【美國《紐約時(shí)報(bào)》2008年8月15日文章】題：需要兩千年思考的十大物理學(xué)
問題(作者 喬治·約翰遜)
100年前，德因數(shù)學(xué)家戴維·希爾伯特在巴黎的國際數(shù)學(xué)家大會(huì)上以一
番發(fā)人深省的話語開始了他劃時(shí)代的講話。他在講話中羅列了當(dāng)時(shí)尚未解決
的23個(gè)重大難題。希爾伯特宣稱：“—個(gè)偉大時(shí)代的結(jié)束，不僅要求我們回
首過去，而且還引導(dǎo)我們回首對未知的將來進(jìn)行深思?！彪S著又一個(gè)世紀(jì)—
—實(shí)際上是整整一個(gè)千年紀(jì)元——的結(jié)束，有一種要求顯得比以往任何時(shí)候
更為緊迫，那就是通過羅列最引人入勝的宇宙之謎來顯示人類的無知。
今年5月，馬薩諸塞州劍橋的克萊數(shù)學(xué)學(xué)會(huì)仿效希爾伯特，在巴黎宣布
了7道“千年大獎(jiǎng)難題”，每道題懸賞100萬美元征求解答。
無獨(dú)有偶，上月，存圣巴巴拉加州大學(xué)，物理學(xué)家們像通常那樣不事張
揚(yáng)地結(jié)束了一次有關(guān)超弦理論的會(huì)議。他們的最后一次討論題為“干年瘋狂”，
議程是挑選出他們領(lǐng)域中10個(gè)最匪夷所思的問題。這就像是一場由科學(xué)界最
聰明的一批人參加的荒島游戲。
圣巴巴拉加州大學(xué)的理論物理學(xué)家戴維·格羅斯在公布選出的問題時(shí)
說：“我是這樣考慮的：如果我從現(xiàn)在起昏迷100年，當(dāng)我醒來時(shí)，我會(huì)問
什么問題。”
在剔除一些大法問答的問題(例如“怎樣獲得終身職位?”)后，評(píng)委們
列出了足夠讓物理學(xué)家忙上100年的難題。盡管沒有任何懸賞，不過，解決
下列問題中的任何一個(gè)差不多都能保證獲得諾貝爾獎(jiǎng)。
1．表達(dá)物理世界特征的所有(可測量的)無量綱參數(shù)原則上是否都可以推算，
或者是否存在一些僅僅取決于歷吏或量子力學(xué)偶發(fā)事件，因而也是無法推算
的參數(shù)?
愛因斯坦的表述更為清楚：上帝在創(chuàng)造宇宙時(shí)是否有選擇?想象上帝坐
在控制臺(tái)前，準(zhǔn)備引發(fā)宇宙大爆炸。“我該把光速定在多少?”“我該讓這
種名叫電子的小點(diǎn)帶多少電荷?”“我該把普朗克常數(shù)——即決定量子大小
的參數(shù)——的數(shù)值定在多大?”他是不是為了趕時(shí)間而胡亂抓來幾個(gè)數(shù)字?抑
或這些數(shù)值必須如此，因?yàn)槠渲猩畈刂撤N邏輯?
2．量子引力如何幫助解釋宇宙起源?
現(xiàn)代物理學(xué)的兩大理論是標(biāo)準(zhǔn)模型和廣義相對論。前者利用量子力學(xué)來
描述亞原子粒子以及它們所服從的作用力，而后者是有關(guān)引力的理淪。很久
以來，物理學(xué)家希望合二為一，得到一種“萬物至理”——即量子引力論，
以便更深入地了解宇宙，包括宇宙是如何隨著大爆炸自然地誕生的。實(shí)現(xiàn)這
種融合的首要候選理論是超弦理論，或者叫 M理論——這是其名稱的最新
“升級(jí)版”，M代表“魔法”( magic)、“神秘”( mystery)或“所有理論
之母”( mother of alltheories)。
3．質(zhì)子的壽命有多長，如何來理解?
