維時空涩堤。但是時空真的只有四維嗎眷蜓？如果是，為什么恰好是四維的胎围？一個真正令人滿意的理論應該能夠提供一個合理的（非人擇的）解釋吁系。另外德召，我們也想要解釋為什么時間只有一個坐標？

還有一個深刻的問題是汽纤，時空的起源是什么上岗？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出時空蕴坪‰戎溃或許時空是從一些更深層次的量子現(xiàn)象中產(chǎn)生的，那么時空的量子本質(zhì)是什么背传？全息原理呆瞻、Amplituhedron、量子泡沫都嘗試回答這個問題续室，但至今還沒有出現(xiàn)過令人信服的結(jié)果。

20存在更高的維度嗎谒养？

在廣義相對論發(fā)表不久后挺狰，數(shù)學家 Theodor? Kaluza 有了一個絕妙的想法，如果空間是四維买窟，那么他就可以把光和引力——它們看起來毫無共同之處——統(tǒng)一起來丰泊。這個美妙的理論連愛因斯坦都心動了。但這個額外維在哪里始绍？物理學家 Oskar Klein 認為 Kaluza 的額外維度會卷曲成看不見的小圓圈（用術(shù)語說就是“緊致化”）瞳购，尺度為10^33厘米。這個尺度太小了亏推，以至于目前任何實驗都無法直接探索它的存在学赛。當然，現(xiàn)在我們知道他們的五維統(tǒng)一理論是錯誤的吞杭。

到了1970年代盏浇，弦理論家的登場復興了對額外維度的探索。超弦理論所需要用到的數(shù)學要求存在至少十個維度芽狗。也就是绢掰，為了讓描述超弦理論的方程能夠運作——連接廣義相對論和量子力學的方程，解釋自然界中的粒子童擎，統(tǒng)一基本力等等——他們必須發(fā)明額外的維度滴劲。物理學家必須思考如何緊致化額外的六個維或更多。最后顾复，弦理論家發(fā)現(xiàn)班挖，如果用卡拉比-丘空間來代替在空間中卷曲的圓圈，我們就會得到十維：三維空間芯砸，加上六維的卡拉比-丘成桐空間聪姿，再加上一維時間碴萧。

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)末购。自然規(guī)律大概是由這個結(jié)構(gòu)決定的破喻，所以不同的內(nèi)部空間會對應不同的宇宙：內(nèi)部空間本質(zhì)上就是宇宙的基因組。例如盟榴，弦理論所預測的可能宇宙的數(shù)目高達10的500次方曹质。

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是否存在多重宇宙？

多重宇宙擎场，這個令人聯(lián)想翩翩的概念羽德，實際上是一些最受推崇的理論所預言的，例如：由于暴脹模型在某些方面的不足之處迅办，使許多人認為“永恒暴脹”的設想是極有可能的宅静。在這種設想下，由于新的宇宙會不斷地從舊的產(chǎn)生站欺，從而導致宇宙的數(shù)量不斷的增加姨夹。

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大于局部的可觀測宇宙矾策。事實上磷账，它有可能是無限的，具有平坦或開放（雙曲線）幾何贾虽。那么我們單一的宇宙就包含了大量的可觀測的宇宙逃糟。

而如果我們進一步把注意力放在在可觀測宇宙之中，那么由 Hugh Everett 提出的量子力學的多世界詮釋暗示著當我們對一個系統(tǒng)進行觀測時會分離出無數(shù)個平行宇宙蓬豁，每一個都是波函數(shù)的一個可能解绰咽，而我們只是在其中一個特定的宇宙。

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

當然聊品，多重宇宙是極具爭議的，因為它不在正常的科學領(lǐng)域所能掌控的范疇之內(nèi)几苍。同樣極具爭議的還有人擇原理翻屈，簡單地說就是我們所居住的宇宙必須是一個滿足智慧生命的出現(xiàn)所要求的宇宙。理論物理學家 Brandon Carter 將該原理分為兩種：弱人擇原理和強人擇原理妻坝。前者認為伸眶，作為觀察者的我們之所以存在于這個時空位置惊窖，是因為這個位置提供了我們存在的可能；后者則認為厘贼，我們的宇宙（同時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)界酒。

這個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驅(qū)動的。然而嘴秸，我們生活在一個“適居帶宇宙”中毁欣，就像我們已生活在一個“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理論岳掐。

