生命、宇宙、萬物——42個未解之謎

借鑒昨日，活在當下，憧憬明天。重要的是不要停止發問。

—— 愛因斯坦

42，這個數字對於許多人而言並不陌生。根據道格拉斯·亞當斯（Douglas Adams）在他的科幻作品《銀河系漫遊指南》一書中的描述，生命、宇宙、萬物的終極答案便是42。但42究竟詮釋著什麼？至少在這裡，它意味著42個通往真理的基本大問題：從宇宙學常數問題，到時空和量子場的起源，再到生命和意識之謎。

I. 超越標準模型篇

上個世紀，物理學家經過了幾十年的努力發展出了粒子物理學的標準模型，描述了自然界中的三種基本力（電磁力、弱核力和強核力）和基本粒子（夸克、電子等），兩個量子場論是它的核心。量子電動力學（QED）描述了光與物質間的相互作用，並和弱核力統一成電弱力。量子色動力學（QCD）則是描述強核力的一個理論。2012年，標準模型迎來了巔峰，希格斯玻色子的發現最終填補了標準模型的最後一塊拼圖。然而，我們知道它並不是一個終極理論。標準模型沒有包括引力，也無法解釋中微子為什麼有質量等其他問題。因此，多年來物理學家一直致力於尋找超越標準模型的新物理。

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夸克和輕子是最基本的嗎？

為什麼世間的萬物都有著一些共同的性質？人們很快就意識到，物質其實都是由自然界的一些基本單元構成的。所謂的基本單元是指不能再由更小的物質構成的單元。經歷了千年的探索，我們在實驗中發現了原子、質子、中子、電子和夸克。現在我們知道，電子（與μ子和τ子被稱為輕子）和夸克（共有六種）是不可再分割的。但是，鑒於過去的經歷，我們不得不懷疑它們真的是最基本的嗎？或許它們是由更小的先子（preon）組成的？又或者它們正如弦理論所預言的那樣是由只有普朗克長度大小的弦構成的？

宇宙中最基本的粒子是什麼？| 圖片來源：Fermilab

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家族問題：為什麼夸克和輕子有三代？

上夸克、下夸克、電子和電中微子都是被稱為費米子的基本粒子，它們構成了我們體驗到的萬物。但這並不是故事的全部，自然富有深意的又安排了這些費米子的第二代，甚至是第三代。例如，三代帶電輕子分別為：電子（發現於1897年）、μ子（發現於1937年）和 τ子（發現於1975年）。它們的性質完全相同，μ子和 τ子只是電子更重的版本而已。物理學家發現，電子可以完成其它兩種粒子能做的一切事情，就好像 μ子和 τ子是多餘的一樣。以至於當 μ子第一次在宇宙射線中被發現的時候，著名的實驗家Isidor Rabi怒道：「是誰訂的 μ子？」 物理學家把這三種粒子描述為輕子家族的三代，然而，在我們所觀測的世界中，似乎只需要第一代的電子就足夠了。為什麼會有三代？其中必然有更深刻的原因，只是我們還不知道。

費米子：左邊是三代夸克上(u)、下(d)、粲(c)、奇(s)、頂(t)及底(b)；右邊是三代輕子：電子(e)、μ子和τ子，以及它們相應的中微子(ν)。| 圖片來源：Sandbox Studio, Chicago with Ana Kova

3

誇總是被束縛在它們所構成的粒子內嗎？其背後的理論為何如此的難？

根據量子色動力學（QCD），當兩個夸克越靠越近時（能量越來越高），它們間的相互作用就越弱，這被稱為「漸進自由」。1973年，Frank Wilczek和其他兩位物理學家因發現了漸進自由而獲得諾貝爾物理學獎，他們描述了在高能下，對強核力進行微擾計算的可能。物理學家相信，在低能量的情況下（距離越來越遠），夸克之間的作用力則會越來越強，使夸克永遠被禁閉在它們所構成的粒子（比如質子或中子）內，因此宇宙中並沒有自由夸克。雖然夸克禁閉是被普遍接受的事實，但從來沒有被嚴格的證明過。

