當今物理學界25大難題

DavidGross：21世紀物理學的25個難題大衛(wèi)·格羅斯【①】作者簡介：大衛(wèi)·格羅斯（DavidGross），美國國家科學院院士，加州大學圣巴巴拉分校（UniversityofCaliforniaatSantaBarbara）卡維利理論物理研究所（KavliInstituteforTheoreticalPhysics

）所長。格羅斯教授是量子色動力學的奠基人之一，當代弦理論專家，因發(fā)現(xiàn)強相互作用中的漸近自由現(xiàn)象2004年與弗蘭克·維爾切克（FrankWilczek）和戴維·波利策（DavidPolitzer）分享了當年度的諾貝爾物理學獎。編者按：

1900年，在巴黎國際數(shù)學家代表大會上，德國數(shù)學家大衛(wèi)·希爾伯特（DavidHilbert，1864－1943）根據(jù)19世紀數(shù)學研究成果和發(fā)展趨勢，提出了新世紀數(shù)學家應(yīng)該致力解決的23個數(shù)學問題。希爾伯特的演講，對20世紀的數(shù)學發(fā)展，產(chǎn)生了極大的影響。100余年之后的2004年，另一個大衛(wèi)，因發(fā)現(xiàn)量子色動力學中的“漸近自由”現(xiàn)象而榮獲2004年諾貝爾物理學獎的美國物理學家大衛(wèi)·格羅斯教授，同樣就未來物理學的發(fā)展，提出了25個問題。也許人們會說，在物理學領(lǐng)域提出問題要比數(shù)學領(lǐng)域容易得多，因為物理學就像大江大河，而數(shù)學則像尼羅河三角洲中縱橫交錯的河網(wǎng)。但若是反過來想一想，既然物理學界對前沿問題具有更廣泛的共識，我們就不難明白，格羅斯教授所提出的問題對未來物理學發(fā)展的重要意義。有趣的是，這25個問題中，有1/3落在物理學的邊緣地帶，其中3個與計算機科學相關(guān)，3個與生物學相關(guān)，4個與哲學和社會學相關(guān)。格羅斯教授的演講，最初是為美國加州大學卡維利理論物理研究所成立25周年慶典而準備的，該慶典云集了物理學各領(lǐng)域的世界一流學者。此后數(shù)月，格羅斯教授先后在歐洲核子中心（CERN）、中國科學院理論物理研究所、浙江大學等地作過內(nèi)容相近的講演。這份講稿來自于我在2004年10月7日卡維利理論物理研究所（KITP）25周年慶祝會議上所作的演講。在這次會議中，與會者被邀請?zhí)岢鲆恍┛赡芤龑锢韺W研究的問題，廣泛地說，在未來25年可能引導物理學研究的問題，講稿中的一部分內(nèi)容就來自于與會者所提出的問題。1、宇宙起源第1個問題關(guān)于宇宙的起源。這個問題不僅對于科學而且對于哲學和宗教都是一個永久的問題。現(xiàn)在它是理論物理學和宇宙學亟待解決的問題：“宇宙是如何開始的？”根據(jù)最新的觀察，我們知道宇宙正在膨脹。因此，如果我們讓時光倒流，宇宙將會收縮。如果我們應(yīng)用愛因斯坦方程和我們關(guān)于粒子物理學的知識，我們可以或多或少對哪兒會出現(xiàn)“初始奇點”做出近似的推斷。在“初始奇點”，宇宙收縮成為一種難以置信的高密度和高能量的狀態(tài)——即通常所稱的“大爆炸”。我們不知道在大爆炸點（atthebigbang）發(fā)生了什么，我們所知的基礎(chǔ)物理的所有方法——不僅是廣義相對論和標準模型，甚至包括我所知的弦理論——都失靈了。為了理解宇宙是如何開始的，我們需要了解什么是大爆炸。宇宙學家觀察到微波背景輻射中臨近大爆炸時發(fā)生的量子漲落的痕跡。這些漲落是宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的起源。因此，對于宇宙學和天體物理學而言，理解在大爆炸點真正發(fā)生了什么是一個急迫的任務(wù)。有沒有方法能夠直接觀察到臨近大爆炸時的物理狀態(tài)？我們往回能夠推多遠？利用普通的輻射，我們能夠回推到大爆炸之后的十萬年左右，但是不能更早。