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是否存在一些奇異性質(zhì)的時空幾何凭疮？

非阿貝爾規(guī)范理論預測了各種可能對宇宙學很重要的拓撲缺陷，其中包括單極子串述、宇宙弦和疇壁执解。此外，愛因斯坦的廣義相對論允許許多奇特的拓撲結(jié)構(gòu)存在于時空之中纲酗，例如蟲洞衰腌。我們偶爾會在微波背景輻射測量中搜索宇宙非平凡拓撲結(jié)構(gòu)的證據(jù)。

另外耕姊，在時空幾何中的裸奇點和閉合類時循環(huán)的可能性仍未被解決桶唐。這很有意思栅葡，因為它們在理論上允許進行反向時間旅行茉兰。

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宇宙是如何開始的？它的最終命運又是什么欣簇？

宇宙起源规脸，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起源熊咽？最初出現(xiàn)的場是什么莫鸭，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横殴，使得我們能夠定義未來的熵增走向被因？在我們這個特定宇宙的開始之前，是否還存在任何其它東西衫仑？

另一方面梨与，科學家一直想知道我們的宇宙的最終命運是什么？由于我們現(xiàn)在仍不知道暗能量究竟是什么文狱，因此前方或許還有更多的驚喜在等著我們發(fā)現(xiàn)粥鞋，我們不知道未來宇宙會走向何方。不同的理論模型對宇宙的過去和未來都有不同的判斷瞄崇。也許宇宙將永遠膨脹下去呻粹，物質(zhì)之間的距離被拉的越來越遠壕曼，最終達到熱寂狀態(tài)；也許在某一個時刻等浊，宇宙會停止膨脹腮郊，并開始收縮，直到回復至剛誕生時的狀態(tài)凿掂；也許宇宙會在膨脹和坍縮之間不斷的循環(huán)自己伴榔。

未來，更多精確的觀測將有助于我們對眾多模型進行篩選和排除庄萎，但可以肯定的是踪少，一個好的預測肯定需要涉及在引力、粒子物理學和宇宙演化上做出根本性的突破糠涛。

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引力的起源之謎

本質(zhì)上來說援奢，所有的統(tǒng)一理論（比如大統(tǒng)一、超對稱等）忍捡，都假設了局域洛倫茲不變性（即愛因斯坦的相對論）集漾，而非嘗試去解釋它畜普。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出引力费封，但這些努力都不具有說服力。在費曼等人的早期研究中募逞，從弦理論中推導的引力為自旋為2的場凌埂。但問題是弦理論驱显、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瞳抓。所以引力的根本來源也是一個未知的大問題埃疫。

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為什么所有的基本力都有規(guī)范理論的形式？

粒子物理學的標準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規(guī)范理論描述的孩哑，盡管是以一個不同的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)的）栓霜。它是一種真正意義上用來解釋自然界為何會存在這些力的基礎(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横蜒，以及為何它們的作用量存在一種簡單的最微形式胳蛮。

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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出量子力學和量子場丛晌。其中涉及到的一個重要問題是量子力學的詮釋仅炊，目前學界對此還沒有達到共識。早在1911年茵乱，愛因斯坦就意識到了這個問題茂洒，他在大量文章和書籍中都對此進行了質(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家仍對波粒二象性（或薛定諤貓和EPR悖論）感到疑惑督勺。但拋開詮釋的問題渠羞，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智哀。

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物理在數(shù)學上的一致性問題

對一個成功的理論來說次询，它必須在數(shù)學、邏輯和哲學上都保持一致性瓷叫，并同時能預測實驗與觀測的結(jié)果屯吊。但是即便是簡單的四維時空中的量子場論，也還沒能在數(shù)學上做到嚴格的一致性摹菠。

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物理形式和人類經(jīng)驗的現(xiàn)實之間有什么聯(lián)系嗎盒卸？

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

在“現(xiàn)實的終極本質(zhì)”這一話題里，包含著一個古老的問題——“為什么有物存在煮寡，而非一切皆空虹蓄？”對此，哥倫比亞大學的哲學家 Sidney Morgenbesser 的回答就非常有趣幸撕，他說：“即便是一切皆空薇组，你還是不會滿意！”麻省理工學院的理論物理學教授 Frank Wilczek 的回答或許是最優(yōu)的坐儿，他說：“對于這個古老問題律胀，答案就是——‘空’是不穩(wěn)定的√敉”

愛因斯坦有一句同樣深刻的名言累铅，他說“這個世界最難以理解的就是它是可被理解的”跃须。什么樣的原理可以解釋這樣一個事實站叼，即現(xiàn)在的宇宙是由簡單的規(guī)律順利演化導致、而非隨機的混沌胡亂而成的菇民？或許對自然的終極理解尽楔，會證實自然就如艾米莉·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

面對她的樸素第练±觯”

