我們的宇宙是否穩(wěn)定，黑洞熵的起源和溫度是什么，愛因斯坦的相對(duì)論和標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)論總是有效的嗎，時(shí)空幾何中是否存在奇異的性質(zhì)，化學(xué)、應(yīng)用物理和科技的極限是什么……“在達(dá)到完全開悟的道路上，這42個(gè)基本問題必須得到解答?！?/p>

在道格拉斯·亞當(dāng)斯（Douglas Adams）的經(jīng)典科幻小說《銀河系漫游指南》（Hitchhiker’s Guide to the Galaxy）中，一臺(tái)名為“深思”（Deep Thought）的超級(jí)計(jì)算機(jī)經(jīng)過700萬(wàn)年的思考，得出了關(guān)于“生命、宇宙和萬(wàn)事萬(wàn)物終極問題”的答案，這個(gè)答案就是“42”。但亞當(dāng)斯一開始并沒有說明那個(gè)“終極問題”究竟是什么。

在發(fā)表于學(xué)術(shù)網(wǎng)站arXiv的一篇論文中，德州農(nóng)工大學(xué)的物理學(xué)家羅蘭德·艾倫（Roland Allen）和瑞典烏普薩拉大學(xué)的物理學(xué)家蘇西·利德斯特羅姆（Suzy Lidstrom）為弄清楚這個(gè)問題做出了嘗試，他們描述了自己心目中關(guān)于生命、宇宙和萬(wàn)事萬(wàn)物的42個(gè)終極問題。

盡管這是兩位科學(xué)家自己列出的清單，但文章從整體來看仍然值得一讀。不過為了節(jié)省時(shí)間，本文對(duì)艾倫和利德斯特羅姆的42個(gè)問題進(jìn)行了縮編，使得每條解釋大致和一則微博的長(zhǎng)度差不多。

為什么傳統(tǒng)物理學(xué)預(yù)測(cè)的宇宙常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于觀測(cè)值？

宇宙常數(shù)理論是由愛因斯坦首先提出來的，它對(duì)宇宙的能量密度進(jìn)行了描述。問題在于，天文觀測(cè)表明，宇宙常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于物理學(xué)所預(yù)測(cè)的數(shù)值。

暗能量是什么？

1998年，宇宙學(xué)家驚訝地發(fā)現(xiàn)，宇宙的膨脹正在加速。這個(gè)驚人的觀測(cè)結(jié)果被歸因于“暗能量”的作用，三分之二以上的宇宙被認(rèn)為是由這種神秘力量所構(gòu)成，但它至今尚未得到令人信服的解釋。

愛因斯坦的引力理論如何與量子力學(xué)達(dá)到統(tǒng)一？

愛因斯坦意識(shí)到，同自然界的其他事物一樣，引力應(yīng)該能夠用量子力學(xué)進(jìn)行描述。然而，在引力非常強(qiáng)的時(shí)候，比如黑洞周圍，將量子力學(xué)和引力理論統(tǒng)一在一起的努力就會(huì)失敗。

黑洞熵的起源和溫度是什么？

盡管史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）在黑洞輻射方面完成了開創(chuàng)性的研究工作，但艾倫和利德斯特羅姆指出，一個(gè)“基本的奧秘在于，為什么黑洞的熵應(yīng)該正比于面積，而不像其他物理系統(tǒng)那樣，熵正比于體積”。

信息在黑洞中丟失了嗎？

信息被認(rèn)為會(huì)在黑洞視界的表面進(jìn)行編碼，并以輻射的形式被發(fā)送回來。然而，所有特定質(zhì)量的黑洞發(fā)出的輻射都完全相同，與視界上的信息沒有關(guān)系。這意味著黑洞會(huì)摧毀信息，而這違反了熱力學(xué)定律。

宇宙是否經(jīng)歷過一段暴脹期？

科學(xué)家認(rèn)為，宇宙在誕生之初經(jīng)歷了指數(shù)式的膨脹。這里的兩大問題是：宇宙暴脹的起源是什么？暴脹存在直接證據(jù)嗎？

為什么還有物質(zhì)存在？

根據(jù)粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型理論，物質(zhì)和反物質(zhì)本應(yīng)在早期宇宙中完全湮滅，只留下光子?？捎钪嬷形镔|(zhì)相對(duì)豐富，反物質(zhì)卻很少，這是怎么回事？