宇宙中並沒不存在「自由夸克」。如果把一個上夸克和一個反下夸克強行拉開，所需要的能量越來越高，一旦超過一個點，便會在真空中製造出一對夸克/反夸克對。這是很反直覺的，有點像奇怪的巴拿赫-塔斯基定理（又名「分球怪論」）。| 圖片來源：Flip Tanedo of Quantum Diaries

事實上，QCD在許多方面都沒有被很好的理解，因為它們是如此的深奧，以至於相關問題也被列為千禧年七大數學難題之一。對QCD更好的理解，能夠幫助我們揭開許多謎題。例如，在宇宙學中，夸克-膠子等離子體是非常重要的，它也已經在實驗室（比如RHIC和LHC）中被製造出來了。對夸克-膠子等離子的深入研究為我們提供了許多的洞見，但也出現了許多新的問題。此外，對QCD的完整相圖的研究也能夠應用在核物理和天體物理中，比如更好的描述中子星的內部結構。

4

粒子質量的起源之謎

雖然理論物理學家已經投入了大量的工作，但是並沒有理論能夠解釋標準模型中的費米子的質量，或者說它們與希格斯場的湯川耦合。特別是頂夸克的質量之謎，不僅是因為它的質量相比其它基本粒子是如此之大，也因為它的值接近希格斯場的真空期望值。

同時，中微子質量的發現，為我們需要一個超越標準模型的理論提供了堅實的實驗證據。對於每一代的費米子，要麼需要加入一個額外的場（如果是狄拉克型的質量，就像電子或夸克那樣），要麼違反輕子數守恆（如果是馬約拉納型的質量，意味著中微子是自己的反粒子）。我們需要解釋為什麼中微子具有質量，以及為什麼質量那麼小。這些問題都可以在大統一理論中找到答案，但大統一理論有很多版本，並沒有哪個被普遍接受。目前，我們並不知道中微子的確切質量（中微子振蕩實驗只測量了質量平方差），也不知道質量是屬於馬約拉納型的還是狄拉克型的，又或者兩者兼有。此外，正如其它的費米子，目前也沒有理論解釋中微子質量的基本起源。

我們一般認為物質和反物質是不同的，就像天使與惡魔。但是馬約拉納中微子卻同時是天使與惡魔。| 圖片來源：Fermilab Today

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等級問題和超對稱

為什麼標準模型中的基本粒子的質量要比普朗克質量小那麼多？這個問題就是所謂的「等級問題」。我們似乎可以說粒子物理學是一個等級森嚴的領域。四種基本力的強度懸殊，從強到弱（即從強核力到引力）形成等級。物理學中的不同質量也形成等級，最頂層的是普朗克質量，最底層的就是真空能量。

如果從第一原理預測標準模型的粒子的質量，它們的質量應當約為普朗克質量，大概在能量10^19GeV。但問題是，這比宇宙中已被探測到的質量最大的粒子都要高出17個數量級。特別是希格斯玻色子，它的質量應該非常大，因為它跟如此多的粒子相互作用。

而我們現在已經知道，希格斯玻色子的質量只有125GeV，這跟普朗克能量尺度相差十幾個數量級，而不是理論所期待的在同一個等級。因此，我們要問，為什麼粒子的質量是我們現在觀測到的質量，而不是接近普朗克質量？最優美的一個解決方法是存在一個額外的對稱，可以抵消所有普朗克尺度的貢獻，使粒子的質量要比普朗克質量低的多。