這次會議上有許多這樣的討論：我們能否利用引力輻射或CMB中的信號來發(fā)展出新的觀察或理論方法，從而將我們的觀察回推到大爆炸點為止的整個過程。那么理論的狀況又如何？我們可以確切地說出在宇宙創(chuàng)生時發(fā)生了什么嗎？弦理論已經(jīng)成功地消除了廣義相對論中產(chǎn)生的奇點。但是，弦理論能夠處理的奇點不是大爆炸所產(chǎn)生的那種類型。大爆炸所產(chǎn)生的是與時間無關(guān)的靜態(tài)奇點。弦理論能消除初始奇異點嗎？能告訴我們宇宙是如何開始的嗎？能告訴我們宇宙的初始狀態(tài)是什么，或者宇宙的初始波函數(shù)是什么嗎？一些人推測根本就不存在一個起點，而是宇宙很大，隨后塌陷，然后再次膨脹。一些人鼓吹一個循環(huán)的宇宙。我相信更為可能的是，時間自身是一個突現(xiàn)的概念（emergentconcept），如弦理論所暗示的一樣。因此，為了回答諸如

“宇宙是如何開始的”和“時間是如何開始的”這一類問題，我們需要重新明確表述這些問題或者改變這些問題，就如同在物理學中經(jīng)常出現(xiàn)的那樣。隨后這些問題可能更容易回答。無論如何，上述問題無疑將在未來引導暴漲宇宙學和弦論宇宙學中的大量研究。2、暗物質(zhì)第2個問題研究的是我們在最近幾年內(nèi)發(fā)現(xiàn)的暗物質(zhì)的本質(zhì)。現(xiàn)在看來，宇宙中絕大多數(shù)物質(zhì)不是由構(gòu)成我們的粒子組成的，而是某種我們不能直接看到的新類型的物質(zhì)。這種“暗物質(zhì)”不發(fā)出輻射，可以推想，它與普通粒子和輻射的相互作用非常微弱。我們只能通過它的引力效應(yīng)而知道它的存在。我們可以通過觀察星系邊緣的普通物質(zhì)的軌道而測量它的質(zhì)量。結(jié)果是宇宙的25％由暗物質(zhì)組成，而不是由質(zhì)子、中子、夸克或電子構(gòu)成。普通的重子物質(zhì)，即組成我們的物質(zhì)，僅占目前宇宙質(zhì)量或能量密度的3-4％。因此什么是暗物質(zhì)？我們能在實驗室直接觀察到它嗎？它是如何與普通物質(zhì)相互作用的？主流的假設(shè)是暗物質(zhì)由弱相互作用大質(zhì)量粒子（WeaklyInteractingMassiveParticles，WIMP）組成。粒子物理學家已經(jīng)構(gòu)造出許多推測模型，這些模型超出了粒子物理學的標準模型，通常包括許多可能組成暗物質(zhì)的候選粒子。我喜歡的候選粒子是“neutralino”（中性伴隨子），標準模型的超對稱擴展中的最輕的中性粒子，它是構(gòu)成暗物質(zhì)的一個理想的候選粒子。但是暗物質(zhì)也可能由“軸子”或其他粒子構(gòu)成，軸子是為解決強CP問題而發(fā)明的另外一個預(yù)測粒子。于是出現(xiàn)了觀測問題，我們是否能在實驗室中制造和檢測暗物質(zhì)？我們能直接探測到充滿和包圍星系的暗物質(zhì)嗎？暗物質(zhì)在宇宙中是如何分布的？關(guān)于星系的結(jié)構(gòu)和形成，暗物質(zhì)向我們提供了什么信息？在星系的形成和分布的當前模型中，暗物質(zhì)扮演了一個至關(guān)重要的角色。正是暗物質(zhì)進行了第一次塌陷，隨后普通物質(zhì)出現(xiàn)，并塌陷成為大塊的暗物質(zhì)（theclumpsofdarkmatter）。我們還不能以充足的定量細節(jié)來理解星系是如何形成的，為了達到這個目標，我們需要真正理解暗物質(zhì)的本質(zhì)和特性。3、暗能量第3個問題與最近的發(fā)現(xiàn)有關(guān)，宇宙中的絕大部分能量是一種新形式的能量，即所謂的“暗能量”。暗能量施加負壓力，負壓力導致了宇宙膨脹的加速，通過觀察這種加速作用，天體物理學家已經(jīng)推斷出當前宇宙的70％的能量密度是暗能量的形式。這是最近一二十年內(nèi)最神奇和最驚人的發(fā)現(xiàn)之一。什么是暗能量？最簡單的假設(shè)是暗能量是恒定的，但是它也可能會隨著時間而發(fā)生變化，然而，如何從觀察上確定暗能量真是恒定的還是隨著時間變化？