当今物理界的几大未解之谜都是诺贝尔奖的候选课题嘛,国际公认的物理学十大难题

19世纪的最后一天，欧洲大量物理学家聚集到一起，讨论物理学的发展。

著名的开尔文男爵非常自信地表示：如今人类的物理学大厦基本已经建成，只差两朵乌云还飘在空中。

最终，这两朵乌云被拨开，物理学“守得云开见月明”。这两朵乌云，就是量子力学和相对论。

可是，拨开了两朵乌云的物理学，不仅没有真的见到晴朗，反而迎来了更多的乌云。

在21世纪的今天，我们的物理学还面临哪些“乌云”呢？

两朵乌云互不相容

问题在于，上面所说的两朵乌云，很显然并不相容。量子力学研究的是极致的小，小到质子，夸克甚至更小，而相对论研究的是无限的大，大到黑洞，星系甚至宇宙。

对于两个不同的物理学领域，需要用到的物理知识也完全不同。相对论研究的物理学要更侧重引力，而量子力学则更需要考虑其他基本力的作用。

为何明明都是一个宇宙的物理学，却需要两套完全不同甚至相反的物理学法则？难道没有一个终极的物理学领域，能够将这两个物理学领域统一到一起，让我们用同一套物理学法则就能理解量子力学和相对论吗？