這就是「超對稱」理論背後的想法。超對稱做了一個非常大膽的預言：所有的費米子（比如夸克和電子）都有一個玻色子的超對稱夥伴，以及所有的玻色子（比如光子，膠子）都有相應的費米子超對稱夥伴。在許多超對稱理論中，最輕的超對稱粒子是一種不帶電、穩定的粒子，稱為中輕微子。如果找到這些粒子，也可以解釋暗物質的問題。雖然超對稱理論備受喜愛，但多年來在粒子加速器都沒有發現它們，而它們早應該被找到。

左邊為標準模型粒子，右邊為超對稱粒子。| 圖片來源：DESY

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還有哪些未知的粒子等待被發現？

過去，越來越強大的加速器或探測器發現了許多新的粒子，而這很可能會再次發生。有一些新粒子被提出來解決一些特定問題，比如軸子可以解釋為什麼量子色動力學不違反CP不變性，惰性中微子則被提出來解釋中微子振蕩實驗中的可能觀測。其它的新粒子被提出來主要是因為它們在理論上是可能存在的，比如類似標準模型中的額外費米子或玻色子。我們隨時可能在實驗室中遇到令人驚喜的新發現，因為我們對自然的理解還不完整。

軸子（擴展閱讀：《同時解決物理學的五大難題？一個野心勃勃的理論》）。 | 圖片來源：Sandbox Studio

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質子的半徑、自旋和衰變之謎

原子中的質子是由三個夸克組成，儘管質子在100多年前就走入我們的視線，但事實表明我們對它還不夠了解。當科學家用不同的方法測量質子的半徑時驚奇的發現，兩種方法給出了不同的半徑數值。對半徑的精確測量很重要，因為這是對量子電動力學（QED）的檢驗。如果這種差異在實驗中持續出現，或許意味著存在著一個未發現的粒子。

但即使半徑之謎解決了，科學家還面臨著另一個問題。起初，物理學家認為它的自旋主要來自夸克的貢獻。但到了1987年，歐洲μ子實驗組進行的一系列高能物理實驗引發了所謂的「質子自旋危機」。由CERN、DESY和SLAC所進行的實驗給出了令人意外的結果：夸克對質子的自旋貢獻僅為30%！如果不是夸克，那又會是什麼？在一次最新的大型數值模擬量子色動力學的結果顯示，膠子提供了質子一半的自旋。而剩下的20%的質子自旋被認為是來自夸克和膠子的軌道角動量。基於過去幾十年的努力，物理學家距離揭開質子自旋的來源越來越近。

事實上，質子內部非常複雜。| 圖片來源：APS/Alan Stonebraker

質子的最後一個謎題則跟它的壽命有關。質子可以衰變，是大統一理論一個非常重要的預言。但唯一的問題是，目前實驗還沒有觀測到任何質子衰變的跡象。例如日本的超級神岡探測器一直致力於監測衰變質子釋放出的輻射，但沒有觀測到任何衰變的證據。他們的最新研究成果將質子壽命的下限提高到1.6×10^34年。如果有朝一日我們能夠在探測器中觀測到質子發生衰變，那就意味著自然界中三種基本力——弱核力、強核力和電磁力——在宇宙早期能夠被統一在一起。

8

洛倫茲或CPT不變性會被違反嗎？（愛因斯坦的相對論和標準場理論總是有效的嗎？）

在最基本的層面，標準模型違反了P和CP（P代表宇稱，即鏡像中的世界；C代表電荷共軛，即把粒子換成反粒子）對稱性，同時在希格斯場凝聚後，也違反了弱同位旋和弱超電荷守恆。1956年，吳健雄通過觀察鈷-60原子的放射性衰變，驗證了楊振寧和李政道的理論：在弱相互作用中宇稱不守恆。1964年，James Cronin 和 Val Fitch在實驗室中也找到了CP破壞的證據。那麼自然而然地要問，是否還存在更多的對稱性破缺，無論是在基本層面（超越標準模型的理論），或是由於進一步的對稱性破缺（因矢量或張量的凝聚，而非標量場），或因為量子漲落（例如普朗克尺度上的「時空泡沫」）。

