當(dāng)今物理學(xué)界25大難題(已修改)
2025-04-16 02:24 本頁面
【正文】 David Gross：21世紀物理學(xué)的25個難題大衛(wèi)格羅斯【①】作者簡介：大衛(wèi)格羅斯（David Gross），美國國家科學(xué)院院士，加州大學(xué)圣巴巴拉分校（University of California at Santa Barbara）卡維利理論物理研究所（Kavli Institute for Theoretical Physics）所長。格羅斯教授是量子色動力學(xué)的奠基人之一，當(dāng)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（Frank Wilczek）和戴維波利策（David Politzer）分享了當(dāng)年度的諾貝爾物理學(xué)獎。編者按：1900年，在巴黎國際數(shù)學(xué)家代表大會上，德國數(shù)學(xué)家大衛(wèi)希爾伯特（David Hilbert，1864－1943）根據(jù)19世紀數(shù)學(xué)研究成果和發(fā)展趨勢，提出了新世紀數(shù)學(xué)家應(yīng)該致力解決的23個數(shù)學(xué)問題。希爾伯特的演講，對20世紀的數(shù)學(xué)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(xué)中的“漸近自由”現(xiàn)象而榮獲2004年諾貝爾物理學(xué)獎的美國物理學(xué)家大衛(wèi)格羅斯教授，同樣就未來物理學(xué)的發(fā)展，提出了25個問題。也許人們會說，在物理學(xué)領(lǐng)域提出問題要比數(shù)學(xué)領(lǐng)域容易得多，因為物理學(xué)就像大江大河，而數(shù)學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)的邊緣地帶，其中3個與計算機科學(xué)相關(guān)，3個與生物學(xué)相關(guān)，4個與哲學(xué)和社會學(xué)相關(guān)。格羅斯教授的演講，最初是為美國加州大學(xué)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(xué)各領(lǐng)域的世界一流學(xué)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(xué)院理論物理研究所、浙江大學(xué)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?dǎo)物理學(xué)研究的問題，廣泛地說，在未來25年可能引導(dǎo)物理學(xué)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。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(xué)而且對于哲學(xué)和宗教都是一個永久的問題。現(xiàn)在它是理論物理學(xué)和宇宙學(xué)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(xué)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（at the big bang）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(biāo)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(xué)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(xué)和天體物理學(xué)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（emergent concept），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(xué)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(dǎo)暴漲宇宙學(xué)和弦論宇宙學(xué)中的大量研究。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)?，F(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34％。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（Weakly Interacting Massive Particles，WIMP）組成。粒子物理學(xué)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(xué)的標(biāo)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(biāo)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(dāng)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
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