可是下顿饭吃什么呢?

道格拉斯·亚当斯在其科幻巨著《银河系漫游指南》中虚构了一台超级计算机 “深思”,试图得出 “生命、宇宙以及任何事情的最终答案”。经过七百万年的计算,答案出炉,是一个数字 “42”。不过,亚当斯从未说明 “终极问题” 到底是什么。

电子文库 arXiv 最近收录了一篇物理学论文,作者是美国德州农工大学的罗兰·阿伦(Roland Allen)和瑞典乌普萨拉大学的苏西·利德斯特罗姆(Suzy Lidstrom),他们收录了42个问题,认为这些问题加起来就是宇宙的 “终极问题”。

罗兰和苏西受到深思计算机计算结果的启发,认为 “‘42’ 意味着在人类完全认识世界之前必须解决的42个基础问题。” 他们的文章篇幅超过50页,可说是一篇介绍当下科学界重大难题的好文章 —— 至少他们俩是这么说的。

尽管问题的选择非常主观,我们还是认为这篇论文值得通读。出于为各位读者节省时间的考虑,我把这42个问题用42条微博(推特)解释一遍,总之就是每条不超过280个字。或许读者朋友们没人能回答得了这些问题,但至少得读懂题干吧!怎么样,贴心吗?


1.为什么经典物理学预言的 “宇宙常数” 数值极大?

首先提出 “宇宙常数” 概念的人是阿尔伯特·爱因斯坦,他试图用这个数值描述宇宙的能量密度。现在的问题是,天文观测所得的宇宙常数值远远小于物理学家推算的数值。

2.暗能量是什么?

1998年,宇宙学家被 “宇宙加速膨胀” 的现象所震惊。这个观测结果让宇宙学家提出了 “暗能量” 的概念,一种神秘的能量形式,占据了整个宇宙三分之二的质能,但时至今日,科学家仍无法给出 令人信服的理论解释

3.爱因斯坦引力理论该如何与量子力学相调和?

爱因斯坦认为引力与自然界其他现象一样,都应该可以使用量子力学理论进行描述,但在 极强引力场(如黑洞)中,还做不到这一点。

4.熵的起源是什么?黑洞的温度又有多高?

斯蒂芬·霍金生前发表了开创性的黑洞辐射理论,而论文作者阿伦和林德斯特罗姆认为有一个基础问题还没有得到解决。“黑洞与其他物理系统不同,为什么在这里熵只和表面积成比例,而非与体积成比例?”

5.黑洞会消灭信息吗?

目前认为,黑洞吞噬其他物体后,会将其信息编码记录在黑洞表面,最终将其辐射出去。但有一个问题:不论其事件视界上的信息具体为何,所有特定质量的黑洞,其辐射也是完全一致的。这一点可以推出 “黑洞消灭了信息” —— 但这就又违背了 热力学定律

6.宇宙是不是经过了一段暴涨期?

科学界认为宇宙在第一秒内就开始指数级别的暴涨,那么就有两个问题:暴涨的起源是什么?其直接证据又是什么?

7.物质为什么存在?

根据粒子物理学标准模型,在宇宙早期阶段,物质与反物质应当彼此遭遇完全湮灭,只留下光子才对。结果,现在的宇宙充满了物质,却找不到反物质,这到底是为什么?

8.暗物质是什么?

观测数据推测,宇宙的四分之一都是暗物质,但是目前还没办法检测到能直接解释观测效应的粒子。暗物质可能的形态是什么呢?轴子WIMP(大质量弱作用相互粒子)?还是别的什么东西?

9.为什么基本粒子在高能级也有 “对应的复制品”?

标准粒子模型中包括四类基本粒子:顶夸克、底夸克、电子和电中微子。但第二和第三代里面也有对应的粒子,比如粲夸克、奇夸克、μ 子等等。为虾米?

10.粒子的质量从哪里来?中微子的质量又是哪种类型?

