宇宙只是一个二维表面的全息投影？弯曲的反德西特空间 暗物质暗能量 量子力学弦理论 凝聚态物理

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宇宙只是一个二维表面的全息投影？
2015年04月29日 07:37  来源：凤凰科技

宇宙只是一个二维表面的全息投影？|宇宙|全息投影_凤凰科技  宇宙只是一个二维表面的全息投影？

凤凰科技讯 北京时间4月29日消息，据英国每日邮报报道，我们生活在一个巨大的全息图里，我们所看到的周围的一切只是二维表面的一个投影。这是1997年物理学家胡安马尔达西那(Juan Maldacena)提出的怪异理论，它用方程式证明了这个全息图的存在，后者部分解释了宇宙。现在奥地利的研究人员首次展示了这种奇怪的全息原理其实可以被用于我们宇宙更实际的模型。



我们生活在一个巨大的全息图里，我们所看到的周围的一切只是二维表面的一个投影
全息原理表明，和你的信用卡所使用的安全芯片一样，其实存在一个你无法看到的二维表面。这个表面包含描述三维物体，在这个例子里指得是我们的宇宙，所需要的所有信息。
本质上来说，这一原理认为包含描述3D物体，例如你读这篇文章所使用的设备，数据可能隐藏在这个变平、“真实”版本的宇宙的一个区域里。马尔达西得出这一论是基于他发现了对宇宙的数学描述需要的维度其实比看起来的更少。
但在此之前，这一原理只在某个所谓的“弯曲的反德西特空间”——也就是具有负曲率的外来空间里被研究过。科学家们在描述三维背景里的引力同时预测两维空间维度里的量子粒子时发现了这些空间。

反德西特空间是负向弯曲的，在这个空间里任何以直线投掷的物体最终将返回。问题就在于它们与我们宇宙里的空间是不同的。我们的宇宙大体上是扁平的，从天文学距离上看，它具有正曲率。维也纳技术大学的科学家们进行的最新研究表明这一全息原理也适用于扁平的时空。



我们的宇宙大体上是扁平的
“胡安马尔达西那提出了一个这样的观点，也即弯曲的反德西特空间里的引力理论与具有更少维度空间里的量子场理论相互对应，” 维也纳技术大学的丹尼尔格鲁米勒(Daniel Grumiller)这样说道。
为了测试这一理论，科学家们花费了三年的时间创造了无需外来空间、生活在一个扁平空间的引力方程式。“如果扁平空间的量子引力允许了标准量子理论的全息描述，那么它一定有物理量，后者可以通过这两种理论计算出来，且结果也一定保持一致。” 格鲁米勒说道。
它们表示量子力学的一个重要特性量子纠缠似乎出现在我们宇宙更实际的模型里。当量子粒子相互纠缠时，它们无法被单独描述。它们会形成一个单一的量子物体，即使它们相距甚远。在量子系统里，可以用所谓的“纠缠熵”来测量这种纠缠程度。

研究小组展示了这种纠缠在扁平的量子引力模型里和在低纬度的量子场理论里的值是相同的。“这一计算证实了我们的假设，也即全息原理也可以在扁平空间里实现，” 维也纳技术大学的马克斯瑞格乐（Max Riegler）这样说道。“这是我们宇宙里这种相关性的有效性的证据。”
“事实上，我们能够在引力理论里谈论量子信息和纠缠熵这一事实本身已经非常令人震惊，在几年前这几乎是无法想象的。” 格鲁米勒补充说道。“现在我们能够将之作为一种工具来测试全息原理的有效性，且这一测试有效，这真是令人不可思议。”（编译/严炎刘星）

理论空间的几何结构



找找靓机
百家号03-2002:37

（图片来源：Davidope）
在20世纪60年代，知名物理学家Geoffrey Chew提出了一种激进的宇宙观，并以此为基础发明了研究物理的新方法。当时人们已经发现了许多粒子，物理学家正试图寻找其中的规律。他们想知道哪些是基本粒子，哪些不是。但加利福尼亚大学伯克利分校的教授Chew，反对这种区分。他当时写道，“自然之所以是这个样子，因为这是能够让自然自恰的唯一可能。” 他相信仅仅依赖这个思想，就可以推导出自然的定律。
自德谟克利特以来，科学家就采取了还原论的方法来理解宇宙，认为所有事物都由不能进一步解释的基本物质构成。但是，Chew的自我决定的宇宙观认为所有粒子既是复合的也是基本的。他推测每种粒子（暂且称作粒子A）都由其他的粒子组成，并且这些粒子通过传递相互作用力的过程交换粒子A而结合在一起。因此，粒子的性质由自洽的反馈回路产生。 Chew说，“自洽地显示出其性质。”

Chew的研究方法，被称为“自举哲学”（bootstrap philosophy）或“自举法”。这种方法没有详细的操作步骤，要点是应用任何可用的普遍原理和自洽的条件来推测粒子应有的性质（进一步推出整个世界）。Chew的学生曾使用自举法预言 ρ 介子（由π 介子组成，而π 介子通过交换 ρ 介子结合在一起）的质量，这个早期的胜利为自举法赢得了许多追随者。

但是后来人们知道，ρ 介子只是一种特殊情况，然后自举法很快失去了发展的动力。另外一个竞争的理论认为复合粒子（诸如质子和中子）由称作“夸克”的基本粒子组成。这种夸克相互作用理论称为“量子色动力学”，能够更好地解释实验数据，很快成为粒子物理学标准模型的三个支柱之一。
但每种夸克的性质似乎是任意的，在另一个宇宙，它们的可能拥有不同的性质。物理学家被迫认识到，宇宙中的这些粒子并不反映唯一可能的自洽理论。相反，人们可以想象存在无穷多种可能的粒子可以可以在任意维度的空间中相互作用，每种情况可以用对应的“量子场论”描述。
在几十年中，自举法被物理学家束之高阁。但最近，物理学家发现了有潜力解决许多问题的新型自举法，这个领域再次活了起来。尽管自洽的条件对于分析复杂的核粒子动力学仍然没有多大帮助，但是自举被证明可以理解更加对称、更完美的理论的有力工具。专家说，自举法对于所有可能的量子场论就像是“指示牌”或“基础材料”。