暗物質(zhì)是什么？

我們對(duì)星系的觀測(cè)表明，宇宙約有四分之一是由暗物質(zhì)構(gòu)成的，但迄今為止，物理學(xué)家尚未探測(cè)到任何可以對(duì)所觀測(cè)效應(yīng)做出解釋的暗物質(zhì)粒子。它會(huì)是軸子，是大質(zhì)量弱相互作用粒子（WIMP），還是某種完全不同的東西？

為什么基本粒子在更高能量級(jí)會(huì)復(fù)制兩次？

在標(biāo)準(zhǔn)模型中，有四種主要的基本物質(zhì)粒子：上夸克、下夸克、電子以及電子中微子。然而，這些粒子各自還有第二代和第三代（即副本），比如粲夸克、奇夸克和渺子，為什么會(huì)這樣？

粒子的質(zhì)量源于何處，中微子擁有什么樣的質(zhì)量？

前面提到的四種基本粒子是從哪里獲得質(zhì)量的？科學(xué)家認(rèn)為，基本粒子的質(zhì)量跟它們與場(chǎng)（比如希格斯場(chǎng)）相互作用的強(qiáng)度有關(guān)，但異?，F(xiàn)象使得這種簡(jiǎn)單的解釋站不住腳。

超對(duì)稱性是否存在？為什么跟最基本的（普朗克）能量尺度相比，我們觀測(cè)到的粒子的能量如此之??？

標(biāo)準(zhǔn)模型無法解釋為什么弱核力比引力強(qiáng)出那么多(10,000,000,000,000,000,000,000,000倍)。

基本力的大統(tǒng)一理論是什么？

在大統(tǒng)一理論中，除引力之外的三種基本力（強(qiáng)核力、弱核力、電磁力）是作為一種力的元素結(jié)合在一起的，但它們結(jié)合的方式仍然是一個(gè)謎。

愛因斯坦的相對(duì)論和標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)論總是有效的嗎？

對(duì)稱性是指，系統(tǒng)經(jīng)過變換前后狀態(tài)保持不變。CPT對(duì)稱（即電荷正負(fù)對(duì)稱、宇稱對(duì)稱、時(shí)間反演對(duì)稱）從未出現(xiàn)破缺，即使每個(gè)粒子都具有這種對(duì)稱性。CPT對(duì)稱有可能破缺嗎？

我們的宇宙是否穩(wěn)定？

希格斯玻色子向我們揭示，我們的宇宙只是處在“邊緣穩(wěn)定”的狀態(tài)，或者正處于向更穩(wěn)定狀態(tài)的過渡階段，過渡前后的宇宙性質(zhì)將有根本性不同。這里的問題是，我們的宇宙現(xiàn)在是否穩(wěn)定。

夸克總是被禁閉在它們所構(gòu)成的粒子當(dāng)中嗎？

一般認(rèn)為，夸克被禁閉在它們所構(gòu)成的質(zhì)子當(dāng)中，把它們釋放出來需要非常大的能量。越來越多的證據(jù)表明，夸克必然始終是被禁閉的，但這一點(diǎn)并未得到嚴(yán)格證明。

對(duì)于具有基本力（比如強(qiáng)核力）作用的系統(tǒng)，其完整相態(tài)圖是什么樣的？

老實(shí)說，我也不知道，所以在這里貼出論文的截圖：

還有什么新粒子尚待發(fā)現(xiàn)？

像大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）這樣的粒子加速器已經(jīng)幫助我們發(fā)現(xiàn)了新的粒子，這種事情還會(huì)繼續(xù)發(fā)生嗎？對(duì)歐洲核子研究中心（CERN）等機(jī)構(gòu)的物理學(xué)家來說，這是一個(gè)重要的問題。

宇宙中還有哪些新的天體尚待發(fā)現(xiàn)？

或許還有一些新型恒星等待我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)，比如巨大的第三星族恒星，它們形成于早期宇宙，幾乎完全由氫氣和氦氣組成；或者是由暗物質(zhì)湮滅（而非核聚變）提供能量的“暗恒星”。