前面说的四种基本粒子,它们的质量都是从哪来的?科学家认为基本粒子的质量与粒子和其所处场(如希格斯场)相作用的强度有关,但由于有特例存在,这个简单的解释显然还不够完美。

1528103531547601.jpg实验室制备的 Al-Pd-Re 准晶体

11.超对称存在吗?为什么目前观测到的粒子能量都远远小于最基本的能量尺度(普朗克能量)?

标准模型无法解释为什么弱核力比引力要强出那么多(前者大概是后者的 10,000,000,000,000,000,000,000,000 倍)。

12. 作用力的 “大统一理论”(GUT)是什么?

引力之外的三种作用力 —— 强核力、弱核力、电磁力,在 GUT 中已经得到统一。但这些力究竟如何统合,至今仍然成谜。

13.爱因斯坦相对论与场论始终成立吗?

“对称性” 指的是系统各物理量经历反向变换后保持不变的性质。电荷、宇称、时间(CPT)各自都有对称破坏的例证,但 CPT 的整体对称仍然未被破坏 —— 那么,CPT 有可能被破坏吗?

14.我们的宇宙是稳态吗?

希格斯玻色子的特性暗示宇宙正处于一种 “边缘稳态”(亚稳态),或者正处于一个朝向更稳定宇宙(这个宇宙的基本性质与现在完全不同)的相变过程之中。简言之,我们的宇宙究竟是不是已经达到了稳定状态?

15.夸克会被限定在它们所组成的粒子之内吗?

目前科学家们假设夸克都被 限制 在它们所组成的质子之内,除非外界给予它极大的能量才会离开。越来越多的证据正在支持这个假说,但距离完全证实还有距离。

16. Non-Trivial 力(如强核力)系统的完整相图是什么?

说实话这个问题我也搞不懂,我还是把原始论文贴出来吧:

1528103579477555.jpg(散落凡间的量子色动力学家们,相信你们能看得懂英文)

17.还有哪些基本粒子未被人类发现?

LHC(大型强子对撞机)这样的大型粒子加速器已经发现了很多 新型粒子。未来还会有什么新发现吗?这是 CERN(欧洲核子研究中心)的物理学家们严肃关切的问题。

18.还有哪些类型的天体未被人类观测到?

或许我们还会发现一些新类型的天体,比如诞生于早期宇宙、只含有氢和氦的举行第三星族星(Population III),或者依靠暗物质湮灭而非核聚变产生能量的 “暗星”。

19.还有哪种类型的超导体/超流体未被人类发现?

过去几十年里,物理学家利用极端温度创造了一些超流体(无粘性流体)和超导体(无电阻材料),未来还有可能发现类似的物质吗?

20.还有哪种类型的拓扑相尚未发现?

拓扑绝缘体” 这个概念指的是一些内部绝缘、表面导电的材料,除此之外,还有没有其他类型的特殊拓扑相?

21.还有哪些强关联电子材料的特性尚未发现?

上面提到的拓扑绝缘体在单电子和准粒子系统里已经得到证实。那么,还有哪些材料可以利用准粒子的特殊优势?

22.还有哪些物质的相/形态尚未发现?

研究人员最近几年发现了大量 新的物质相,比如 准晶体时间晶体 等等。未来还有没有其他的发现?

23.量子计算、量子信息和量子纠缠理论的其他应用前景如何?

大规模量子计算机的军备竞赛正在进行当中。这种 量子计算机 可以在多种计算任务(如 攻破 大多数加密算法)上完爆现有超算。但是这些应用最终会走出实验室、走向实用阶段吗?还是因为 结构上的脆弱性 只能沦为满足人类好奇心的玩具?

24.量子光学与光子学的前景如何?

量子互联网可以保护个人数据,防止窃听,但做到这一点需要能够对光子进行远距离控制。目前的 传输纠缠光子记录 是在2017年由中国卫星创造的。未来还会有什么更先进的技术呢?

25.存在更高的维度吗?

如果有的话,那么这些维度里的 “内部空间” 是如何构成的?

26.多重宇宙存在吗?

是否存在无数个宇宙,而这些宇宙拥有各自不同的物理法则?是不是正如人择原理所述,我们之所以生活在这个宇宙,是因为它刚好符合智能生命诞生的条件?更重要的是,我们如何用科学 证明 这一点?