△ Chew在加州伯克利的一场讲座。（图片来源：Lawrence Berkeley National Laboratory）
Chew现在已经92岁，早已退休了。在自举法领域，新一代研究人员继续探索这个抽象的理论，他们似乎正在验证Chew在半个世纪前的愿景——但他们发现了一种意想不到的研究方式。他们的发现表明，所有量子场理论的集合形成一个独特的数学结构，即所谓的“自力更生”，也就是说可以它的条件理解它。
在物理学家使用自举来探索这个理论空间的几何性质，他们指出了“普适性”的根源，一种值得注意的现象，比如像水和磁铁这样差别很大的物质却存在相同的行为。他们还发现量子引力理论的一般特征，对我们自己宇宙中的引力的量子起源和时空本身的起源具有明显的暗示。耶鲁大学的David Poland和新泽西州普林斯顿高级研究所的David Simmons-Duffin是自举法领域的重要科学家，他们在最近的一篇文章中写道：“这对自举法的来说是一个令人激动的时代。”
定制的自举法
在技术层面上，自举法是一种计算“相关函数”（correlation function，由量子场论描述，包含粒子之间的关系）。考虑一个铁块，该系统的相关函数表示铁原子在相同方向磁性取向的可能性，作为它们之间的距离的函数。两点相关函数给出任何两个原子排列的可能性，三点相关函数包含任何三个原子之间的相关性等等。这些方程基本上能够告诉你关于铁块的一切信息。但是它们涉及无限多个充满未知指数和系数的项。一般来说，需要进行繁重的计算。而自举法试图对计算进行限制，通过考虑哪些函数中的哪些项可以用于解出未知变量。大多数时候情况自举法都不管用。但在某些特殊情况下，正如理论物理学家Alexander Polyakov开始在1970年推出的那样，自举法会一直引导你走下去。
当时朗道理论物理研究所的Polyakov，就被普适性的奥秘吸引到这些特殊情况。当时凝聚态物理学家刚刚发现，当在微观上完全不同的材料被进入相变的临界点时，它们突然表现出相同的行为并且可以由完全相同的数字描述。例如，将铁加热到临界温度时，其中铁原子之间的相关性可由“临界指数”描述，而这与水在临界点处的“临界指数”完全相同。这些关键的指数显然与任何材料的微观结构无关，而是来源于两个系统和其他“普适类”（universality class）的共同点。 Polyakov和其他研究人员想找到连接这些系统的普遍规律。“最终的目标，或者说圣杯，就是计算这些数字，”他说：研究人员希望能够从头计算这些临界指数。
Polyakov认为，材料在临界点上的共同点是它们的对称性：使这些系统保持不变的一组几何变换。他猜想临界状态的材料遵循一组称为“共形对称性”（conformal symmetry）的对称性，其中最重要的就是，尺度对称性。比如，在铁临界点上，用放大或缩小的视角观察，你总是看到相同的模式：一团指向上面的原子被相反方向的原子包围；这些又位于指上的原子的较大区域内，等等。尺度对称意味着在共形系统中没有“近”和“远”的绝对概念；如果你翻转一个铁原子，那么整个系统都会受到影响。“整个系统成为某种关联非常强的物体，” Polyakov解释道。
但是整个世界显然不是共形的。夸克和其他基本粒子的存在向自然中引入了基本质量和距离尺度，于是破坏了尺度对称，于是我们可以测量其他质量和长度。所以，由大量粒子组成的行星比我们更重和更大，而我们比原子更大，原子又比夸克更大。对称的破缺给大自然带来了不同的层次，并在相关函数中引入任意变量，这给Chew的自举法带来了困难。

△ 亚历山大Polyakov在2013年在瑞士日内瓦接受物理学边疆奖。（图片来源：Harold Cunningham/Getty Images）
但是，Polyakov发现由“共形场理论”（CFT）描述的共形系统自上到下都是均匀的，对它们应用自举法非常适合。例如，在磁体的临界点处，尺度对称性对两点相关函数做出限制：重新缩放两个点之间的距离时系统应看起来相同。另一种共形对称性要求，当反转三点相关函数中涉及的三个距离时，三点相关函数不能改变。在一篇发表于1983年的里程碑式文章（被称为“BPZ”）中，Alexander Belavin、Polyakov和Alexander Zamolodchikov证明在两个空间维度上存在无限数量的共形对称，可用于约束二维共形场理论的相关函数。作者利用这些对称性来计算著名的共形场理论——2维伊辛模型（Ising model，关于2维磁体的理论）——临界指数。BPZ为探索共形对称而定制的方法“共形自举法”，一举成名。
然而，在三维或更高维度中存在共形对称性很少。 Polyakov可以写下三维共形场的“自举方程”。本质上，这是一种写出四点相关函数（比如关于真实磁铁）的方法，而且不同的方法应该等价。但是这个方程太难解。
“我实际上开始做其他的事情，”Polyakov说，他继续对弦理论并做出重要贡献，他现在是普林斯顿大学的教授。共形自举法，就像十多年前的最初的自举法一样，已经被人抛弃了。这种局面一直持续到2008年，一组研究人员发现了一个强大的技巧，可以给出三维或更多维度共形场理论Polyakov的自举方程的近似解。 “坦率地说，我没想到这一点，我原本认为那个方法存在一些错误，” Polyakov说。 “在当时以为，放入方程的信息太少，得不到这样的结果。”
惊喜扭结
2008年，大型强子对撞机即将开始寻找希格斯玻色子，这种基本粒子与其他粒子的质量有关。瑞士的理论家Riccardo Rattazzi、意大利的Vyacheslav Rychkov和他们的同事想知道，如果不引入希格斯粒子，是否可能存在一个可以赋予质量的共形场理论。他们写下了一个满足条件的自举方程。因为这是一个四维共形场理论，描述一个四维时空的宇宙中的假设量子场，但这个自举方程太复杂了。不过研究人员发现了一种方法来约束该理论的可能性质。最后他们得出结论，不存在这样的共形场理论（事实上，LHC在2012年发现了希格斯玻色子）。但他们的自举法打开了一个金矿。
他们的办法是把自举方程的约束转化为几何问题。想象一下四点相关函数的四个点（其几乎包含了关于共形场理论的所有信息）作为矩形的角；自举方程要求，如果你对保角系统的角 1 和 2 进行微扰，并计算对角 3 和 4 的影响，或者微扰 1 和 3 计算 2 和 4 受到的影响，两种情况下的相关函数都成立。写下函数的两种方式都涉及无限项的级数；它们的等价意味着第一个无限级数减去第二个等于零。为了找出哪些项满足这个约束，Rattazzi，Rychkov和同事呼吁另一个称为“幺正性”（unitary）的自洽性条件，这要求方程中的所有项的系数必须为正。这使得他们能够将这些项视为向量，或者从中心点沿无限多个方向延伸的小箭头。如果可以找到一个平面，使得在维度的有限子集中，所有矢量指向平面的一侧，则存在不平衡；这个特定的术语集合总和不能为零，并且不表示自举方程的解。
物理学家开发了算法，可以他们搜索这样的平面并能够以极高的准确性约束可行的共形场理论空间。该过程的最简单版本产生“排除图”，其中两条曲线在称为“扭结”的点处相遇。如果共形场理论对应的临界指数如果在曲线之外，就意味着它被排除。