正负粒子的不平衡

科学家发现，在我们日常生活中各种物质的组成粒子之外，还有和它们质量相等、属性相反的负粒子。

按理来说，正负粒子通过能量转化为质量而形成，都是成对出现。然而事实却是：我们的这个世界几乎完全是由我们的粒子组成，没有负粒子。

究竟是什么原因导致了正负粒子如此的不平衡？我们的世界为何不是由负质子、正电子这些反粒子构成呢？

暗物质的本质

根据科学家的探测，我们的宇宙中，所有可见的物质，包括恒星、行星、黑洞在内，只占宇宙全部质量的4%左右，其余的都是暗物质和暗能量。

可是，直到现在，我们还完全不知道暗物质或者暗能量究竟是什么，也可以说我们对于96%的宇宙是完全未知的。

事实上，暗物质和暗能量都是决定宇宙命运的重要因素。科学家还发现，随着宇宙的膨胀，暗物质的数量还在不断增加。如果我们始终搞不懂暗物质的本质，我们早晚会被它毁掉。

宇宙的结局

宇宙的结局是每个人都关心的问题，这也是人类最终命运的归宿。

宇宙到底会一直膨胀下去，还是膨胀到极限然后开始收缩回奇点，然后不断轮回，这是一个科学家们争论了很久的话题。

目前来看，宇宙的命运很可能就是走向灭亡，如果真的如此，我们该如何保护人类文明不被毁灭，将是一个重大的课题。

物理学未解之谜

100年前，德因数学家戴维·希尔伯特在巴黎的国际数学家大会上以一番发人深省的
话语开始了他划时代的讲话。他在讲话中罗列了当时尚未解决的23个重大难题。希尔伯特
宣称：“—个伟大时代的结束，不仅要求我们回首过去，而且还引导我们回首对未知的将
来进行深思。”随着又一个世纪——实际上是整整一个千年纪元——的结束，有一种要求
显得比以往任何时候更为紧迫，那就是通过罗列最引人入胜的宇宙之谜来显示人类的无知
。
今年5月，马萨诸塞州剑桥的克莱数学学会仿效希尔伯特，在巴黎宣布了7道“千年大
奖难题”，每道题悬赏100万美元征求解答。
无独有偶，上月，存圣巴巴拉加州大学，物理学家们像通常那样不事张扬地结束了一
次有关超弦理论的会议。他们的最后一次讨论题为“干年疯狂”，议程是挑选出他们领域
中10个最匪夷所思的问题。这就像是一场由科学界最聪明的一批人参加的荒岛游戏。
圣巴巴拉加州大学的理论物理学家戴维·格罗斯在公布选出的问题时说：“我是这样
考虑的：如果我从现在起昏迷100年，当我醒来时，我会问什么问题。”
在剔除一些大法问答的问题(例如“怎样获得终身职位?”)后，评委们列出了足够让
物理学家忙上100年的难题。尽管没有任何悬赏，不过，解决下列问题中的任何一个差不
多都能保证获得诺贝尔奖。
1．表达物理世界特征的所有(可测量的)无量纲参数原则上是否都可以推算，或者是否存
在一些仅仅取决于历吏或量子力学偶发事件，因而也是无法推算的参数?
爱因斯坦的表述更为清楚：上帝在创造宇宙时是否有选择?想象上帝坐在控制台前，
准备引发宇宙大爆炸。“我该把光速定在多少?”“我该让这种名 叫电子的小点带多少电
荷?”“我该把普朗克常数——即决定量子大小的参数——的数值定在多大?”他是不是为
了赶时间而胡乱抓来几个数字?抑或这些数值必须如此，因为其中深藏着某种逻辑?
2．量子引力如何帮助解释宇宙起源?
现代物理学的两大理论是标准模型和广义相对论。前者利用量子力学来描述亚原子粒
子以及它们所服从的作用力，而后者是有关引力的理沦。很久以来，物理学家希望合二为
一，得到一种“万物至理”——即量子引力论，以便更深入地了解宇宙，包括宇宙是如何
随着大爆炸自然地诞生的。实现这种融合的首要候选理论是超弦理论，或者叫 M理论——
这是其名称的最新“升级版”，M代表“魔法”( magic)、“神秘”( mystery)或“所有
理论之母”( mother of alltheories)。
3．质子的寿命有多长，如何来理解?
以前人们认为质子与中子不同，它永远不会分裂成更小的颗粒。这曾被当成真理。然
而在70年代，理论物理学家认识到，他们提出的各种可能成为“大一统理论”——该理论
把除引力外的所有作用力汇于一炉——的理论暗示：质子必须是不稳定的。只要有足够长
的时间，在极其偶然的情况下，质子是会分裂的。
办法是捕捉到正在死去的质子。许多年来，实验人员一直在地下实验空中密切注视大
型的水槽，等待着原子内部质子的死去。但迄今未止质子的死亡率是零，这意味着要么质
子十分稳定，要么它们的寿命很长——估计在10亿亿亿亿年以上。
4．自然界是超对称的吗？如果是，超对称性是如何破灭的?
许多物理学家认为，把包括引力在内的所有作用力统一成为单一的理论要求证明两种
差异极大的粒子实际上存在密切的关系，这种关系就是所谓的超对称现象。
第一种粒子是费密子，可以把它们粗略地说成是物质的基本组件，就像质子、电子和