以前人們認(rèn)為質(zhì)子與中子不同，它永遠(yuǎn)不會(huì)分裂成更小的顆粒。這曾
被當(dāng)成真理。然而在70年代，理論物理學(xué)家認(rèn)識(shí)到，他們提出的各種可能
成為“大一統(tǒng)理論”——該理論把除引力外的所有作用力匯于一爐——的
理論暗示：質(zhì)子必須是不穩(wěn)定的。只要有足夠長的時(shí)間，在極其偶然的情
況下，質(zhì)子是會(huì)分裂的。
況下，質(zhì)子是會(huì)分裂的。
辦法是捕捉到正在死去的質(zhì)子。許多年來，實(shí)驗(yàn)人員一直在地下實(shí)驗(yàn)
空中密切注視大型的水槽，等待著原子內(nèi)部質(zhì)子的死去。但迄今未止質(zhì)子
的死亡率是零，這意味著要么質(zhì)子十分穩(wěn)定，要么它們的壽命很長——估
計(jì)在10億億億億年以上。
4．自然界是超對稱的嗎？如果是，超對稱性是如何破滅的?
許多物理學(xué)家認(rèn)為，把包括引力在內(nèi)的所有作用力統(tǒng)一成為單一的理
論要求證明兩種差異極大的粒子實(shí)際上存在密切的關(guān)系，這種關(guān)系就是所
謂的超對稱現(xiàn)象。
第一種粒子是費(fèi)密子，可以把它們粗略地說成是物質(zhì)的基本組件，就
像質(zhì)子、電子和中子一樣。它們聚集在一起組成物質(zhì)。另一種粒子是玻色
子，它們是傳遞作用力的粒子，類似于傳遞光的光子。在超對稱的條件下，
每一個(gè)費(fèi)密子都有一個(gè)與之對應(yīng)的玻色子，反之亦然。
物理學(xué)家有杜撰古怪名字的沖動(dòng)，他們把所謂的超級(jí)對稱粒子稱為
“Sparticle”。但由于在自然界中還沒有觀察到5particle，物理學(xué)家
還需要解釋這種對稱性“破滅”的原因：隨著宇宙冷卻并凝結(jié)成現(xiàn)在的這
種不對稱狀態(tài)，在其誕生之際所存在的數(shù)學(xué)上的完美被打破了。
5．為什么宇宙表現(xiàn)為一個(gè)時(shí)間維數(shù)和三個(gè)空間維數(shù)?
這只是因?yàn)檫€沒有想到一個(gè)可以接受的答案，只是因?yàn)槌松舷隆⒆?
右、前后，人們無法想像在更多的方向上運(yùn)動(dòng)。這并不意味著宇宙原本就
是這樣的。實(shí)際上，根據(jù)超弦理論，肯定還存存著另外六個(gè)維數(shù)，每一維
都呈卷曲狀，十分微小，因而無法察覺。如果這一理論是正確的，那么為
什么只有這三個(gè)維數(shù)是伸展開來的，留給我們這個(gè)相對幽閉恐怖的空間呢?
6．為什么宇宙常數(shù)有它自身的數(shù)值?它是否為零，是否真正恒定?
直到最近，宇宙學(xué)家仍然認(rèn)為宇宙是以一個(gè)穩(wěn)定的速度在膨脹。但最
近的觀察發(fā)現(xiàn)，宇宙可能膨脹得越來越快。人們用一個(gè)叫宇宙常數(shù)的數(shù)字
來描述這種輕微的加速。這個(gè)常數(shù)是否如人們早期所認(rèn)為的是零，或者是
一個(gè)非常小的數(shù)值，物理學(xué)家現(xiàn)在還無法做出解釋。
根據(jù)一些基本計(jì)算，這個(gè)常數(shù) 應(yīng)該很大——是我們觀測結(jié)果的大約
10到122倍。換句話說，宇宙應(yīng)該以跳躍般的速度在膨脹。而實(shí)際情況并
非如此，肯定有什么機(jī)制在壓制這種作用。如果宇宙真是超對稱性的，那
宇宙常數(shù)就該被完全抵消掉。但這種對稱性——如果確實(shí)存在的話——看
來已經(jīng)破滅。如果這個(gè)常數(shù)隨時(shí)間的變化而變化的話，那情況就更加復(fù)雜
了。
7．M理論的基本自由度( M理論的低能極限是 ll維的超引力，它包含5種
相容的超弦理論)是多少?這一理論是否真實(shí)地描述了自然?