超導(dǎo)性和超流性還有哪些新形式尚待發(fā)現(xiàn)？

過去幾十年中，通過把材料置于極端溫度下，物理學(xué)家創(chuàng)造了一些超流體（沒有黏性的流體）和超導(dǎo)體（沒有電阻的導(dǎo)體）。未來，我們還能在其他哪些材料中發(fā)現(xiàn)這些特性？

還有哪些拓?fù)湎嗌写l(fā)現(xiàn)？

拓?fù)浣^緣體是一種表面導(dǎo)電但內(nèi)部絕緣的材料，我們還能在其他哪些地方找到它們？

在高度關(guān)聯(lián)的電子材料中，還有哪些特性尚待發(fā)現(xiàn)？

前面提到的拓?fù)浣^緣體已經(jīng)在單電子或準(zhǔn)粒子系統(tǒng)中得到驗(yàn)證，還有哪些其他類型的材料有可能對(duì)準(zhǔn)粒子加以利用？

就物質(zhì)而言，還有哪些新的相和形式尚待發(fā)現(xiàn)？

近些年來，研究人員發(fā)現(xiàn)了很多新的相，比如準(zhǔn)晶體和時(shí)間晶體，還有更多等著我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)嗎？

量子計(jì)算、量子信息和基于量子糾纏的其他應(yīng)用，它們的未來是什么？

開發(fā)大型量子計(jì)算機(jī)的競(jìng)賽正在如火如荼地進(jìn)行，這種計(jì)算機(jī)在很多任務(wù)上都可以超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，比如破解大多數(shù)加密技術(shù)。但這些應(yīng)用有可能走出實(shí)驗(yàn)室嗎，或者它們太過脆弱，只能成為一時(shí)的新奇之物？

量子光學(xué)和光子學(xué)的未來是什么？

量子互聯(lián)網(wǎng)將有助于保護(hù)數(shù)據(jù)的安全，但要做到這一點(diǎn)，我們需要能夠?qū)庾舆M(jìn)行前所未有地遠(yuǎn)距離操控。當(dāng)前的光子糾纏傳輸距離紀(jì)錄是由一顆中國(guó)衛(wèi)星在去年創(chuàng)造的，我們接下來還能看到什么樣的創(chuàng)新？

是否存在更高的維度？

如果還有其他維度存在，那么該維度的“內(nèi)部空間”是如何構(gòu)成的？

多元宇宙存在嗎？

是否存在無數(shù)個(gè)宇宙，而每個(gè)宇宙都有自己的法則？我們的宇宙是不是經(jīng)過了精調(diào)，從而具備了讓智能生命出現(xiàn)的條件？該理論被稱為人擇原理。更重要的是，我們將如何用科學(xué)來證明這些理論？

時(shí)空幾何中是否存在奇異的性質(zhì)？

宇宙是什么“形狀”？如果宇宙的結(jié)構(gòu)允許裸奇點(diǎn)、蟲洞和/或閉合時(shí)間循環(huán)存在，這可能讓穿越到過去的時(shí)間旅行成為可能。

宇宙是如何起源的，它的最終命運(yùn)又是什么？

為什么宇宙有一個(gè)起源，宇宙真的是從大爆炸中誕生的嗎？研究過往將有助于我們了解自己的未來，以及宇宙的最終命運(yùn)是否是“大撕裂”（即所有的物質(zhì)最終都被撕裂成碎片）？

時(shí)空的起源是什么，為什么時(shí)空是四維的，為什么時(shí)間不同于空間？

標(biāo)題已經(jīng)說明了一切，如果還要讓我再補(bǔ)充的話：在嘗試解決這些問題之前，你可能會(huì)想要一個(gè)“穿越煙壺”。

如何解釋相對(duì)論和愛因斯坦的引力理論？

像超對(duì)稱和弦理論這樣的大統(tǒng)一理論都傾向于假設(shè)局域洛倫茲不變性（即愛因斯坦的相對(duì)論），而不是試圖解釋它。但愛因斯坦的引力理論是否可以從真空能量或弦理論領(lǐng)域推導(dǎo)出來呢？如果不行，引力從何而來？