中子一样。它们聚集在一起组成物质。另一种粒子是玻色子，它们是传递作用力的粒子，
类似于传递光的光子。在超对称的条件下，每一个费密子都有一个与之对应的玻色子，反
之亦然。
物理学家有杜撰古怪名字的冲动，他们把所谓的超级对称粒子称为“Sparticle”。
但由于在自然界 中还没有观察到5particle，物理学家还需要解释这种对称性“破灭”的
原因：随着宇宙冷却并凝结成现在的这种不对称状态，在其诞生之际所存在的数学上的完
美被打破了。
5．为什么宇宙表现为一个时间维数和三个空间维数?
这只是因为还没有想到一个可以接受的答案，只是因为除了上下、左右、前后，人们
无法想像在更多的方向 上运动。这并不意味着宇宙原本就是这样的。实际上，根据超弦
理论，肯定还存存着另外六个维数，每一维都呈卷曲状，十分微小，因而无法察觉。如果
这一理论是正确的，那么为什么只有这三个维数是伸展开来的，留给我们这个相对幽闭恐
怖的空间呢?
6．为什么宇宙常数有它自身的数值?它是否为零，是否真正恒定?
直到最近，宇宙学家仍然认为宇宙是以一个稳定的速度在膨胀。但最近的观察发现，
宇宙可能膨胀得越来越快。人们用一个叫宇宙常数的数字来描述这种轻微的加速。这个常
数是否如人们早期所认为的是零，或者是一个非常小的数值，物理学家现在还无法做出解
释。
根据一些基本计算，这个常数 应该很大——是我们观测结果的大约10到122倍。换句
话说，宇宙应该以跳跃般的速度在膨胀。而实际情况并非如此，肯定有什么机制在压制这
种作用。如果宇宙真是超对称性的，那宇宙常数就该被完全抵消掉。但这种对称性——如
果确实存在的话——看来已经破灭。如果这个常数随时间的变化而变化的话，那情况就更
加复杂了。
7．M理论的基本自由度( M理论的低能极限是 ll维的超引力，它包含5种相容的超弦理论
)是多少?这一理论是否真实地描述了自然?
多年来，超弦理论最大的弱点是它有5个不同的版本。到底哪一个——如果有的话—
—描述了宇宙?反对这一理论的人最近已经接受了被称为 M理论的最主要的 l l维理论框
架。但情况却因此变得更加复杂。
在 M里论前，所有的亚原子粒子都被说成是由微小的超弦组成的。M理论给组成亚原
子的物质增加了一种叫做“膜”(brane)的更为神秘的物质，它就像生理学上的膜一样，
但最多有9个维数度。现在的问题是，什么是更基本的物质组成单位，是膜组成了弦还是
刚好相反?或者另外存在着一些更基本的物质单位，只是人们没有想到罢了?最后，这两种
东西中是否有一种确实存在，或者 M理论仅仅是一种迷人的大脑游戏?
8，黑洞信息悖论的解决方法是什么?
根据量子理论，信息——无沦它描述的是粒子运动的速度还是油墨颗粒组成文件的确
切方式——是不会从宇宙中消失的。但物理学家基普·索恩、约翰·普雷希尔和斯蒂芬·
霍金却提出了一个固定的假设：如果你把一本大不列颠百科全书扔进黑洞中去，将会发生
什么事?宇宙中是否有其他同样的百科全书是无关紧要的。正如物理学中所定义的，信息
并不等同于含义，信息仅指二进制的数字，或是一些其他的代码，它被用来精确地描述一
个物体或一种方式。所以看起来那些特定的书本里的信息将被吞没，并永远地消失。但人
们觉得这是不可能的。
霍金博士和索恩博士相信那些信息确实消失了，而量子力学必须对此作出解释。普雷
希尔博士推测信息其实并没有 消失；它也许以某种形式显示于黑洞的表面，如同在一个
宇宙中的银幕上。
9．何种物理学能够解释基本粒子的重力与其典型质量之间的巨大差距?
换言之，为什么重力比其他的作用力(如电磁力)要弱得多?一块磁铁能够吸起一个回
形针，即使整个地球的引力在把它往下拉。
根据最近的一种说法，重力实际上要大得多。它仅仅是看上去比较弱而已，因为大部
分重力陷入了某一个额外的维数度之中。如果我们可以用高能粒子加速器俘获全部的重力
，也许就有可能制造出微型黑洞。虽然这看上去会引起固体垃圾处理业的兴趣，但这些黑
洞很可能刚一形成就消失了。
10.我们能否定量地理解量子色动力学中的夸克和胶子约束以及质量差距的存在?
量子色动力学( QCD)是描述强核子力的理论。这种力由胶子携带，它把夸克结合成质
子和中子这样的粒子。根据量子色动力学理论，这些微小的亚粒子永远受到约束。你无法
把一个夸克或脑子从质子中分离出来，因为距离越远，这种强作用力就越大，从而迅速地
把它们拉回原位。
但物理学家还没有最终证明夸克和胶子永远 不能逃脱约束。他们也不能解释为什么
所有能感受强作用力的粒子必须至少有一丁点儿的质量，为什么它们的质量不能为零。一
些人希望 M理论能提供答案，这一理论也许还能进一步阐明重力的本质。
题目业已发送。请查收