多年來，超弦理論最大的弱點(diǎn)是它有5個(gè)不同的版本。到底哪一個(gè)——
如果有的話——描述了宇宙?反對這一理論的人最近已經(jīng)接受了被稱為 M理
論的最主要的 l l維理論框架。但情況卻因此變得更加復(fù)雜。
在 M里論前，所有的亞原子粒子都被說成是由微小的超弦組成的。M理
論給組成亞原子的物質(zhì)增加了一種叫做“膜”(brane)的更為神秘的物質(zhì)，
它就像生理學(xué)上的膜一樣，但最多有9個(gè)維數(shù)度?，F(xiàn)在的問題是，什么是更
基本的物質(zhì)組成單位，是膜組成了弦還是剛好相反?或者另外存在著一些更
基本的物質(zhì)單位，只是人們沒有想到罷了?最后，這兩種東西中是否有一種
確實(shí)存在，或者 M理論僅僅是一種迷人的大腦游戲?
8，黑洞信息悖論的解決方法是什么?
根據(jù)量子理論，信息——無淪它描述的是粒子運(yùn)動(dòng)的速度還是油墨顆
粒組成文件的確切方式——是不會(huì)從宇宙中消失的。但物理學(xué)家基普·索
恩、約翰·普雷希爾和斯蒂芬·霍金卻提出了一個(gè)固定的假設(shè)：如果你把
一本大不列顛百科全書扔進(jìn)黑洞中去，將會(huì)發(fā)生什么事?宇宙中是否有其他
同樣的百科全書是無關(guān)緊要的。正如物理學(xué)中所定義的，信息并不等同于
含義，信息僅指二進(jìn)制的數(shù)字，或是一些其他的代碼，它被用來精確地描
述一個(gè)物體或一種方式。所以看起來那些特定的書本里的信息將被吞沒，
并永遠(yuǎn)地消失。但人們覺得這是不可能的。
霍金博士和索恩博士相信那些信息確實(shí)消失了，而量子力學(xué)必須對此
作出解釋。普雷希爾博士推測信息其實(shí)并沒有消失；它也許以某種形式顯
示于黑洞的表面，如同在一個(gè)宇宙中的銀幕上。
9．何種物理學(xué)能夠解釋基本粒子的重力與其典型質(zhì)量之間的巨大差距?
換言之，為什么重力比其他的作用力(如電磁力)要弱得多?一塊磁鐵
能夠吸起一個(gè)回形針，即使整個(gè)地球的引力在把它往下拉。
根據(jù)最近的一種說法，重力實(shí)際上要大得多。它僅僅是看上去比較弱
而已，因?yàn)榇蟛糠种亓ο萑肓四骋粋€(gè)額外的維數(shù)度之中。如果我們可以用
高能粒子加速器俘獲全部的重力，也許就有可能制造出微型黑洞。雖然這
看上去會(huì)引起固體垃圾處理業(yè)的興趣，但這些黑洞很可能剛一形成就消失
了。
10，我們能否定量地理解量子色動(dòng)力學(xué)中的夸克和膠子約束以及質(zhì)量差距
的存在?
量子色動(dòng)力學(xué)( QCD)是描述強(qiáng)核子力的理論。這種力由膠子攜帶，它
把夸克結(jié)合成質(zhì)子和中子這樣的粒子。根據(jù)量子色動(dòng)力學(xué)理論，這些微小
的亞粒子永遠(yuǎn)受到約束。你無法把一個(gè)夸克或腦子從質(zhì)子中分離出來，因
為距離越遠(yuǎn)，這種強(qiáng)作用力就越大，從而迅速地把它們拉回原位。
但物理學(xué)家還沒有最終證明夸克和膠子永遠(yuǎn) 不能逃脫約束。他們也不
能解釋為什么所有能感受強(qiáng)作用力的粒子必須至少有一丁點(diǎn)兒的質(zhì)量，為
什么它們的質(zhì)量不能為零。一些人希望 M理論能提供答案，這一理論也許
還能進(jìn)一步闡明重力的本質(zhì)。
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