關(guān)于暗能量的最簡單假設(shè)是它是“宇宙學常數(shù)”Λ，當初愛因斯坦將它引入他的方程以便得出一個靜態(tài)的宇宙。但是隨后（人們）認識到愛因斯坦的靜態(tài)宇宙是不穩(wěn)定的；而且人們發(fā)現(xiàn)，宇宙不是靜態(tài)的，它正在膨脹。因此，愛因斯坦放棄了宇宙學常數(shù)。他曾經(jīng)說過Λ是他最大的錯誤。但是現(xiàn)在測量顯示，看來存在一個不為零的、并具有負壓力的能量，它看起來就像是一個宇宙學常數(shù)。它真是一個宇宙學常數(shù)嗎？還是其他東西？我們應(yīng)該怎樣解釋呢？宇宙中的絕大多數(shù)能量是真空能，然而卻不可能“看到”它，除非您測量整個宇宙的膨脹，這真是令人驚奇。還有檢測暗能量的其他方法嗎？4

恒星、行星的形成第4個問題研究的是更實際的天體物理問題：比星系小的恒星和行星物體的形成?，F(xiàn)在有一個關(guān)于恒星形成的合理理論，但它并不是定量的，我們希望讓它成為定量理論。我們能夠真正理解恒星質(zhì)量的范圍嗎？有多少雙星形成？最初雙星被認為是罕見的?，F(xiàn)在認為所有恒星中至少有一半在雙星中形成。我們可以計算雙星的頻率嗎？恒星是如何成組的？新的觀察已經(jīng)回溯到第一批恒星形成的時期，這在一定程度上重新喚起了人們對這些問題的興趣。第一批恒星形成時的環(huán)境與今天現(xiàn)存的環(huán)境是不同的。例如，那時沒有天體物理學家所稱的“金屬”——比氦重的元素，因為比氦重的所有元素都是在恒星中形成的。第一批恒星只有氫和氦。如果恒星形成的理論足夠完善，那么天體物理學家就可以告訴我們第一批形成的恒星的本質(zhì)。但是，實際上，觀測的結(jié)果出乎意料之外，它們與理論預(yù)測并不相符合。因此，關(guān)于恒星形成的理論以及檢驗這些理論的新途徑，還有很多東西我們并不清楚。一個出現(xiàn)只有大約10年的新論題，是行星形成的理論。我們第一次能夠直接觀察到我們自身的太陽系之外的行星?，F(xiàn)在已經(jīng)觀察到幾百顆行星，我們正在開始積累關(guān)于行星系統(tǒng)的真實數(shù)據(jù)。這是非常有趣的科學。其中最有趣的事情之一就是尋找我們太陽系之外的生命。因此，我們問道：適宜居住的行星有多大的頻度？銀河系中有多少行星能夠支撐生命？我們能否發(fā)展出從觀察上確定一個行星上面是否存在生命的技術(shù)？能否通過觀察這些行星的大氣層的譜線而確定它上面是否存在生命？這樣看來，行星理論和行星科學突然變成一個非常有活力的領(lǐng)域，受到大部分非常年輕的天體物理學家的歡迎。這是一個非常令人激動的研究領(lǐng)域。5、廣義相對論關(guān)于廣義相對論（GR），愛因斯坦的引力理論，宇宙學的語言，以及討論宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)的理論框架，存在許多問題。這次會議的一些與會者問到：我們目前對GR的理解在所有尺度上都是正確的嗎？GR在一些案例中已經(jīng)得到了令人十分信服的驗證。但是有兩個區(qū)域我們根本沒有進行過實驗。一個是短距離。事實上，對于小于一毫米的距離，我們的確沒有檢驗過牛頓的引力理論。另一個區(qū)域是引力非常強的地方，那里強大的引力造成了空－時流形的極度彎曲，例如黑洞附近。一個好的問題是：我們能用觀測來確定克爾度規(guī)（Kerrmetric）是否正確描述了黑洞周圍的幾何學嗎？在一個黑洞形成時，只要我們知道這個黑洞的質(zhì)量和自旋，那么它周圍的空間和時間的幾何學便是完全確定的?，F(xiàn)在人們相信，宇宙中有許多黑洞。事實上，看來在每個星系的中心都有一個質(zhì)量巨大的黑洞。天體物理學家和理論物理學家正在設(shè)法解決如何利用對掉進黑洞的物質(zhì)所發(fā)出的輻射的觀測來確定空間－時間幾何。或許我們能夠確定克爾度規(guī)是否正確描述了我們的星系中心的黑洞外部的空間－時間。