（图片来源：Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine. ）
这些图中出现了令人惊讶的信息。在2012年，研究人员使用Rattazzi和Rychkov的方法来计算三维伊辛模型中的临界指数数值（三维伊辛模型是一种非常复杂的共形场理论，与真实的磁铁、水、液体混合物和许多其他材料属于同一个普适类）。到2016年，Poland和Simmons-Duffin计算了理论中两个主要临界指数到小数点后六位。但是，比这种计算精度更加惊人的地方是，三维伊辛模型落在所有可能的三维共形场理论的空间中。它的临界指数可以出现在三维共形场理论的排除图上的允许区域中的任何地方，但是出乎意料的是，这些数值完全落在图中的扭结处。对应于其他众所周知的普适类的临界指数位于其他排除图中的扭结上。不知何故，通用的计算精确定位出现实世界中的重要理论。
这个发现让人意外，甚至Polyakov最初都不相信。他和许多人都怀疑，“这种情况的出现也许是因为存在某些尚未被发现的隐藏对称性”。
高等研究所物理学教授Nima Arkani-Hamed说：“每个人都很兴奋，因为这些扭结是意想不到的而且非常有趣，它们告诉你有趣的理论生活在哪里。它可能反映了允许的共形场理论的空间的多面体结构，有趣的理论并不存在于其内部或一些随机的地方，而是生活在顶点处。” 其他研究者认同他的看法。Arkani-Hamed推测，多面体与“放大形体”（amplituhedron，他和合作者在2013年发现的几何对象，它包含了不同粒子碰撞结果的概率）有关，或者甚至可能包含“放大形体”——相关函数的具体例子。
研究人员正在从各个方向推进。一些人正在应用自举法来研究特别对称的“超共形”场理论（称为“(2,0)理论”），其在弦理论中扮演重要作用并且被推测为存在于六维中。但Simmons-Duffin解释说，探索共形场理论的努力将需要物理学家超越这些特殊的理论。更一般的量子场理论如量子色力学可以通过从共形场理论开始，并使用称为“重整化群”的数学方法导出其性质。Simmons-Duffin说：“共形场理论在量子场论的中就像路标一样，重整化群中的流图就像道路。所以你必须先了解路标，然后尝试描述它们之间的道路，这样多多少少就可以绘制出理论世界的地图。”
康奈尔大学的自举法研究人员Tom Hartman说，绘制量子场理论的空间是“自举法的大目标”。他说，共形场图“是那个终极图的一个非常模糊的版本。”
揭示代表所有可能的量子场理论的多面体结构，在某种意义上，将会把夸克相互作用、磁铁和所有观察到或者预言的现象统一在一个结构中——这个图景就是Geoffrey Chew的“唯一可能自洽的自然”的21世纪版本。但是Hartman，Simmons-Duffin和世界上其他研究人员都在追求这种抽象的物理，他们也使用自举法研究共形场理论和许多物理学家最关心的理论之间的直接联系。“探索可能的共形场理论也是在探索可能的量子引力理论，” Hartman说。
自举量子引力
共形自举法成为研究量子引力理论的有力工具。在1997年的一篇论文（也是现在是物理学史上最引人注目的论文之一），阿根廷-美国理论家Juan Maldacena证明共形场理论和引力时空环境（至少多一个空间维度）之间在数学上的等价。 Maldacena的二元性，称为“AdS / CFT对偶”，将共形场理论与相应的额外维度反德西特空间联系在一起，反德西特空间就像全息图一样从共形系统突然出现。反德西特空间具有与我们自己宇宙中的时空几何不同的鱼眼几何形状，然而引力的作用方式与它类似。例如，这两种几何形状都产生了黑洞——一种极端致密的天体，没有任何物体能够逃脱它们的引力。
现有的理论在黑洞内部失效；如果你试图将量子理论与爱因斯坦的引力理论（它将引力看作时空结构）相结合，就会产生矛盾。一个主要的问题是黑洞如何管理保存量子信息，即使爱因斯坦的理论都认为信息蒸发了。解决这个矛盾需要物理学找到一个量子引力理论—— 一个更基本的理论，而时空图景只出现在低能下（如黑洞外部）。“关于AdS / CFT的惊人之处在于，它给出了一个有效的量子引力的实例，其中的一切都是明确定义的，我们需要做的是研究它并找到这些悖论的答案，”Simmons-Duffin说。
如果AdS / CFT对偶为理论物理学家提供了一个关于量子引力理论的显微镜，共形自举法则允许他们打开显微镜的照明灯。在2009年，理论家们使用自举法来找到证据，证明每个满足某些条件的共形场理论在反德西特空间中具有近似的双重引力理论。从那以后，他们就拥有了一个精确的词典，能够理解临界指数、共形场理论的其他属性以及反德西特空间全息图的等价特征之间的联系。
在过去一年中，像Hartman和约翰·霍普金斯大学的Jared Kaplan这样的自举法研究人员在理解黑洞在这些鱼眼宇宙中如何工作方面取得了快速进展，特别是在黑洞蒸发过程中如何保存信息。这会大大加深对我们自己宇宙中引力和时空的量子性质的理解。“如果我有一些小黑洞，它不在乎它是否处于反德西特空间；与它的曲率相比它很小，” Kaplan解释说。“所以如果你可以在反德西特空间解决这些概念问题，那么似乎很可能的同样的结果也适用于宇宙学。”
我们还远不清楚我们自己的宇宙是否是在反德西特空间宇宙中以共形场理论全息地显现出来，甚至这种思考方式是否正确都无从知晓。物理学家希望，通过自举法研究物理现实的统一几何结构，能够更好地从更大的图景了解我们的宇宙——以及什么是大的图景。Polyakov为最近的理论空间几何的进展感到高兴。“发生了许多奇迹，” 他说。“也许，我们会知道其中的答案。”

