物理学中的 25 个难题 世界著名理论物理学家、2004 年诺贝尔物理学奖获得者、美国 Kavli 理论物理研究所所长大卫· 格罗斯(David Gross)教授在 2005 年 2 月 27 日中国科学院理论物理所作了题为“The future of physics--物理学的将来”的科学报告。 格罗斯教授的“The Future of Physics”报告,讨论了当前物理学面临的 25 个问题及它们如何引导物理学未来 25 年的发展。格罗斯说,过去 25 年到 35 年中,物理学取得了巨大进展,但同时人们面临的未知事物同样增多。他将这些“未知”归纳为当前物理学面临的 25 个问题,认为它们将 引导物理学下一个 25 年的发展。分属宇宙论、天体物理学、凝聚态物理学、粒子物理学、弦理论、生物物理学和科学政策及社会学七大领域的这 25 个问题,广泛涉及宇宙起源、暗物质、暗能量、星体形成、广义相对论、量子力学、复杂性、量子计算机、理论生物学、基因组学和计算物理学 等。 2005 年 2 月 27 日,格罗斯教授在“前沿科学论坛”上发表演讲的具体问题包括: 1.宇宙起源:宇宙学观测表明宇宙是膨胀着的。通过对微波背景辐射和宇宙大尺度结构等的观测,宇宙的历史可以追溯到极早期发生的大爆 炸。我们所知的基本物理,比如广义相对论和粒子物理标准模型,在那里都不适用。为理解宇宙起源,需要了解大爆炸时期的基本物理。 2.暗物质的本质:现代宇宙学观测表明宇宙中存在暗物质和暗能量。但是它们的起源仍然是个谜。 3.暗能量的本质 4.恒星、行星的形成:天体的形成是天体物理学中的重要问题。适合生物存在的行星,在银河系中出现的几率到底是多少? 5.广义相对论:广义相对论在所有尺度上都是正确的吗? 6.量子力学:量子力学取得了巨大成功,但它描述的是自然的最终理论吗?也许它会在很小的距离上和非常复杂的系统中失效,是否可用来 描绘整个宇宙也还值得探讨。 7.标准模型:粒子物理标准模型无疑极为成功,但人们并没有理解夸克和轻子的质量混合的物理起源和中微子的质量等。 8.超对称:存在低能超对称吗?超对称伴子的质量谱是什么? 9.量子色动力学(QCD):量子色动力学可以完全求解吗? 10.弦论:超弦理论是一个有望成功地统一自然相互作用的理论,但它到底是什么? 11.时空的观念:时空是什么?超弦理论最终可能会放弃时间和空间这两个概念。 12.物理理论是否与环境相关:物理的基本参数和规律都可以计算, 还是仅由历史的或量子的偶然性决定, 或者是由人择原理来确定?景观的 图像是对的吗? 13.新物态:存在常规实验可探查的一般非费米流体行为吗? 14.复杂性:对一般的复杂大系统而言,其内在的混沌特性决定了系统的不可预测性。如何运用计算手段来分析这类系统、鉴别哪些特征? 15.量子计算机:如何防止量子计算中的“退相干”?如何实际制造量子计算机? 16.物理学的应用:如何得到室温甚至室温以上的超导材料?如何用电子材料(如半导体)制造室温铁磁体? 17.理论生物学:生物学的理论是什么?理论物理学有助于生物学研究吗?需要新的数学吗?如何描述生物体这样呈现出多时间尺度动力学 的体系? 18.基因组学:物理学家如何参与基因组的“解密”?可能拥有一个定量的、可预测的进化理论吗?甚至能否直接从基因组出发“计算”有机体的 形状? 19.意识的研究:记忆和意识后面的自组织原则是什么?有可能在幼儿期测量到意识的发生吗?什么时候?如何发生?如何测量?能否制造 一个具有“自由意志”的机器? 20.计算物理学:计算机能代替解析计算吗?如果是,那么将来物理学家所受的训练该如何相应改变? 21.物理学的分化:物理学自身发展日益分化,如何面对这种状况? 22.还原论:是否应该怀疑这个物理学的根本逻辑?是否保持一个开放的态度? 23.“理论”应该扮演何种角色:“理论”是否应仅仅靠实验来判断正误, 或者应该是由基本物理原理发展出来的对自然“更高”层次的理解, 而可以 不顾及是否能在实际中实现?在对复杂系统的细节描述中,如何估价物理学家一贯坚持的“简洁性”和数学“优美性”等原则? 24.物理学未来发展中潜在的危险:如何面对越来越大、 越来越难以实现的物理学实验计划?在这种形式下, 新的研究途径该是怎样的?理论 在探索自然方面应该起什么作用? 25.物理学是否仍将是最重要的科学? 格罗斯认为,基础科学是一切学科和社会文明的基础,“聪明的人应该选择基础物理研究!”