6、量子力學現(xiàn)代物理學的另一個理論支柱是量子力學（QM）。有趣的是，這次會議上，許多最卓越的參與者都在詢問，QM是不是自然的最終解釋。一些人如霍夫特（t’Hooft）就提出，在極小距離上QM可能失效，并設(shè)想它將被一個決定論性的理論所代替。拉格特（TonyLeggett）關(guān)心QM是否會在大型的復雜系統(tǒng)上失效。理由如下：所有學習QM的人都知道，當你開始考慮薛定鍔貓的時候，你就會有點不舒服。在理解貓是如何處于一種死了和活著的疊加態(tài)的時候，就會有點困難?；蛟SQM不能描述貓；或許對于大型的復雜系統(tǒng)QM可能失效。實驗家非常努力地設(shè)法解決這些問題。在大型的宏觀復雜系統(tǒng)上檢驗QM的嘗試，為實驗物理學家提供了強大的動力。彭羅斯（RogerPenrose）相信，在你試圖描述心靈（mind），或者一個具有意識的系統(tǒng)的時候，QM將會失效。維格納（EugeneWigner）也相信這一點。就個人來說，這三個問題對我構(gòu)不成問題，量子力學我也看不出存在什么問題。但是第四個問題卻是同樣困擾著我。我們?nèi)绾问褂肣M將宇宙作為一個整體加以描述？討論宇宙的波函數(shù)的意義是什么呢？在當前的暴漲理論中，林德（AndrewLinde）等人在談?wù)撚钪娴牟煌瑓^(qū)域的內(nèi)部暴漲，內(nèi)部暴漲產(chǎn)生了一長串宇宙，所謂“多宇宙”（multiverse），不同的宇宙彼此之間沒有任何交流。描述這樣一個“多宇宙”的QM意味著什么？7、粒子物理學第7個問題，我們轉(zhuǎn)向粒子物理學。對于基本粒子物理學的標準模型，電弱相互作用和強相互作用的理論，可以提出許多問題。標準模型是一個極為成功的理論，它符合所有現(xiàn)存的實驗。但是它還有許多未解之謎，還有許多未定的問題，其中一些我們不認為可以容易地得到答案。標準模型最神秘的特征是物質(zhì)的基本成分的質(zhì)量和混合（mixing），我們現(xiàn)在相信這些基本成分就是夸克和輕子。它們具有非常奇怪的質(zhì)量譜。頂夸克的質(zhì)量是上夸克質(zhì)量的十萬倍。夸克在各種相互作用下混合。中微子甚至具有一種更為奇特的質(zhì)量模式。這種質(zhì)量譜來自于何處？標準模型，甚至標準模型的簡單場理論的推廣，對此確實給不出好的主意。標準模型的許多其他特征同樣是神秘的。我們?nèi)绾谓忉屩刈拥钠鹪?？重子?shù)是守恒的嗎？現(xiàn)在我們相信重子數(shù)是不守恒的，因為沒有理由認為它應(yīng)該守恒。假如是這樣，在大爆炸演化成宇宙時，就會產(chǎn)生重子。我們知道這種情況會發(fā)生的途徑，以及會產(chǎn)生宇宙中重子不對稱的途徑。但是迄今為止，我們在理論上還不能精確地計算宇宙中的重子數(shù)。我們應(yīng)該能夠做到這一點。我們的確不知道質(zhì)子能夠存活多久。還有許多其他問題不在標準模型之內(nèi)，這些問題的解決，需要一個更全面的理論。8、超對稱依我看來，粒子物理學的基本問題，無論對于理論家還是實驗家，都是超對稱的問題。超對稱是空間和時間的相對論性對稱的一個非凡的新擴展。如果它是真的，那么空間－時間還具有額外的量子維度。超對稱理論表述在超空間中，超空間具有額外的費米子維度，這些維度用反對易數(shù)來度量。超對稱理論在量子維度到普通空間－時間維度的旋轉(zhuǎn)下是對稱的，這就會導致這樣的預(yù)言，即迄今所知的每個粒子都存在一個對應(yīng)的超對稱伙伴。支持超對稱一個非常強的線索，來自于強、弱和電磁理論向極高能量的外推?，F(xiàn)有的觀察，對這些力作了極高精度的測量?；诂F(xiàn)有的觀察和我們手中的那些極其成功的和精確的理論工具，我們可以將標準模型的這些力外推到非常高的能量區(qū)域。借助于這些工具，我們發(fā)現(xiàn)，當能量達到引力作用變得明顯的尺度時，所有的力都統(tǒng)一起來。但是只有在我們假定理論是超對稱的，并且超對稱在TeV尺度以下自發(fā)破缺時，這種統(tǒng)一才會實現(xiàn)。