物理学的未来 David Gross


物理学的未来 David Gross  https://www.douban.com/group/topic/19136035/
来自: cyche(均衡饮食) 2011-04-16 13:17:14
这份讲稿来自于我在2004年10月7日卡维利理论物理研究所（KITP）25周年庆祝会议上所作的演讲。在这次会议中，与会者被邀请提出一些可能引导物理学研究的问题，广泛地说，在未来25年可能引导物理学研究的问题，讲稿中的一部分内容就来自于与会者所提出的问题。

1宇宙起源

第1个问题关于宇宙的起源。这个问题不仅对于科学而且对于哲学和宗教都是一个永久的问题。现在它是理论物理学和宇宙学亟待解决的问题：“宇宙是如何开始的？”
根据最新的观察，我们知道宇宙正在膨胀。因此，如果我们让时光倒流，宇宙将会收缩。如果我们应用爱因斯坦方程和我们关于粒子物理学的知识，我们可以或多或少对哪儿会出现“初始奇点”做出近似的推断。在“初始奇点”，宇宙收缩成为一种难以置信的高密度和高能量的状态——即通常所称的“大爆炸”。我们不知道在大爆炸点（at the big bang）发生了什么，我们所知的基础物理的所有方法——不仅是广义相对论和标准模型，甚至包括我所知的弦理论——都失灵了。
为了理解宇宙是如何开始的，我们需要了解什么是大爆炸。宇宙学家观察到微波背景辐射中临近大爆炸时发生的量子涨落的痕迹。这些涨落是宇宙大尺度结构的起源。因此，对于宇宙学和天体物理学而言，理解在大爆炸点真正发生了什么是一个急迫的任务。有没有方法能够直接观察到临近大爆炸时的物理状态？我们往回能够推多远？利用普通的辐射，我们能够回推到大爆炸之后的十万年左右，但是不能更早。这次会议上有许多这样的讨论：我们能否利用引力辐射或CMB中的信号来发展出新的观察或理论方法，从而将我们的观察回推到大爆炸点为止的整个过程。
那么理论的状况又如何？我们可以确切地说出在宇宙创生时发生了什么吗？弦理论已经成功地消除了广义相对论中产生的奇点。但是，弦理论能够处理的奇点不是大爆炸所产生的那种类型。大爆炸所产生的是与时间无关的静态奇点。弦理论能消除初始奇异点吗？能告诉我们宇宙是如何开始的吗？能告诉我们宇宙的初始状态是什么，或者宇宙的初始波函数是什么吗？一些人推测根本就不存在一个起点，而是宇宙很大，随后塌陷，然后再次膨胀。一些人鼓吹一个循环的宇宙。我相信更为可能的是，时间自身是一个突现的概念（emergent concept），如弦理论所暗示的一样。因此，为了回答诸如 “宇宙是如何开始的”和“时间是如何开始的”这一类问题，我们需要重新明确表述这些问题或者改变这些问题，就如同在物理学中经常出现的那样。随后这些问题可能更容易回答。无论如何，上述问题无疑将在未来引导暴涨宇宙学和弦论宇宙学中的大量研究。

2暗物质

第2个问题研究的是我们在最近几年内发现的暗物质的本质。现在看来，宇宙中绝大多数物质不是由构成我们的粒子组成的，而是某种我们不能直接看到的新类型的物质。这种“暗物质”不发出辐射，可以推想，它与普通粒子和辐射的相互作用非常微弱。我们只能通过它的引力效应而知道它的存在。我们可以通过观察星系边缘的普通物质的轨道而测量它的质量。结果是宇宙的25％由暗物质组成，而不是由质子、中子、夸克或电子构成。普通的重子物质，即组成我们的物质，仅占目前宇宙质量或能量密度的3－4％。因此什么是暗物质？我们能在实验室直接观察到它吗？它是如何与普通物质相互作用的？主流的假设是暗物质由弱相互作用大质量粒子（Weakly Interacting Massive Particles，WIMP）组成。粒子物理学家已经构造出许多推测模型，这些模型超出了粒子物理学的标准模型，通常包括许多可能组成暗物质的候选粒子。我喜欢的候选粒子是“neutralino”（中性伴随子），标准模型的超对称扩展中的最轻的中性粒子，它是构成暗物质的一个理想的候选粒子。但是暗物质也可能由“轴子”或其他粒子构成，轴子是为解决强CP问题而发明的另外一个预测粒子。于是出现了观测问题，我们是否能在实验室中制造和检测暗物质？我们能直接探测到充满和包围星系的暗物质吗？暗物质在宇宙中是如何分布的？关于星系的结构和形成，暗物质向我们提供了什么信息？在星系的形成和分布的当前模型中，暗物质扮演了一个至关重要的角色。正是暗物质进行了第一次塌陷，随后普通物质出现，并塌陷成为大块的暗物质（the clumps of dark matter）。我们还不能以充足的定量细节来理解星系是如何形成的，为了达到这个目标，我们需要真正理解暗物质的本质和特性。

3暗能量

第3个问题与最近的发现有关，宇宙中的绝大部分能量是一种新形式的能量，即所谓的“暗能量”。暗能量施加负压力，负压力导致了宇宙膨胀的加速，通过观察这种加速作用，天体物理学家已经推断出当前宇宙的70％的能量密度是暗能量的形式。这是最近一二十年内最神奇和最惊人的发现之一。什么是暗能量？最简单的假设是暗能量是恒定的，但是它也可能会随着时间而发生变化，然而，如何从观察上确定暗能量真是恒定的还是随着时间变化？关于暗能量的最简单假设是它是“宇宙学常数”Λ，当初爱因斯坦将它引入他的方程以便得出一个静态的宇宙。但是随后（人们）认识到爱因斯坦的静态宇宙是不稳定的；而且人们发现，宇宙不是静态的，它正在膨胀。因此，爱因斯坦放弃了宇宙学常数。他曾经说过Λ是他最大的错误。但是现在测量显示，看来存在一个不为零的、并具有负压力的能量，它看起来就像是一个宇宙学常数。它真是一个宇宙学常数吗？还是其他东西？我们应该怎样解释呢？宇宙中的绝大多数能量是真空能，然而却不可能“看到”它，除非您测量整个宇宙的膨胀，这真是令人惊奇。还有检测暗能量的其他方法吗？

