基础物理学中的十个顶级问题
朱传界 2003.3
相对论和量子论引发了20世纪物理学的两次重大**，前者给出了当物体的运动速度很高时的运动规律，给出了全新的时空观和引力理论（广义相对论），后者给出了微观物体运动应该服从的规律，给出了正确描述原子、分子和其他基本粒子运动的框架。毫无疑问，量子理论的确立为以后的发展打下了坚实的基础，而广义相对论则用来研究宇宙的大尺度结构和黑洞，由此提出了宇宙的大爆炸理论。
回顾20世纪物理学的发展，不由想起1900年世纪之交时，英国物理学家开尔文（Lord Kelvin）在一篇名为《遮盖在热和光的动力理论上的19世纪乌云》的演说中的两片“乌云”，正是这两片“乌云”引发了20世纪物理学的两次重大**：以太理论的困难由狭义相对论消除，能量均分定理的困难由量子论解决。一个自然的问题是，物理学经过一个世纪的发展之后，“遮盖在物理学上的20世纪乌云”又是什么呢？
2000年在美国密歇根大学召开的弦理论年会上，会议的参加者正是怀着这样的目的提出了许多问题，其规则是每人只提一个问题，然后由三人小组（M.Duff,D.Gross和E.Witten）挑选出10个最有意义的问题。它们主要涉及高能物理和宇宙学基本理论。许多有意思的其他物理学分支如凝聚态物理、天体物理和生物物理中的重要问题都没有提到。
1. 所有刻画自然界的无量纲参数是原理上可计算的呢，还是有些仅仅是由历史或是量子力学的偶然因素确定的而不可计算的？爱因斯坦曾论述：理论的构成应建立在如此强有力的确定规律之上，在这些规律中，只有自然的引入并完全确定的常数出现，理论中不应该有那些可以调节而并不完全破坏这一理论的常数出现。这个问题可简化为：描写强相互作用的量子色动力学的作用强度原则上是否是可以计算的？
2. 量子引力如何能帮助解释宇宙的起源？传统物理学问题的表述是：给定系统状态在时间原点的初始条件和特定的物理规律，能预言系统在随后时间的状态。但是在引力理论中，时间和空间（或任何其他将替代之的东西）是动力学的，因此宇宙的起源就是一个科学理论应严肃面对的问题。也就是说广义相对论和量子理学结合起来可导出时空是涨落的，一般情况下可忽略，但在某些特殊情况下（极短距离、黑洞视界、大爆炸初始时刻）则非常重要，现有理论在这些情况下是不适用的，只能得到一些无穷达的荒谬。从高能物理发展起来的“弦理论”提供了这一问题的答案。
3. 质子的寿命多长，如何解释？20世纪物理学最成功的理论之一就是粒子物理的标准模型：关于基本粒子三种相互作用力（电磁力，强、弱相互作用）的规范场统一理论。在进一步的大统一理论中，预期质子时应该衰变的，寿命大约是 年。此外，为了理解强自/反强子的不对称性——强子的数量远远多于反强子数量，质子也必须衰变。
质子衰变的其他证据：（1）在标准模型中，瞬子也引起质子衰变（2）在任何包含（量子）
引力的理论中，不存在任何整体守恒的规律，因此强子数也不是守恒的，质子也要衰变
（3）落入黑洞中的质子将变成热辐射，也说明质子可能衰变。
4. 自然界是超对称的吗？如果是，超对称如何破缺？超对称是自然界的一般相对论性对称性的一个自然的和唯一的推广，它将组成物质的费米子和传播物质作用力的玻色子完美统一起来，是人类首次发现时间空间的量子维数。标准模型外推，将粒子物理的标准模型外推(超对称)，人们发现三种相互作用力约在普朗克能量下统一。在有些理论方案中，引力也在此能量下与这三种相互作用力统一了。
在未来几十年，人们希望找到（一）（Higgs）粒子，测量中微子质量和完全了解cp破缺的机制，将标准模型的几个漏洞补上，完整地确立标准模型。（二）是从实验上确立超对称，发现一个广阔的超对称粒子的世界。（三）发现一些弦理论反应，如额外空间维数。