幸運的是，這一能級正是新的大型強子對撞機（LargeHadronCollider）準備探測的能級，兩年內(nèi)大型強子對撞機將在CERN運行。建造這臺加速器的主要動機之一和粒子理論家最近十年的主要工作之一就是探索超對稱存在的可能性。如果我們發(fā)現(xiàn)超對稱，那么現(xiàn)在的新物理學在接下來的幾十年內(nèi)將有許多工作要做——設(shè)法理解超對稱是如何破缺的，并測量超粒子的質(zhì)量譜。有趣的問題是：如果我們測量超對稱粒子的質(zhì)量譜和耦合常數(shù)，那么我們能否利用這些信息對大統(tǒng)一尺度上，甚或在弦的尺度上的物理學有更直接的理解嗎？9、量子色動力學最后，在標準模型中，還有一個問題，第9個問題，是關(guān)于我所喜歡的理論——量子色動力學（QCD）的。這個問題，三十年前我以為我就有了答案。我們能夠解QCD嗎？三十年前，我以為答案是肯定的，花上五年時間就差不多了?？墒?，我們至今也不會解QCD。在大距離處，相互作用力很強，我們還不能作解析處理。我認為，在這個方向上，最大的希望是構(gòu)造一個強子和介子的對偶弦（dualstring）描述。介子是夸克和反夸克組成的束縛態(tài)，看起來就像是流管（fluxtubes），流管的末端是夸克和反夸克，其行為則像弦。事實上，我們現(xiàn)在有大量的證據(jù)表明，在弦理論和規(guī)范理論之中就存著這樣的一個對偶弦描述。如果有人設(shè)想色（NC）的數(shù)目不是3，而是無窮，那么我們就確信存在一個經(jīng)典弦，它將描述所有的介子。如果我們能夠精確地寫下對偶弦理論的經(jīng)典方程（人們正在努力尋找），那么我們就可以期望以經(jīng)典的方式求解，這可能并不太難。隨后，我們可以解析地計算1/NC展開的首項中的強子質(zhì)量譜。這是一個激動人心的目標，在過去的幾年中，沿此方向已經(jīng)取得了許多進展。在未來的許多年里，這個問題仍將指導人們探索非微擾的QCD和弦理論。10、弦理論現(xiàn)在我轉(zhuǎn)向弦理論——構(gòu)造一個所有相互作用的統(tǒng)一理論的雄心勃勃的嘗試。這里的基本問題是：什么是弦理論？我們真的不理解弦理論的核心是什么。我們所有的，不過是在一個理論的某些局部情形中，有許多不同的描述或計算方法，而這個理論本身是什么，我們卻不能真正表述清楚。這真是一種怪異的處境。弦理論的各種表述經(jīng)常是完全不同的。起初，我們是先描述10維空時中一條弦的經(jīng)典運動，隨后將這個系統(tǒng)量子化。但是現(xiàn)在，我們是按普通的（超對稱的）規(guī)范理論，即標準模型中的楊－米爾斯理論，來表述某些特定的空時背景中的弦理論。有極強的證據(jù)表明，這些規(guī)范理論在數(shù)學上等價于一個描述在5維反德西特空間（anti-deSitterSpace，具有一個負的宇宙學常數(shù)）中運動的、可視之為的弦的理論。對于弦理論，我們還有許多不同的對偶表述，但是我們不知道該理論以及所有這些對偶表述的本質(zhì)是什么。這種對偶性的深層含義還沒有被真正理解。理論有許多不同表述，這些不同的表述看起來差異很大，各自都有不同的基本的動力學對象，這一事實對我們所熟悉的基本性和局域性概念造成了極其嚴重的威脅。11、空間－時間的本質(zhì)第11個問題是：什么是空間－時間？在弦理論中，許多人相信“空間和時間或許在劫難逃。”我們有許多例子表明在弦理論中空間是一個突現(xiàn)的概念。我們可以通過改變一個耦合的強度而輕易地改變空間的維數(shù)。按3維空間的規(guī)范理論表述的弦理論中，額外的6個維度和引力都是突現(xiàn)出來的。按量子力學矩陣模型表述的M-理論，其低能部分是用11維的超引力來描述的，其中全部10個空間維和引力似乎是描述宏觀現(xiàn)象的近似方法。因此，我們有許多不同表述形式的弦理論，其中空間不再是一個基本概念，而是一個突現(xiàn)的概念。如果空間是一個突現(xiàn)的概念，那么時間也應(yīng)該如此。