4恒星、行星的形成

第4个问题研究的是更实际的天体物理问题：比星系小的恒星和行星物体的形成。现在有一个关于恒星形成的合理理论，但它并不是定量的，我们希望让它成为定量理论。我们能够真正理解恒星质量的范围吗？有多少双星形成？最初双星被认为是罕见的。现在认为所有恒星中至少有一半在双星中形成。我们可以计算双星的频率吗？恒星是如何成组的？新的观察已经回溯到第一批恒星形成的时期，这在一定程度上重新唤起了人们对这些问题的兴趣。第一批恒星形成时的环境与今天现存的环境是不同的。例如，那时没有天体物理学家所称的“金属”——比氦重的元素，因为比氦重的所有元素都是在恒星中形成的。第一批恒星只有氢和氦。如果恒星形成的理论足够完善，那么天体物理学家就可以告诉我们第一批形成的恒星的本质。但是，实际上，观测的结果出乎意料之外，它们与理论预测并不相符合。因此，关于恒星形成的理论以及检验这些理论的新途径，还有很多东西我们并不清楚。
一个出现只有大约十年的新论题，是行星形成的理论。我们第一次能够直接观察到我们自身的太阳系之外的行星。现在已经观察到几百颗行星，我们正在开始积累关于行星系统的真实数据。这是非常有趣的科学。其中最有趣的事情之一就是寻找我们太阳系之外的生命。因此，我们问道：适宜居住的行星有多大的频度？银河系中有多少行星能够支撑生命？我们能否发展出从观察上确定一个行星上面是否存在生命的技术？能否通过观察这些行星的大气层的谱线而确定它上面是否存在生命？这样看来，行星理论和行星科学突然变成一个非常有活力的领域，受到大部分非常年轻的天体物理学家的欢迎。这是一个非常令人激动的研究领域。

5广义相对论

关于广义相对论（GR），爱因斯坦的引力理论，宇宙学的语言，以及讨论宇宙的大尺度结构的理论框架，存在许多问题。这次会议的一些与会者问到：我们目前对GR的理解在所有尺度上都是正确的吗？GR在一些案例中已经得到了令人十分信服的验证。但是有两个区域我们根本没有进行过实验。一个是短距离。事实上，对于小于一毫米的距离，我们的确没有检验过牛顿的引力理论。另一个区域是引力非常强的地方，那里强大的引力造成了空－时流形的极度弯曲，例如黑洞附近。一个好的问题是：我们能用观测来确定克尔度规（Kerr metric）是否正确描述了黑洞周围的几何学吗？在一个黑洞形成时，只要我们知道这个黑洞的质量和自旋，那么它周围的空间和时间的几何学便是完全确定的。现在人们相信，宇宙中有许多黑洞。事实上，看来在每个星系的中心都有一个质量巨大的黑洞。天体物理学家和理论物理学家正在设法解决如何利用对掉进黑洞的物质所发出的辐射的观测来确定空间－时间几何。或许我们能够确定克尔度规是否正确描述了我们的星系中心的黑洞外部的空间－时间。

6量子力学

现代物理学的另一个理论支柱是量子力学（QM）。有趣的是，这次会议上，许多最卓越的参与者都在询问，QM是不是自然的最终解释。一些人如霍夫特（t’Hooft）就提出，在极小距离上QM可能失效，并设想它将被一个决定论性的理论所代替。拉格特（Tony Leggett）关心QM是否会在大型的复杂系统上失效。理由如下：所有学习QM的人都知道，当你开始考虑薛定锷猫的时候，你就会有点不舒服。在理解猫是如何处于一种死了和活着的叠加态的时候，就会有点困难。或许QM不能描述猫；或许对于大型的复杂系统QM可能失效。实验家非常努力地设法解决这些问题。在大型的宏观复杂系统上检验QM的尝试，为实验物理学家提供了强大的动力。彭罗斯（Roger Penrose）相信，在你试图描述心灵（mind），或者一个具有意识的系统的时候，QM将会失效。维格纳（Eugene Wigner）也相信这一点。就个人来说，这三个问题对我构不成问题，量子力学我也看不出存在什么问题。但是第四个问题却是同样困扰着我。我们如何使用QM将宇宙作为一个整体加以描述？讨论宇宙的波函数的意义是什么呢？在当前的暴涨理论中，林德（Andrew Linde）等人在谈论宇宙的不同区域的内部暴涨，内部暴涨产生了一长串宇宙，所谓“多宇宙”（multiverse），不同的宇宙彼此之间没有任何交流。描述这样一个“多宇宙”的QM意味着什么？

7粒子物理学

第7个问题，我们转向粒子物理学。对于基本粒子物理学的标准模型，电弱相互作用和强相互作用的理论，可以提出许多问题。标准模型是一个极为成功的理论，它符合所有现存的实验。但是它还有许多未解之谜，还有许多未定的问题，其中一些我们不认为可以容易地得到答案。标准模型最神秘的特征是物质的基本成分的质量和混合（mixing），我们现在相信这些基本成分就是夸克和轻子。它们具有非常奇怪的质量谱。顶夸克的质量是上夸克质量的十万倍。夸克在各种相互作用下混合。中微子甚至具有一种更为奇特的质量模式。这种质量谱来自于何处？标准模型，甚至标准模型的简单场理论的推广，对此确实给不出好的主意。
标准模型的许多其他特征同样是神秘的。我们如何解释重子的起源？重子数是守恒的吗？现在我们相信重子数是不守恒的，因为没有理由认为它应该守恒。假如是这样，在大爆炸演化成宇宙时，就会产生重子。我们知道这种情况会发生的途径，以及会产生宇宙中重子不对称的途径。但是迄今为止，我们在理论上还不能精确地计算宇宙中的重子数。我们应该能够做到这一点。我们的确不知道质子能够存活多久。还有许多其他问题不在标准模型之内，这些问题的解决，需要一个更全面的理论。