為什么所有的基本力都有規(guī)范場(chǎng)論的形式？

標(biāo)準(zhǔn)模型中的所有力（弱核力、強(qiáng)核力、電磁力、引力）都是用規(guī)范場(chǎng)論進(jìn)行描述的，該理論描述了基本粒子如何與特定的場(chǎng)耦合。然而，為什么只有這些類型的力存在呢，為什么物質(zhì)只能跟這些場(chǎng)進(jìn)行較弱的耦合？

為什么自然可以用量子場(chǎng)論來描述？

當(dāng)涉及更深層次的宇宙原理時(shí)，量子力學(xué)還解釋得通嗎？這一理論將解釋為什么宇宙由量子場(chǎng)組成，并解釋一些令人困惑的觀測(cè)結(jié)果，比如觀測(cè)導(dǎo)致波函數(shù)坍縮。

物理學(xué)在數(shù)學(xué)上做到一致了嗎？

好的理論與實(shí)驗(yàn)在數(shù)學(xué)上是具有一致性的，然而，相對(duì)簡(jiǎn)單的量子場(chǎng)理論還沒有做到這種數(shù)學(xué)上的一致性。

物理學(xué)的形式體系和人類經(jīng)驗(yàn)的現(xiàn)實(shí)之間有什么聯(lián)系？

如果數(shù)學(xué)以及由它描述的物理學(xué)實(shí)際上是人類的造物，那么我們必須回答人類意識(shí)與現(xiàn)實(shí)之間有什么聯(lián)系，以及其他一些相關(guān)問題，比如為什么有物的存在，而不是一切皆空。

理論、計(jì)算、實(shí)驗(yàn)和觀測(cè)技術(shù)的極限是什么？

更好的計(jì)算機(jī)將如何改進(jìn)我們的模型，如何幫助我們理解一些最復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)，比如大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)？隨著我們的望遠(yuǎn)鏡變得越來越先進(jìn)，它們將揭示出宇宙的什么秘密？

化學(xué)、應(yīng)用物理和科技的極限是什么？

我們生活在一個(gè)前所未有的科技進(jìn)步時(shí)代，這種進(jìn)步是否有上限，新發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)的速率是否只會(huì)越來越快？這個(gè)問題與人工智能尤其相關(guān)，因?yàn)楹笳叩哪康木褪莿?chuàng)造真正的超級(jí)智能機(jī)器。

生命是什么？

1944年，埃爾溫·薛定諤（Erwin Schrodinger）提出了這個(gè)著名的問題。70多年過去了，生物學(xué)家仍在尋求回答這個(gè)看似簡(jiǎn)單的問題。

地球上的生命是如何誕生的？

有機(jī)分子是否是從早期地球的“原始湯”中出現(xiàn)的，或者，它們是由外太空的小行星帶入地球的（這被稱為生物外來論）？此外，我們的單細(xì)胞祖先最終是如何發(fā)展成為復(fù)雜生命形式的？

宇宙中還有多少其他生命？

火星上的機(jī)器人正在尋找有機(jī)物質(zhì)，搜尋地外文明計(jì)劃（SETI）的天文學(xué)家則在監(jiān)聽宇宙中的電波，但到目前為止，我們還沒有在這個(gè)星系的其他地方找到生命存在的證據(jù)，不管是智慧生命，還是其他形式的生命。在廣闊無垠的宇宙中，我們真的是孤獨(dú)的嗎？

生命如何解決看似不可能的復(fù)雜性問題？

看似“愚蠢”的生物卻能完成十分復(fù)雜的任務(wù)，比如蛋白質(zhì)折疊，或繁殖細(xì)胞并形成復(fù)雜器官（比如眼睛、心臟、大腦和其他器官），這是如何發(fā)生的？

我們能了解并治愈那些折磨生命的疾病嗎？

生物具有驚人的多樣性，即使在同一物種之內(nèi)，也是如此，這使得我們極難治愈一些最嚴(yán)重的疾病。我們有可能徹底根除疾病和死亡嗎？

意識(shí)是什么？

數(shù)個(gè)世紀(jì)以來，這個(gè)問題一直困擾著哲學(xué)家，但直到最近，我們才嘗試?yán)眉夹g(shù)，從科學(xué)角度來解釋這一問題。意識(shí)是誕生于數(shù)十億個(gè)細(xì)胞復(fù)雜的相互作用嗎？意識(shí)是一種頻譜嗎？它可以被復(fù)制嗎？

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