但是我們?nèi)绾蜗胂髸r間是突現(xiàn)的呢？我不知道如何從一開始就不用時間去表述一個物理學理論。我相信這一問題的答案，即空間－時間的真正本質(zhì)，對于理解弦理論的真實含義將是必要的，解決這一問題將需要一些革命性的概念。12、物理學是一門環(huán)境科學嗎？另一個引人入勝的問題，第12個問題，最近弦理論家討論得很多，但比前述問題更普遍。這個問題就是：物理學是一門環(huán)境科學嗎？我更喜歡將這個問題以下列方式提出：刻畫物理宇宙的所有參數(shù)和定律原則上是可計算的嗎？還是說，這些參數(shù)和定律在一定程度上是由歷史的或量子力學的偶然事件所決定的？不可計算的物理參數(shù)的例子是我們太陽系中行星的半徑。沒有人相信我們可以計算這些半徑。它們不是基本的。它們由歷史偶然事件所決定的。精細結(jié)構(gòu)常數(shù)和夸克與輕子的質(zhì)量又如何呢？似乎，弦理論有許多解，許多可能的基態(tài)或真空。最近有些弦理論家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了他們所謂的“景觀”——宇宙的巨大數(shù)量的亞穩(wěn)態(tài)。一些人認為這些亞穩(wěn)態(tài)彼此十分不同。它們具有不同的空間－時間維數(shù)（很大的空間－時間維數(shù)），不同的規(guī)范耦合常數(shù)，不同的夸克和輕子的質(zhì)量和數(shù)目。尤其是，它們具有不同的宇宙學常數(shù)。他們認為，當宇宙從大爆炸中突現(xiàn)時，它可能終結(jié)于這些狀態(tài)中的任何一種，或者宇宙的不同區(qū)域可能經(jīng)歷暴脹，并終結(jié)于不同的狀態(tài)。因此我們可能有一個多元宇宙。多元宇宙的有些部分看起來像這個，有些部分像那個，如此等等。那么我們在那一部分呢？生命存在、星系形成等等只能發(fā)生在多元宇宙中極少數(shù)的幾個宇宙之中。因此他們訴諸“人擇原理”（anthropicprinciple），來說明我們只能處于生命能夠存在的那很小一部分宇宙之中。他們不去合理地計算自然常數(shù)的數(shù)值，不去推導出一些基本的規(guī)律，卻希望通過人擇原理保留一些預(yù)測能力。我個人根本不喜歡這種方法。我的確認為，愛因斯坦在表述自己的信念時所說的話是正確的，他說：大自然的立法，使得你最終能夠計算一切；自然的法則如此強大，以至所有的參數(shù)都能夠完全確定、不可更改，否則就會破壞整個理論。但是否如此，仍然是一個懸而未決的問題。13、運動學和動力學第13個問題是運動學和動力學之間的傳統(tǒng)差別是否還將存在。在物理學中，傳統(tǒng)上我們所說的運動學，指的是物理學的框架，比如量子場論或量子力學，或者早期的經(jīng)典場論或經(jīng)典力學。在這樣一個框架中，我們引入一個特定的動力學，比如標準模型。但是你可以在同一運動學框架中引入不同的動力學規(guī)律；這取決于你。如果你仔細想一想，你就會覺得這種運動學和動力學的分離是多么奇怪。我相信，在我們試圖理解弦理論和空間－時間的本質(zhì)時，這種差別將會變得模糊。將來我們會有一個框架，不再被分成運動學和動力學，只有一個可想象的動力學，它與運動學框架交織在一起。隨后，量子力學可能會作為不可避免的、不那么神秘的結(jié)論而突現(xiàn)出來。14、凝聚態(tài)物理凝聚態(tài)物理，與物理學其他領(lǐng)域相比，更多是由實驗來推動的。因此當我請凝聚態(tài)物理學家為我提出問題時，他們許多人頗不情愿。他們說，“我們不提出問題，我們應(yīng)對實驗?！钡钱斘疫M一步詢問時，我得到了一些好問題。其中之一涉及可能的新物質(zhì)態(tài)，這是凝聚態(tài)物理中一個激動人心的領(lǐng)域，探索的是那些不能由朗道所發(fā)展的標準理論范式——費米液體理論——所描述的物理系統(tǒng)。量子霍爾系統(tǒng)就屬于這一類，在過去的一二十年里，弄清它的結(jié)構(gòu)一直是非常激動人心的工作。