27.宇宙形态是否存在某些特殊性质?

宇宙是什么 “形状”?如果宇宙的形态是 裸奇点虫洞,和/或有其他的时间循环,那么从理论上,就可以在时间上逆行。

28.宇宙的起源是什么?最终命运又如何?

宇宙根源是什么?是大爆炸吗?回望过去将有助于我们理解未来。另外,我们是不是会走向宇宙万物通通消亡的 “大撕裂”?

29.时间、空间的起源是什么?“四维时空” 又是什么?时间与空间的区别在哪里?

如题,没什么可说的。还需要解释吗?是不是水烟枪呼多了?

30.如何解释相对论与爱因斯坦引力理论?

超对称、弦理论这样的统一理论都把广义相对论当成一个假想的前提,而不是试图对它做出解释。但是,真空能或弦理论场中到底能不能导出爱因斯坦的引力理论?如果不能,那引力又是从哪里来的?

31.为何所有的作用力都在规范场论的框架之下?

标准模型中的所有力 —— 弱核力、强核力、电磁力和引力在规范场论中都有描述,这个理论描述了基本粒子与特定场的耦合。但是,为什么只有这些力存在?为什么物质只能以较弱的方式耦合到这些场?

32.为什么要用量子场论描述自然世界?

量子力学能否解释宇宙中更深层的现象? 比如宇宙为何由量子场构成、测量波函数时其为何会发生坍缩等等。

33.物理学具有数学一致性吗?

好的理论在数学推导和实验现象上是一致的。然而形式相对简单的量子场论尚未证明具有数学一致性。

34.物理学的形式与人类的感官真实之间有何关联?

如果数学和用数学描述的物理学都是人类的创造,那我们必须对人类意识与客观现实之间的联系作出解释。同样,还要解释世间为何存在万物 —— 而非一无所有的虚无世界。

35.理论、计算、实验及观测技术的极限在哪里?

随着计算机技术的不断进步,我们该如何改进实验模型,并理解极端复杂的试验装置(比如大型强子对撞机)?射电望远镜 日趋精密,它们会如何展现宇宙的本质?

36.化学、应用物理学和通用技术的极限又在哪里?

我们生活的时代里,科学技术正发生前所未有的进步 —— 那么,这种进步会走到头吗?还是会一往无前继续发展下去?这个问题与 AI 的关系更加密切,如果前一个问题的答案是后者,那么最终将演化出一台真正的超级智能机器。

37.生命到底是什么?

1944年,欧文·薛定谔提出了这个著名的问题。七十多年后,生物学家还在为这个看似简单的问题寻找答案。

38.地球生命如何起源?

有机分子的源头是什么?是早期地球的 “原始汤”,还是 小行星的馈赠(这个理论也叫 “泛种论”)?更重要的是,我们的单细胞祖先是如何演化成如今的复杂生命形态的?

39.宇宙中有多少生命体?

人类将探测器送上火星,寻找太阳系内的有机物质。SETI(地外文明搜寻计划)的科学家们也在扫描宇宙电波,可迄今为止在银河系内还是一无所获(无论智慧生物还是其他生命体都没有找到)。在这个广袤的宇宙中,我们真的如此孤独吗?

40.生命体如何解决那些看起来极端复杂的问题?

看似 “愚蠢” 的有机体却能够完成一些极端复杂的任务,比如蛋白质折叠、细胞分裂等等,并且依靠这些机制完成眼睛、心脏、大脑和其他脏器 —— 这到底是怎么做到的???

41.我们能否彻底攻克所有疾病?

生物世界缤纷多样,即便在同一个物种里,每个个体的情况也千差万别,这让治疗疾病变得极端复杂与困难。人类会不会在有朝一日彻底 攻克疾病、达到永生

42.意识是什么?

这个问题已经困扰了哲学家们几个世纪,直到最近,人类才掌握了能够探索这个问题的 技术条件。意识是通过几十亿个细胞经历复杂的相互作用而涌现的吗?意识是一种波谱吗?意识可以被复制吗?

编辑: Ricky

Translated by: 郑啸天

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