8超对称

依我看来，粒子物理学的基本问题，无论对于理论家还是实验家，都是超对称的问题。超对称是空间和时间的相对论性对称的一个非凡的新扩展。如果它是真的，那么空间－时间还具有额外的量子维度。超对称理论表述在超空间中，超空间具有额外的费米子维度，这些维度用反对易数来度量。超对称理论在量子维度到普通空间－时间维度的旋转下是对称的，这就会导致这样的预言，即迄今所知的每个粒子都存在一个对应的超对称伙伴。支持超对称一个非常强的线索，来自于强、弱和电磁理论向极高能量的外推。现有的观察，对这些力作了极高精度的测量。基于现有的观察和我们手中的那些极其成功的和精确的理论工具，我们可以将标准模型的这些力外推到非常高的能量区域。借助于这些工具，我们发现，当能量达到引力作用变得明显的尺度时，所有的力都统一起来。但是只有在我们假定理论是超对称的，并且超对称在TeV尺度以下自发破缺时，这种统一才会实现。幸运的是，这一能级正是新的大型强子对撞机（Large Hadron Collider）准备探测的能级，两年内大型强子对撞机将在CERN运行。建造这台加速器的主要动机之一和粒子理论家最近十年的主要工作之一就是探索超对称存在的可能性。如果我们发现超对称，那么现在的新物理学在接下来的几十年内将有许多工作要做——设法理解超对称是如何破缺的，并测量超粒子的质量谱。有趣的问题是：如果我们测量超对称粒子的质量谱和耦合常数，那么我们能否利用这些信息对大统一尺度上，甚或在弦的尺度上的物理学有更直接的理解吗？

9量子色动力学

最后，在标准模型中，还有一个问题，第9个问题，是关于我所喜欢的理论——量子色动力学（QCD）的。这个问题，三十年前我以为我就有了答案。我们能够解QCD吗？三十年前，我以为答案是肯定的，花上五年时间就差不多了。可是，我们至今也不会解QCD。在大距离处，相互作用力很强，我们还不能作解析处理。我认为，在这个方向上，最大的希望是构造一个强子和介子的对偶弦（dual string）描述。介子是夸克和反夸克组成的束缚态，看起来就像是流管（flux tubes），流管的末端是夸克和反夸克，其行为则像弦。事实上，我们现在有大量的证据表明，在弦理论和规范理论之中就存着这样的一个对偶弦描述。如果有人设想色（NC）的数目不是3，而是无穷，那么我们就确信存在一个经典弦，它将描述所有的介子。如果我们能够精确地写下对偶弦理论的经典方程（人们正在努力寻找），那么我们就可以期望以经典的方式求解，这可能并不太难。随后，我们可以解析地计算1/NC展开的首项中的强子质量谱。这是一个激动人心的目标，在过去的几年中，沿此方向已经取得了许多进展。在未来的许多年里，这个问题仍将指导人们探索非微扰的QCD和弦理论。

10弦理论

现在我转向弦理论——构造一个所有相互作用的统一理论的雄心勃勃的尝试。这里的基本问题是：什么是弦理论？我们真的不理解弦理论的核心是什么。我们所有的，不过是在一个理论的某些局部情形中，有许多不同的描述或计算方法，而这个理论本身是什么，我们却不能真正表述清楚。这真是一种怪异的处境。弦理论的各种表述经常是完全不同的。起初，我们是先描述10维空时中一条弦的经典运动，随后将这个系统量子化。但是现在，我们是按普通的（超对称的）规范理论，即标准模型中的杨－米尔斯理论，来表述某些特定的空时背景中的弦理论。有极强的证据表明，这些规范理论在数学上等价于一个描述在5维反德西特空间（anti-de Sitter Space，具有一个负的宇宙学常数）中运动的、可视之为的弦的理论。对于弦理论，我们还有许多不同的对偶表述，但是我们不知道该理论以及所有这些对偶表述的本质是什么。这种对偶性的深层含义还没有被真正理解。理论有许多不同表述，这些不同的表述看起来差异很大，各自都有不同的基本的动力学对象，这一事实对我们所熟悉的基本性和局域性概念造成了极其严重的威胁。

11空间－时间的本质

第11个问题是：什么是空间－时间？在弦理论中，许多人相信“空间和时间或许在劫难逃。”我们有许多例子表明在弦理论中空间是一个突现的概念。我们可以通过改变一个耦合的强度而轻易地改变空间的维数。按3维空间的规范理论表述的弦理论中，额外的6个维度和引力都是突现出来的。按量子力学矩阵模型表述的M-理论，其低能部分是用11维的超引力来描述的，其中全部10个空间维和引力似乎是描述宏观现象的近似方法。因此，我们有许多不同表述形式的弦理论，其中空间不再是一个基本概念，而是一个突现的概念。如果空间是一个突现的概念，那么时间也应该如此。但是我们如何想象时间是突现的呢？我不知道如何从一开始就不用时间去表述一个物理学理论。我相信这一问题的答案，即空间－时间的真正本质，对于理解弦理论的真实含义将是必要的，解决这一问题将需要一些革命性的概念。

12物理学是一门环境科学吗？

另一个引人入胜的问题，第12个问题，最近弦理论家讨论得很多，但比前述问题更普遍。这个问题就是：物理学是一门环境科学吗？我更喜欢将这个问题以下列方式提出：刻画物理宇宙的所有参数和定律原则上是可计算的吗？还是说，这些参数和定律在一定程度上是由历史的或量子力学的偶然事件所决定的？不可计算的物理参数的例子是我们太阳系中行星的半径。没有人相信我们可以计算这些半径。它们不是基本的。它们由历史偶然事件所决定的。精细结构常数和夸克与轻子的质量又如何呢？似乎，弦理论有许多解，许多可能的基态或真空。最近有些弦理论家已经发现了他们所谓的“景观”——宇宙的巨大数量的亚稳态。一些人认为这些亚稳态彼此十分不同。它们具有不同的空间－时间维数（很大的空间－时间维数），不同的规范耦合常数，不同的夸克和轻子的质量和数目。尤其是，它们具有不同的宇宙学常数。他们认为，当宇宙从大爆炸中突现时，它可能终结于这些状态中的任何一种，或者宇宙的不同区域可能经历暴胀，并终结于不同的状态。因此我们可能有一个多元宇宙。多元宇宙的有些部分看起来像这个，有些部分像那个，如此等等。那么我们在那一部分呢？生命存在、星系形成等等只能发生在多元宇宙中极少数的几个宇宙之中。因此他们诉诸“人择原理”（anthropic principle），来说明我们只能处于生命能够存在的那很小一部分宇宙之中。他们不去合理地计算自然常数的数值，不去推导出一些基本的规律，却希望通过人择原理保留一些预测能力。我个人根本不喜欢这种方法。我的确认为，爱因斯坦在表述自己的信念时所说的话是正确的，他说：大自然的立法，使得你最终能够计算一切；自然的法则如此强大，以至所有的参数都能够完全确定、不可更改，否则就会破坏整个理论。但是否如此，仍然是一个悬而未决的问题。