但是，是否存在其他種類的凝聚態(tài)相互作用系統(tǒng)，它們也表現(xiàn)出非費米液體的行為，并且可以通過常規(guī)的方式在實驗中觀察得到？理論家迄今已經(jīng)發(fā)展出許多非常有趣的數(shù)學模型，這些模型已經(jīng)超出了費米液體理論的描述范圍。關(guān)于高溫超導，人們已經(jīng)提出了不少模型，但迄今我們?nèi)圆焕斫飧邷爻瑢?。自然界中是否真的會有非費米液體行為的凝聚態(tài)物質(zhì)系統(tǒng)，現(xiàn)在還是一個未知數(shù)。15、復雜動力系統(tǒng)25年前，KITP剛成立的時候，對呈現(xiàn)出復雜和混沌行為的動力學系統(tǒng)的研究，是一個非常時髦的領(lǐng)域。25年之后，這次會議的一個與會者問道：“現(xiàn)在，當我們發(fā)現(xiàn)一個復雜系統(tǒng)的時候，我們將它放到一個大型計算機上進行分析，我們從計算機模擬中得到數(shù)據(jù)，但是我們?nèi)绾翁幚頂?shù)據(jù)呢？我們?nèi)绾卫斫馑?？”我們知道，這些復雜系統(tǒng)的預(yù)言能力具有內(nèi)在的局限性。它們通常都有混沌的特征。但是僅憑模擬，理論家還不能斷定，你所看到的究竟是一個復雜的難以計算的系統(tǒng)，還是一個具有某些有趣的混沌動力學行為的系統(tǒng)。因此對于理論家來說，急需開發(fā)工具去分析這些復雜的計算機模擬，以便了解隱藏在這些復雜數(shù)據(jù)之下的基礎(chǔ)是什么。16、量子計算機量子計算是一個嶄新的領(lǐng)域，大概只有10年之久，目標是建造一臺使用量子元件的計算機。也已證明，在某些情況下，量子計算機的性能遠遠勝于傳統(tǒng)計算機，優(yōu)勢是指數(shù)級的。對理論家來講，這里最有趣的問題，第16個問題，是：量子計算機將是無聲的或耳聾的嗎？建造一臺量子計算機，關(guān)鍵問題是防止量子系統(tǒng)退相干。如果一臺量子計算機由于它與周圍環(huán)境不可避免的相互作用而發(fā)生退相干，那么它就變成了一臺傳統(tǒng)計算機。防止一個量子態(tài)與環(huán)境發(fā)生相互作用是困難的。有兩個策略：一個是“無聲”策略——將計算機的量子比特與周圍環(huán)境隔絕開來，從而盡可能地降低噪音。另外一個方法是建造一臺“耳聾”的計算機，這里信息由拓撲性準粒子攜帶，拓撲性準粒子是非局域的，不能被破壞，因此不受環(huán)境噪音的影響。這是一個比較新的、使人著迷的量子計算機方案。這里的問題是，要證明存在這樣的凝聚態(tài)物質(zhì)系統(tǒng)，它們具有可以操控的拓撲激發(fā)態(tài)。最后，我們真的能夠建造一臺量子計算機嗎？量子計算機的基礎(chǔ)是基本量子比特（qubits），例如像自旋；自旋可以向上或向下，對應(yīng)于0或1，但實際上卻是量子力學的。真正的計算需要10,000個量子比特，但是此刻我們只能建造2或3個量子比特的計算機，距離10,000個量子比特還有很長一段路。17、高溫超導體我們的周年紀念會議上主要是從事基礎(chǔ)研究的理論家，但下一個問題，即第17個問題，卻是關(guān)于應(yīng)用的，這是一個非常有趣的問題。我們能不能懂得如何制造室溫甚至室溫以上的超導材料？按凝聚態(tài)物理學家所說，沒有理由相信你不能得到室溫超導體。然而，當前的理論還不夠好，不能斷定是否可能獲得室溫超導體。另外一個吸引人的問題是：我們能不能懂得如何制造室溫鐵磁體——一種普通的，但不是由鐵，而是由可加工處理的電子（半導體）材料制成的鐵磁體？如果可以，那么人們就可以在微觀層次上對它進行操作，對理論家來說這是一個非常有趣的目標和一個極好的題目。18、生物學現(xiàn)在我們轉(zhuǎn)向生物學，它是許多軟凝聚態(tài)物理學家開始感興趣的一個領(lǐng)域。今天在生物學的世界中有許多漂亮的數(shù)據(jù)，例如人類基因組。我們能夠基于所有這些數(shù)據(jù)來理解生命嗎？