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)物理學和量子系統(tǒng)的奇異行為是物理學家所熱衷研究的對象娇掏。物理學家專注于研究包含高度關(guān)聯(lián)電子的材料（比如傳統(tǒng)和新奇的超導體）呕寝、碳科學的性質(zhì)（比如石墨烯、碳納米管和富勒烯等）婴梧、新的光學和X-射線技術(shù)下梢、能夠應用在量子信息處理和量子密碼學的技術(shù)等等客蹋。

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還有哪些超導和超流體的新形式等待被發(fā)現(xiàn)？

在低溫下孽江，像氦-4原子這樣的玻色子會經(jīng)歷玻色-愛因斯坦凝聚成為超流體讶坯。同樣的，費米子會形成配對岗屏，凝聚成超流體辆琅，如果費米子帶電則會形成超導體。從氦-3的超流體相这刷，到原子的玻色-愛因斯坦凝聚婉烟，再到中子星的中子，這些都是科學家熱衷研究的超流體對象暇屋。另一方面隅很，超導體的例子也有很多，比如有機超導體率碾、重費米子化合物和高溫超導體等等叔营。高溫超導體的超導電性機制以及其它特征都有待被闡明∷祝基于這些年來這個領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展绒尊，我們可以期待未來有更重大的發(fā)現(xiàn)在等待著我們。

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有哪些新的拓撲相等待被發(fā)現(xiàn)仔粥？

繼 Kosterlitz-Thouless 相變婴谱、以及整數(shù)和分數(shù)量子霍爾效應的發(fā)現(xiàn)后，拓撲絕緣體是近年來令人驚喜意外的發(fā)現(xiàn)躯泰。拓撲絕緣體是一種表面導電但內(nèi)部絕緣的材料谭羔。目前，物理學家提出了許多與凝聚態(tài)物質(zhì)系統(tǒng)中的其他拓撲非平凡相和物體有關(guān)的理論麦向。

（注：David J. Thouless和Michael Kosterlitz因在拓撲相變和拓撲相研究領(lǐng)域做出了重要的理論發(fā)現(xiàn)瘟裸，而被授予2016年的諾貝爾物理學獎。）

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物質(zhì)還有哪些新的相和形式等待被發(fā)現(xiàn)诵竭？

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

現(xiàn)在夜矗，量子相變是一個熱門的探索領(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让虐，而任何液相的存在紊撕，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未解決的重大問題赡突。更一般的非線性系統(tǒng)也可能潛藏著更多的驚喜对扶，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)惭缰，在天體物理學和地球應用的許多領(lǐng)域中都極為重要浪南。一個尚未實現(xiàn)的舊夢想是，如果在磁約束或慣性約束上有所突破漱受，都將使受控聚變合成為無窮無盡的可用能量來源络凿。

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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)昂羡？

對于許多凝聚態(tài)物質(zhì)系統(tǒng)來說絮记，單電子（或準粒子）的圖景運作的如此之好是一件相當奇妙的事。但是電子相關(guān)效應可能會導致一些新的現(xiàn)象虐先，而上面提到的那些現(xiàn)象肯定不會就是所有可能性的全部怨愤。

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量子計算機、量子信息和其它基于量子糾纏的應用的未來是什么蛹批？

量子糾纏是指兩個粒子之間可以保持一種特殊的連接撰洗，如果你測量了其中一個粒子的狀態(tài)，你就粒子知道另一個粒子的狀態(tài)腐芍，無論距離多遠差导，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)展量子計算和量子信息的關(guān)鍵猪勇。舉個例子设褐，當有多個量子比特被糾纏的時候，對其中的一個量子比特的操作就會瞬時影響所有其它的量子比特埠对，也就意味著著空前的并行運算能量络断。但是裁替，由于糾纏態(tài)在真實環(huán)境中是十分脆弱的项玛，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)實環(huán)境中實現(xiàn)。糾纏在量子計算機的物理實現(xiàn)和黑洞信息悖論的解決等問題上越來越受到關(guān)注弱判。

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量子光學和光子學的未來是什么襟沮？

光子、電子在基于光子學的新技術(shù)（包括光電子學）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开伏、更高的強度膀跌、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)固灵。什么樣的新現(xiàn)象會伴隨光子捅伤、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

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理論巫玻、計算丛忆、實驗和觀測上的技術(shù)的極限是什么？