5. 为什么宇宙看起来只有一个时间，三个空间维数？在低维中观测到的不同粒子，可能是高维下同一种在低维下的不同表现，也可能是高维下的同一种粒子在不同表现，也可能是高维下的同一种粒子在不同方向运动的表现。超弦理论的数学方程要求空间是9维的，再加上时间，共10维。由M理论给出的更完全的认识还揭示了超弦理论的第十维空间方向，因此理论的最大维数是11维的。
6. 为什么宇宙常数会有它的值？这个值是零吗？它真是常数吗？在爱因斯坦的引力理论中，可以自然的引入一项含宇宙常数的项。该项代表没有物质时时间空间的引力性质，是时空的真空能量。量纲分析，大小应为普朗克质量四次方量级，约 。如引入超对称，并假设超对称在能量标度太电子伏（ 电子伏）破缺，那么宇宙常数约 电子 。但实验观测值是 电子 。
在超弦理论中得正宇宙常数是有问题的，似乎要求宇宙总的自由度是有限的。但现有实验倾向于正的常数。理论上讲，宇宙常数可正可负，而实验结果几乎为零。除超对称外，理论上还没有发现一个对称性要求宇宙常数严格为零。
7. M理论的基本自由度是什么？ 这一理论确实描述自然界吗？
人们对弦理论的数学结构的认识有了飞速进展，发现了弦理论中许多新组元（“膜”）和新概念（对偶性、全息原理、非对易几何）现在人们通称弦理论和这些新东西为M理论。
五种超弦理论（IIA、IIB是超弦理论、规范群为SD（32）的I型超弦理论，规范群分别为Spin（32）/ 和 × 的杂化弦理论）和M理论（在更确定意义下）自然的统一为更完全的理论。在弱耦合情况下，这些理论的自由度是不同的：IIA、IIB型超弦理论和杂化理论的自由度是闭弦，I型超弦理论的自由度是开弦，而M理论没有弱耦合展开，其低能极限是11维超引力，它的自由度是点粒子场。研究表明，理论中存在的其他新组元“膜”，在某些情况下具有与开弦和闭弦相似的特点并可与弦相互转化（统称为对偶关系），因此现在不清楚M理论或者弦理论的基本自由度是什么。
IIA的强耦合极限是M理论，其他理论亦类似，所有这些都是一个未知（即“？”，有时也用M）的极限。
8. 黑洞的信息丢失佯谬如何解决？
熵=面积/ Bekenstein-Hawking公式
9. 引力尺度和基本粒子的典型质量之间的巨大差异是由什么物理理论来解释的？
其典型质量尺度（粒子物理的标准模型）是电弱相互作用力的统一尺度100吉电子伏。而引力尺度是 吉电子伏，在大统一理论中，这两个尺度之间的能量范围是没有新物理的沙漠地带，而两个尺度之间的巨大差异也将导致量子修正引起粒子质量对其原始值的高度敏感，需要对某些量进行精细调节，这称为规范等级问题。对这一问题的传统回答是引进超对称，这是因为超对称理论的量子修正要弱得多。如果超对称是在太电子伏量级左右破缺，那么如上的规范等级问题就转换为简单的耦合常数随能量变化的问题了。但超对称不一定是唯一正确的方案。
10. 能定量的解释量子色动力学中的夸克胶子被禁闭和质量间隙（massgap）的存在吗？
此为克莱数学促进会新千年悬赏（100万美元）七个数学问题之一。从理论物理学的观点来看，解决这一问题的最好策略是在色数目N很大，但保证N 与耦合常数的平方的乘积固定的极限下先求解量子色动力学。根据某些猜测，在这一极限下应该得到强子类弦理论，理论中应自然地出现介子，胶球和只有微弱相互作用的强子。
毫无疑问，这一问题的解决将从超弦理论的了解中受益，也将对人们了解超弦理论做出贡献。
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上传的时候由于格式的原因有有些单位和公式无法显示 ，另外原文中还有两副图没有制作，有兴趣的朋友可以自己去查查看。
回复 2008年12月03日 22:49
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