存在一個生物學的理論嗎？或者，生命僅是一個歷史偶然事件嗎？這看起來是一個非常困難的問題。理論物理學家很擅長理解復雜系統(tǒng)。但是生物系統(tǒng)與凝聚態(tài)物質(zhì)系統(tǒng)是不同的。物理學家對此能有所幫助嗎？除了計算和描述物理現(xiàn)象時所發(fā)展的數(shù)學，還需要新的數(shù)學去描述生物學嗎？在生物學中我們必須處理許多不同時間尺度上的動力學，這可能是（需要新數(shù)學的）一個原因。在你的神經(jīng)元和你的基因組中，時時刻刻——在納秒或更小的時間尺度上——都有重要的變化在發(fā)生。長此以往，這些變化會對生命造成經(jīng)年累月的影響。物理學還沒有處理過這類問題，因此估計需要新方法或新數(shù)學。19、基因組學物理學家特別感興趣的，并且已開始投身其中的一個領(lǐng)域，就是基因組學?，F(xiàn)在我們手中有了完整的藍圖，人類基因組。舉例來說，我們可以利用基因組去理解進化嗎？人們能夠利用基因組去比較不同人之間的DNA，從而追溯物種在過去進化的歷史。理論家能否用理論物理學的方法將進化史變成一個定量的甚至可預(yù)測的科學嗎？我特別喜歡的一個問題是：我們能夠通過基因組而獲知一個有機體的形態(tài)嗎？我想，20年之后，借助于物理學和物理學家的大量幫助，理論生物學可能會到達這樣一個階段：到那時，理論生物學課程的期終考試將會給學生們一小段DNA，要求他們基于這個DNA片段畫出有機體的圖像。20、神經(jīng)科學神經(jīng)科學是物理學家已經(jīng)工作了許多年的另一個領(lǐng)域。這是因為理解大腦是如何工作的這一問題是一個激動人心和富有挑戰(zhàn)性的問題。物理學家喜歡挑戰(zhàn)性的問題。很清楚，我們需要一個理論去理解大腦是如何工作的，沒有模型僅有觀察達不到目的。在大腦研究中一個最吸引人的問題是意識的本質(zhì)。更精確地講：記憶和意識背后的原理是什么？我特別喜歡的一個問題是：我們能夠測量一個嬰兒的意識是何時開始的嗎？子宮內(nèi)的一個胚胎大概是無意識的。在你13歲的時候，你可能具有了意識。在胚胎和青少年之間的某個時間，意識出現(xiàn)了。什么時候？兩天，兩個星期，兩年？你如何去測量是在什么時候意識開始出現(xiàn)的？它是突然出現(xiàn)的嗎（一級相變，還是連續(xù)相變）？如果你能夠告訴一個實驗者如何去測量這個相變的本質(zhì)，那么你對于意識可能是什么已經(jīng)有了很多了解。另一個好問題是：我們是否能夠制造出一臺有意識的、有自由意志的、而且行為具有目的性的活機器嗎？21、計算物理學圍繞計算物理學產(chǎn)生了許多問題。作為理論物理學的一種方法，計算物理學在最近一些年變得非常重要?，F(xiàn)在，許多科學家和物理學家，在遇到難題的時候，已經(jīng)不是在紙上進行計算，而是在計算機上模擬這個問題。第21個問題是：計算機將會替代分析技術(shù)嗎？如果這成為事實，那么我們需要改變對物理學家的訓練嗎？數(shù)百年來，我們一直使用同樣的方法去教導學生。我們很少教導他們?nèi)绾问褂糜嬎銠C，如何進行數(shù)值模擬。我們教導他們?nèi)绾斡嬎惴e分，如何解偏微分方程。我們要改變培養(yǎng)物理學家的方法嗎？最終，維爾切克（FrankWilczek）問道：“何時計算機將成為具有創(chuàng)造力的理論物理學家？”注意，他沒有問“是否”，而是問“何時”。我們將如何培訓它們呢？這是一個非常有趣的問題，在我們擁有一臺可以成為具有創(chuàng)造力的理論物理學家的計算機之前，還有時間供我們作長期思考。我們是按照培訓一個人的方式培訓一臺計算機，還是以一種不同的方式？對于人我們從經(jīng)典力學開始，隨后教授電學和磁學，然后是量子力學。對于計算機我們是否一開始就教它們弦理論，隨后推導量子場論和作為近似的經(jīng)典物理學？我不知道。這是一個可以思考的有趣問題。22、物理學的統(tǒng)一關(guān)于科學社會學，人們也提出了許多問題。尤其是，有不少問題