理論：高能物理中的大部分計算都是基于微擾方法的仍秤，例如用費圖表示的擴展方式∠ü睿現(xiàn)有的用于實際計算的非微擾技術(shù)主要是數(shù)值計算，其中最有名的方法是點陣規(guī)范理論诗力。但實質(zhì)上所有用于實際系統(tǒng)的數(shù)值方法對計算機的計算時間和內(nèi)存需求都會迅速增長凰浮，并且如何確保收斂性和準確性也并非一件顯而易見的事。一個重大的突破將是發(fā)現(xiàn)能準確計算出真實系統(tǒng)的重要屬性和過程的非微擾技術(shù)苇本。

實驗：在高能物理學中袜茧，更高能量的研究需要重大的創(chuàng)新，才能實現(xiàn)像μ子對撞機瓣窄、線性?0.5TeV 電子對撞機惫周、光子對撞機或龐大的強子對撞機，或許最終我們也將實現(xiàn)?100 TeV的質(zhì)子對撞康栈。這些實驗對實驗裝置都有著極高的要求递递。其他的基礎(chǔ)實驗，如暗物質(zhì)的直接探測啥么、中微子物理等登舞，都將需要采用越來越大的實驗系統(tǒng)。技術(shù)創(chuàng)新將有助于讓這些實驗得以實現(xiàn)悬荣，對靈敏度的增加便是其中一項菠秒。

計算：計算正迅速與理論和實驗比肩，成為支撐物理學研究的第三支柱氯迂，而這三個領(lǐng)域中的突破對物理學來說都是同等重要的〖現(xiàn)實的模擬在技術(shù)上也變得越來越重要。天體物理學中的重要現(xiàn)象常常因自由度過大而無法進行更真實的模擬嚼蚀，這種情況下禁灼，對根本性的計算創(chuàng)新的需求或許迫在眉睫。除物理以外轿曙，其他科學技術(shù)領(lǐng)域?qū)τ嬎愕男枨笠苍絹碓狡惹信叮仓挥杏嬎銠C科學才能產(chǎn)生更優(yōu)更強的算法僻孝。

觀測：在過去的100年之中，天文學家觀測到了宇宙中的許多奇異現(xiàn)象守谓。從電磁波的各個頻段穿铆、到中微子天文學、引力波天文學斋荞，都是天文學家用來探索宇宙的工具荞雏。這兩年對引力波的成功探測為我們了解宇宙開辟了一個新的窗口，去年對雙子星合并的觀測平酿，更是令人驚喜地開啟了多信使時代讯檐。天文物理學中的許多不解之謎，或許都可借助更先進的技術(shù)和更復雜的觀測方法得到解答染服。

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化學别洪、應用物理和科技的最終極限是什么？

無機過程（例如地質(zhì)學）產(chǎn)生的物質(zhì)的多樣性是很令人稱奇的柳刮，雖然在生物系統(tǒng)中被開發(fā)的物質(zhì)數(shù)量仍大得多挖垛。目前來看，我們可以自己設計的化學系統(tǒng)的復雜性似乎沒有上限秉颗。如果能夠?qū)⑦^去兩個世紀人類的發(fā)現(xiàn)延伸到下個一百萬年痢毒、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蚕甥？人工智能算得上是其中一個哪替，它可以以計算機形態(tài)（基于經(jīng)典比特）、或人類形態(tài)（基于神經(jīng)元連接）菇怀、亦或是完全未知的形態(tài)（例如基于量子狀態(tài)）存在凭舶。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——薛定諤貓爱沟，它是由對量子力學做出杰出貢獻的物理學家薛定諤（Erwin Schrodinger）提出的一個思想實驗帅霜。但薛定諤實際上還有一個非常有意思的工作，是他在1944年基于在都柏林的一系列講座撰寫的一個薄薄的書《什么是生命呼伸？》身冀。這本書在DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)還未被發(fā)現(xiàn)時就預測了DNA的一些重要性質(zhì)。薛定諤準確地認識到括享，生物的進化和代與代之間的信息傳遞的關(guān)鍵是“非周期晶體”——一個永遠不會完全重復的原子鏈搂根。盡管鏈中的每個鏈接都含有相同的原子（碳、氮铃辖、氧剩愧、氫和磷），但它們的不同組合可編碼大量的信息澳叉。

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什么是生命隙咸？

自薛定諤完成《什么是生命》一書以來沐悦，74年過去了成洗，科學家為了解生命如何運作已經(jīng)走過了一條很漫長的道路五督，但直至今日，對于生命是什么我們?nèi)詻]有一個明確的定義瓶殃。進化是其中的一部分充包，因為它是與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遥椿，以一種特有的方式改變其環(huán)境中的化學平衡基矮。但是，在明顯的非生命和生物之間冠场，是一大片難以定義的灰色地帶家浇。