13运动学和动力学

第13个问题是运动学和动力学之间的传统差别是否还将存在。在物理学中，传统上我们所说的运动学，指的是物理学的框架，比如量子场论或量子力学，或者早期的经典场论或经典力学。在这样一个框架中，我们引入一个特定的动力学，比如标准模型。但是你可以在同一运动学框架中引入不同的动力学规律；这取决于你。如果你仔细想一想，你就会觉得这种运动学和动力学的分离是多么奇怪。我相信，在我们试图理解弦理论和空间－时间的本质时，这种差别将会变得模糊。将来我们会有一个框架，不再被分成运动学和动力学，只有一个可想象的动力学，它与运动学框架交织在一起。随后，量子力学可能会作为不可避免的、不那么神秘的结论而突现出来。

14凝聚态物理

凝聚态物理，与物理学其他领域相比，更多是由实验来推动的。因此当我请凝聚态物理学家为我提出问题时，他们许多人颇不情愿。他们说，“我们不提出问题，我们应对实验。”但是当我进一步询问时，我得到了一些好问题。其中之一涉及可能的新物质态，这是凝聚态物理中一个激动人心的领域，探索的是那些不能由朗道所发展的标准理论范式——费米液体理论——所描述的物理系统。量子霍尔系统就属于这一类，在过去的一二十年里，弄清它的结构一直是非常激动人心的工作。但是，是否存在其他种类的凝聚态相互作用系统，它们也表现出非费米液体的行为，并且可以通过常规的方式在实验中观察得到？理论家迄今已经发展出许多非常有趣的数学模型，这些模型已经超出了费米液体理论的描述范围。关于高温超导，人们已经提出了不少模型，但迄今我们仍不理解高温超导。自然界中是否真的会有非费米液体行为的凝聚态物质系统，现在还是一个未知数。

15复杂动力系统

25年前，KITP刚成立的时候，对呈现出复杂和混沌行为的动力学系统的研究，是一个非常时髦的领域。25年之后，这次会议的一个与会者问道：“现在，当我们发现一个复杂系统的时候，我们将它放到一个大型计算机上进行分析，我们从计算机模拟中得到数据，但是我们如何处理数据呢？我们如何理解它呢？”我们知道，这些复杂系统的预言能力具有内在的局限性。它们通常都有混沌的特征。但是仅凭模拟，理论家还不能断定，你所看到的究竟是一个复杂的难以计算的系统，还是一个具有某些有趣的混沌动力学行为的系统。因此对于理论家来说，急需开发工具去分析这些复杂的计算机模拟，以便了解隐藏在这些复杂数据之下的基础是什么。

16量子计算机

量子计算是一个崭新的领域，大概只有10年之久，目标是建造一台使用量子元件的计算机。也已证明，在某些情况下，量子计算机的性能远远胜于传统计算机，优势是指数级的。对理论家来讲，这里最有趣的问题，第16个问题，是：量子计算机将是无声的或耳聋的吗？建造一台量子计算机，关键问题是防止量子系统退相干。如果一台量子计算机由于它与周围环境不可避免的相互作用而发生退相干，那么它就变成了一台传统计算机。防止一个量子态与环境发生相互作用是困难的。有两个策略：一个是“无声”策略——将计算机的量子比特与周围环境隔绝开来，从而尽可能地降低噪音。另外一个方法是建造一台“耳聋”的计算机，这里信息由拓扑性准粒子携带，拓扑性准粒子是非局域的，不能被破坏，因此不受环境噪音的影响。这是一个比较新的、使人着迷的量子计算机方案。这里的问题是，要证明存在这样的凝聚态物质系统，它们具有可以操控的拓扑激发态。
最后，我们真的能够建造一台量子计算机吗？量子计算机的基础是基本量子比特（qubits），例如像自旋；自旋可以向上或向下，对应于0或1，但实际上却是量子力学的。真正的计算需要10, 000个量子比特，但是此刻我们只能建造2或3个量子比特的计算机，距离10, 000个量子比特还有很长一段路。

17高温超导体

我们的周年纪念会议上主要是从事基础研究的理论家，但下一个问题，即第17个问题，却是关于应用的，这是一个非常有趣的问题。我们能不能懂得如何制造室温甚至室温以上的超导材料？按凝聚态物理学家所说，没有理由相信你不能得到室温超导体。然而当前的理论还不够好，不能断定是否可能获得室温超导体。另外一个吸引人的问题是：我们能不能懂得如何制造室温铁磁体——一种普通的，但不是由铁，而是由可加工处理的电子（半导体）材料制成的铁磁体？如果可以，那么人们就可以在微观层次上对它进行操作，对理论家来说这是一个非常有趣的目标和一个极好的题目。

18生物学

现在我们转向生物学，它是许多软凝聚态物理学家开始感兴趣的一个领域。今天在生物学的世界中有许多漂亮的数据，例如人类基因组。我们能够基于所有这些数据来理解生命吗？存在一个生物学的理论吗？或者，生命仅是一个历史偶然事件吗？这看起来是一个非常困难的问题。理论物理学家很擅长理解复杂系统。但是生物系统与凝聚态物质系统是不同的。物理学家对此能有所帮助吗？除了计算和描述物理现象时所发展的数学，还需要新的数学去描述生物学吗？在生物学中我们必须处理许多不同时间尺度上的动力学，这可能是（需要新数学的）一个原因。在你的神经元和你的基因组中，时时刻刻——在纳秒或更小的时间尺度上——都有重要的变化在发生。长此以往，这些变化会对生命造成经年累月的影响。物理学还没有处理过这类问题，因此估计需要新方法或新数学。