现今，物理未解之谜（题）

100年前，德因数学家戴维·希尔伯特在巴黎的国际数学家大会上以一番发人深省的
话语开始了他划时代的讲话。他在讲话中罗列了当时尚未解决的23个重大难题。希尔伯特
宣称：“—个伟大时代的结束，不仅要求我们回首过去，而且还引导我们回首对未知的将
来进行深思。”随着又一个世纪——实际上是整整一个千年纪元——的结束，有一种要求
显得比以往任何时候更为紧迫，那就是通过罗列最引人入胜的宇宙之谜来显示人类的无知
。
今年5月，马萨诸塞州剑桥的克莱数学学会仿效希尔伯特，在巴黎宣布了7道“千年大
奖难题”，每道题悬赏100万美元征求解答。
无独有偶，上月，存圣巴巴拉加州大学，物理学家们像通常那样不事张扬地结束了一
次有关超弦理论的会议。他们的最后一次讨论题为“干年疯狂”，议程是挑选出他们领域
中10个最匪夷所思的问题。这就像是一场由科学界最聪明的一批人参加的荒岛游戏。
圣巴巴拉加州大学的理论物理学家戴维·格罗斯在公布选出的问题时说：“我是这样
考虑的：如果我从现在起昏迷100年，当我醒来时，我会问什么问题。”
在剔除一些大法问答的问题(例如“怎样获得终身职位?”)后，评委们列出了足够让
物理学家忙上100年的难题。尽管没有任何悬赏，不过，解决下列问题中的任何一个差不
多都能保证获得诺贝尔奖。
1．表达物理世界特征的所有(可测量的)无量纲参数原则上是否都可以推算，或者是否存
在一些仅仅取决于历吏或量子力学偶发事件，因而也是无法推算的参数?
爱因斯坦的表述更为清楚：上帝在创造宇宙时是否有选择?想象上帝坐在控制台前，
准备引发宇宙大爆炸。“我该把光速定在多少?”“我该让这种名 叫电子的小点带多少电
荷?”“我该把普朗克常数——即决定量子大小的参数——的数值定在多大?”他是不是为
了赶时间而胡乱抓来几个数字?抑或这些数值必须如此，因为其中深藏着某种逻辑?
2．量子引力如何帮助解释宇宙起源?
现代物理学的两大理论是标准模型和广义相对论。前者利用量子力学来描述亚原子粒
子以及它们所服从的作用力，而后者是有关引力的理沦。很久以来，物理学家希望合二为
一，得到一种“万物至理”——即量子引力论，以便更深入地了解宇宙，包括宇宙是如何
随着大爆炸自然地诞生的。实现这种融合的首要候选理论是超弦理论，或者叫 M理论——
这是其名称的最新“升级版”，M代表“魔法”( magic)、“神秘”( mystery)或“所有
理论之母”( mother of alltheories)。
3．质子的寿命有多长，如何来理解?
以前人们认为质子与中子不同，它永远不会分裂成更小的颗粒。这曾被当成真理。然
而在70年代，理论物理学家认识到，他们提出的各种可能成为“大一统理论”——该理论
把除引力外的所有作用力汇于一炉——的理论暗示：质子必须是不稳定的。只要有足够长
的时间，在极其偶然的情况下，质子是会分裂的。
办法是捕捉到正在死去的质子。许多年来，实验人员一直在地下实验空中密切注视大
型的水槽，等待着原子内部质子的死去。但迄今未止质子的死亡率是零，这意味着要么质
子十分稳定，要么它们的寿命很长——估计在10亿亿亿亿年以上。
4．自然界是超对称的吗？如果是，超对称性是如何破灭的?
许多物理学家认为，把包括引力在内的所有作用力统一成为单一的理论要求证明两种
差异极大的粒子实际上存在密切的关系，这种关系就是所谓的超对称现象。
第一种粒子是费密子，可以把它们粗略地说成是物质的基本组件，就像质子、电子和
中子一样。它们聚集在一起组成物质。另一种粒子是玻色子，它们是传递作用力的粒子，
类似于传递光的光子。在超对称的条件下，每一个费密子都有一个与之对应的玻色子，反
之亦然。
物理学家有杜撰古怪名字的冲动，他们把所谓的超级对称粒子称为“Sparticle”。
但由于在自然界 中还没有观察到5particle，物理学家还需要解释这种对称性“破灭”的
原因：随着宇宙冷却并凝结成现在的这种不对称状态，在其诞生之际所存在的数学上的完
美被打破了。
5．为什么宇宙表现为一个时间维数和三个空间维数?