病毒就是一種介于生命與非生命物種之間的物種，因為一方面它們不能自行復制碴裙；另一方面當有正掣直活細胞供它們使用時，就可進行非常高效的傳播舔株。這是一個在薛定諤年代就為人所知的事實莺琳，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的生命形式载慈？它們或許根本不以DNA為中心分子結(jié)構(gòu)惭等？又或者甚至不以碳為中心元素“煺。或許目前于我們而言是未知的原理辞做，能在其他系外行星上產(chǎn)生完全陌生的生命形式。

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地球上的生命是如何開始的寡具？又是如何演化出復雜的生命形式凭豪？

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)歷過兩個主要階段晒杈。首先是單細胞原核生物嫂伞，再接著是多細胞的真核生物。這些簡單的單細胞經(jīng)過漫長的歲月拯钻，形成了復雜的生物帖努，例如人。這是個非常令人驚嘆的過程粪般。

人們對地球上的生命起源進行過非常多的討論和研究拼余，因此有許多不同理論，但并沒有哪種理論特別令人信服亩歹。其中的一個關(guān)鍵問題就在于匙监，開啟地球生命的第一個有機分子是完完全全原生于地球的凡橱，還是始于其他地方再以某種方式被帶入地球的？根據(jù)實驗和基因分析亭姥，科學家們認為地球生命最后的共同祖先稼钩，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遙遠的祖先演化而來达罗，所以它們都有一些共同的屬性和分子坝撑，如DNA。

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

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生命在宇宙中有多普遍狱从？

在過去20多年中，人類發(fā)現(xiàn)了數(shù)以千計的系外行星螃概，其中少數(shù)幾個星球或許可作為宜居星球矫夯。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吊洼？畢竟在可觀測宇宙內(nèi)就已經(jīng)有數(shù)以萬億的星系训貌，且每個星系中又有數(shù)以千億的恒星。

在宇宙138億年的歷史長河中冒窍，其他的生命都在哪里呢递沪？或許更高級的智慧生命傾向于不與文明程度較低的生命接觸，又或者高級智慧生物因發(fā)展出危險的科學技術(shù)而導致了自身的滅亡综液。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款慨，因為在進化成高等智慧生物的過程中所面臨的障礙實在太多了。

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生物為何能完成那些復雜到不可能的任務谬莹？

生物有兩項特別值得驕傲的能力：一個是蛋白質(zhì)折疊檩奠，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；另一個是形態(tài)發(fā)生附帽，即在一個初級單細胞增殖成一個完整的有機體過程中埠戳，讓分化細胞形成像眼睛、心臟蕉扮、大腦等復雜結(jié)構(gòu)的能力整胃。這兩種能力是非常復雜的，絕非任何計算機能模擬或復制喳钟。目前我們?nèi)圆荒芙忾_生物為何能具有如此復雜能力的奧秘屁使。

41

我們能夠理解并攻克那些威脅生命的疾病嗎在岂？

幾乎任何器官的生物途徑都是錯綜復雜的，我們掌握的只是其中的一部分蛮寂。其研究難度在于未知的自由度過大蔽午，并且個體與個體之間的差異無法逾越，因此我們不禁想問共郭，人類對疾病根源的探索究竟能走多遠祠丝？對它的研究需要依靠的是臨床實驗疾呻，還是理論系統(tǒng)生物學的突破除嘹？

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什么是意識？

我們與現(xiàn)實之間的直接接觸都是通過自身對外界的體驗岸蜗，科學認為這些體驗都來自于大腦內(nèi)的神經(jīng)元結(jié)構(gòu)尉咕，越來越多用于進行神經(jīng)科學研究的工具可對大腦的信息做更深層準確的探索。

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

總結(jié)

上面的42個基本問題便是許多科學家日夜奮斗想要解開的謎題馋缅，有很多問題看起來似乎沒有實際的應用扒腕，因為科學家所追求的只是更好的理解自然。正如霍金在《時間簡史》中寫道：“自文明開始以來萤悴，人們不滿足于將事件看做互無關(guān)聯(lián)瘾腰，且不可理解。他們渴望理解世界的根本秩序覆履。今天蹋盆，我們?nèi)匀缓芟胫溃覀優(yōu)楹卧诖讼跞课覀儚暮味鴣砥芪恚咳祟惽笾淖钌钋械囊庠缸阋詾槲覀儚氖碌牟粩嗵剿魈峁┏渥愕睦碛伞Ｎ覀兊哪繕饲∏≌菍τ谖覀兩嫫渲械挠钪孀鞒鐾暾拿枋觥?/b>”