19基因组学

物理学家特别感兴趣的，并且已开始投身其中的一个领域，就是基因组学。现在我们手中有了完整的蓝图，人类基因组。举例来说，我们可以利用基因组去理解进化吗？人们能够利用基因组去比较不同人之间的DNA，从而追溯物种在过去进化的历史。理论家能否用理论物理学的方法将进化史变成一个定量的甚至可预测的科学吗？我特别喜欢的一个问题是：我们能够通过基因组而获知一个有机体的形态吗？我想，20年之后，借助于物理学和物理学家的大量帮助，理论生物学可能会到达这样一个阶段：到那时，理论生物学课程的期终考试将会给学生们一小段DNA，要求他们基于这个DNA片段画出有机体的图像。

20神经科学

神经科学是物理学家已经工作了许多年的另一个领域。这是因为理解大脑是如何工作的这一问题是一个激动人心和富有挑战性的问题。物理学家喜欢挑战性的问题。很清楚，我们需要一个理论去理解大脑是如何工作的，没有模型仅有观察达不到目的。在大脑研究中一个最吸引人的问题是意识的本质。更精确地讲：记忆和意识背后的原理是什么？我特别喜欢的一个问题是：我们能够测量一个婴儿的意识是何时开始的吗？子宫内的一个胚胎大概是无意识的。在你13岁的时候，你可能具有了意识。在胚胎和青少年之间的某个时间，意识出现了。什么时候？两天，两个星期，两年？你如何去测量是在什么时候意识开始出现的？它是突然出现的吗（一级相变，还是连续相变）？如果你能够告诉一个实验者如何去测量这个相变的本质，那么你对于意识可能是什么已经有了很多了解。另一个好问题是：我们是否能够制造出一台有意识的、有自由意志的、而且行为具有目的性的活机器吗？

21计算物理学

围绕计算物理学产生了许多问题。作为理论物理学的一种方法，计算物理学在最近一些年变得非常重要。现在，许多科学家和物理学家，在遇到难题的时候，已经不是在纸上进行计算，而是在计算机上模拟这个问题。第21个问题是：计算机将会替代分析技术吗？如果这成为事实，那么我们需要改变对物理学家的训练吗？数百年来，我们一直使用同样的方法去教导学生。我们很少教导他们如何使用计算机，如何进行数值模拟。我们教导他们如何计算积分，如何解偏微分方程。我们要改变培养物理学家的方法吗？最终，维尔切克（Frank Wilczek）问道：“何时计算机将成为具有创造力的理论物理学家？”注意，他没有问“是否”，而是问“何时”。我们将如何培训它们呢？这是一个非常有趣的问题，在我们拥有一台可以成为具有创造力的理论物理学家的计算机之前，还有时间供我们作长期思考。我们是按照培训一个人的方式培训一台计算机，还是以一种不同的方式？对于人我们从经典力学开始，随后教授电学和磁学，然后是量子力学。对于计算机我们是否一开始就教它们弦理论，随后推导量子场论和作为近似的经典物理学？我不知道。这是一个可以思考的有趣问题。

22物理学的统一

关于科学社会学，人们也提出了许多问题。尤其是，有不少问题涉及物理学王国的潜在割据局面。物理学变得如此庞大，有如此多不同的领域，因此有人问道：“物理学将会分裂成为不同的领域，不同的学科吗？”有些领域已经分裂了，例如化学就分裂成有机化学学科和无机化学。这些分离的领域使用不同的方法来教育它们的学生。我将此看作物理学面临的一个危险。物理学的伟大传统，是保持自己在普通教育和物理学家的文化中的核心地位，哪怕这些物理学家是在相邻学科从事研究。事实上，物理学的统一由这次周年纪念会议的成功便可以得到证明，在此我们成功地让物理学各分支领域——从宇宙学到生物物理学——中的世界领袖人物聚集在一起，讨论作为一门思想和文化事业的物理学的未来。我希望并且相信物理学不会分裂成各自独立的领域。

23还原论

第23个问题，是拉格特（Tony Leggett）提出的：“我们倾向于理所当然地认为，既然大物体是由小物体组成的，所以大物体的行为，至少在原则上，必定由小物体的行为所完全决定。这种观点比大自然能够区分她的左右手更为理所当然吗？”我是一个还原论者。我真的相信小物体能够决定大物体，但是我们应该保持一种开放的心态。甚至在弦理论中，我就能发现，在“大”和“小”之间存在着混淆的地方。

24理论物理学的角色

另外一个社会学问题，第24个问题，是理论在物理学中所扮演的角色：“理论物理学的角色是什么？”对于理论物理学应该扮演的角色，存在两种极端的观点。一种观点认为，理论的角色是与实验和现象领域紧密联系在一起的，它帮助实验家解释他们的实验，辨别信号与噪音。另外一种观点认为，理论物理学的目标是获得一种更高层次的理解。为了获得这种理解，一个人可以将注意力集中于解决符合一般物理定律并且定义明确的数学模型，而不用考虑这些模型的真实与否。我们赋予简洁性和数学上的优美多大价值呢？这是第二组人群通常所关心的。对于理论描述复杂系统及其所有细节的能力，我们又赋予多大的价值？这是第一组人群所关心的。它们是两种不同的态度，两种不同的对待理论的方法。有些理论家喜欢第一种，有些喜欢第二种。依我的意见，两种方法都是好的，两种都是必要的。两种方法相互促进。我认为，作为一名理论物理学家，这两个部分都是必需的。

25大科学的危险

最后，第25个问题是关于现代物理学所面临的一些危险。这个问题不是由一位粒子物理学家提出的，而是一位天体物理学家提出来的。他指出，不仅传统的大物理学——粒子物理学——需要更大和更昂贵的加速器，而且天体物理学的项目也开始变得难以上马，并且再过25年可能会无法落实。在粒子物理学中，危险已经隐约浮出地平线，天体物理学也是同样的情况。天体物理学家想要投入空间的仪器日益昂贵，以至于任何政府都难以承受。天体物理学中还存在一些大问题，但是我们可能没有能力去探索它们。因此：目前我们应该考虑什么新途径？是今天，而不是25年之后，到那时考虑就太迟了；理论家在应对这种危险时应该扮演什么角色？
这是我在会议上提出的25个问题。但是，我想要再增加一个我知道答案的问题。从现在开始的25年内，物理学是否会仍然重要，KITP是否会仍然重要？这里的答案很明确：“是的”。（李斌译，郝刘祥校）