这只是因为还没有想到一个可以接受的答案，只是因为除了上下、左右、前后，人们
无法想像在更多的方向 上运动。这并不意味着宇宙原本就是这样的。实际上，根据超弦
理论，肯定还存存着另外六个维数，每一维都呈卷曲状，十分微小，因而无法察觉。如果
这一理论是正确的，那么为什么只有这三个维数是伸展开来的，留给我们这个相对幽闭恐
怖的空间呢?
6．为什么宇宙常数有它自身的数值?它是否为零，是否真正恒定?
直到最近，宇宙学家仍然认为宇宙是以一个稳定的速度在膨胀。但最近的观察发现，
宇宙可能膨胀得越来越快。人们用一个叫宇宙常数的数字来描述这种轻微的加速。这个常
数是否如人们早期所认为的是零，或者是一个非常小的数值，物理学家现在还无法做出解
释。
根据一些基本计算，这个常数 应该很大——是我们观测结果的大约10到122倍。换句
话说，宇宙应该以跳跃般的速度在膨胀。而实际情况并非如此，肯定有什么机制在压制这
种作用。如果宇宙真是超对称性的，那宇宙常数就该被完全抵消掉。但这种对称性——如
果确实存在的话——看来已经破灭。如果这个常数随时间的变化而变化的话，那情况就更
加复杂了。
7．M理论的基本自由度( M理论的低能极限是 ll维的超引力，它包含5种相容的超弦理论
)是多少?这一理论是否真实地描述了自然?
多年来，超弦理论最大的弱点是它有5个不同的版本。到底哪一个——如果有的话—
—描述了宇宙?反对这一理论的人最近已经接受了被称为 M理论的最主要的 l l维理论框
架。但情况却因此变得更加复杂。
在 M里论前，所有的亚原子粒子都被说成是由微小的超弦组成的。M理论给组成亚原
子的物质增加了一种叫做“膜”(brane)的更为神秘的物质，它就像生理学上的膜一样，
但最多有9个维数度。现在的问题是，什么是更基本的物质组成单位，是膜组成了弦还是
刚好相反?或者另外存在着一些更基本的物质单位，只是人们没有想到罢了?最后，这两种
东西中是否有一种确实存在，或者 M理论仅仅是一种迷人的大脑游戏?
8，黑洞信息悖论的解决方法是什么?
根据量子理论，信息——无沦它描述的是粒子运动的速度还是油墨颗粒组成文件的确
切方式——是不会从宇宙中消失的。但物理学家基普·索恩、约翰·普雷希尔和斯蒂芬·
霍金却提出了一个固定的假设：如果你把一本大不列颠百科全书扔进黑洞中去，将会发生
什么事?宇宙中是否有其他同样的百科全书是无关紧要的。正如物理学中所定义的，信息
并不等同于含义，信息仅指二进制的数字，或是一些其他的代码，它被用来精确地描述一
个物体或一种方式。所以看起来那些特定的书本里的信息将被吞没，并永远地消失。但人
们觉得这是不可能的。
霍金博士和索恩博士相信那些信息确实消失了，而量子力学必须对此作出解释。普雷
希尔博士推测信息其实并没有 消失；它也许以某种形式显示于黑洞的表面，如同在一个
宇宙中的银幕上。
9．何种物理学能够解释基本粒子的重力与其典型质量之间的巨大差距?
换言之，为什么重力比其他的作用力(如电磁力)要弱得多?一块磁铁能够吸起一个回
形针，即使整个地球的引力在把它往下拉。
根据最近的一种说法，重力实际上要大得多。它仅仅是看上去比较弱而已，因为大部
分重力陷入了某一个额外的维数度之中。如果我们可以用高能粒子加速器俘获全部的重力
，也许就有可能制造出微型黑洞。虽然这看上去会引起固体垃圾处理业的兴趣，但这些黑
洞很可能刚一形成就消失了。
10.我们能否定量地理解量子色动力学中的夸克和胶子约束以及质量差距的存在?
量子色动力学( QCD)是描述强核子力的理论。这种力由胶子携带，它把夸克结合成质
子和中子这样的粒子。根据量子色动力学理论，这些微小的亚粒子永远受到约束。你无法
把一个夸克或脑子从质子中分离出来，因为距离越远，这种强作用力就越大，从而迅速地
把它们拉回原位。
但物理学家还没有最终证明夸克和胶子永远 不能逃脱约束。他们也不能解释为什么
所有能感受强作用力的粒子必须至少有一丁点儿的质量，为什么它们的质量不能为零。一
些人希望 M理论能提供答案，这一理论也许还能进一步阐明重力的本质。