特別是，科學家一直致力於尋找違反洛倫茲不變性或CPT不變性的證據，但到目前為止並沒有發現任何蛛絲馬跡。大多數科學家都同意廣義相對論和粒子物理學的標準模型並不是最終的理論。在眾多統一理論中，比如弦理論、修正引力理論和非對易量子場論中，都預言了洛倫茲對稱性的微小的破缺。因此對洛倫茲不變性的精確檢驗會指向一條通往正確的統一理論模型的道路。同樣的，CPT對稱性也是現代物理學的重要支柱，它是指物理定律在電荷共軛、宇稱、時間反演的聯合變換下保持不變。如果CPT對稱性被打破了，就意味著打破了現有的物理學。

CPT對稱性。| 圖片來源：Chad Ozel

9

我們的宇宙穩定嗎？

希格斯玻色子具有特殊的質量，其值意味著希格斯勢里的基本自耦合參數：

幾乎等於零（如果標準模型計算有效的話）。從這個結果來看，希格斯凝聚和我們所知道的宇宙只能勉強算是穩定的。事實上，進一步的計算暗示了我們的宇宙可能處於一種亞穩態，最終會過渡到具有非常不同性質的更加穩定的狀態。事實上，這裡牽涉到一個非常深刻的問題：如何解釋 λ≈0？我們的宇宙是否處於穩定狀態呢？

II. 引力和宇宙篇

上個世紀，有兩個偉大的理論徹底地改變了我們對自然的理解。其中一個是量子力學，描述了粒子和它們之間的相互作用。另一個則是愛因斯坦的廣義相對論，將引力和彎曲的時空聯繫在一起。100年以來，兩者皆經受住了無數次對它們的檢驗。儘管有許多人都在試圖修正愛因斯坦的引力理論，但所有的實驗只是不斷地證明了愛因斯坦是正確的！特別是這兩年，關於引力波探測的進展更是令人喜出望外。廣義相對論不僅有許多一開始令人無法接受的預言（比如黑洞和蟲洞等），在探索宇宙奧秘的道路上，它也奠定了強有力的理論基礎。

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愛因斯坦的引力理論如何與量子力學結合？

當我們談及宇宙大爆炸或黑洞奇點的時候就會意識到，廣義相對論和量子力學必須合二為一才能揭開宇宙更深層的秘密。

自愛因斯坦的時代物理學家就已經開始試圖構建一個量子引力理論，即對引力場進行量子化描述的理論，就跟自然界中的其它場一樣。在所有理論中，最著名的兩個嘗試分別為弦理論和圈量子引力。前者將一個粒子的世界線替換成弦的世界面，因此費恩曼圖中的線相交被拓展為面相交。後者則認為時空具有「顆粒性」。雖然這兩個理論在數學上非常具有吸引力，但它們目前還沒有做出可檢驗的預言。其它的嘗試包括因果集理論，因果動態三角剖分理論，漸進安全引力理論和湧現引力理論等。

近年來，物理學家還發現愛因斯坦曾經提出的兩個理論有著令人驚喜的關聯，該理論用一個方程表示為：ER = EPR。方程左邊代表蟲洞，右邊代表量子糾纏。在這個基礎上，Leonard Susskind更是進一步提出GR = QM（廣義相對論=量子力學），將二者統一[3]。

通往量子引力理論的所有可能路徑。| 圖片來源：https://arxiv.org/pdf/1708.07445.pdf

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黑洞的熵和溫度的起源是什麼？

自約翰·惠勒提出「黑洞」一詞後，科學家、科幻家、小說家等就沒有停止過對它的想像。它不僅僅只是理論上的產物，大量天文觀測都證實了恆星級黑洞和超大質量黑洞的存在。2018年，黑洞也將迎來歷史性的一刻，我們即將看到它的第一張照片！

一直以來，黑洞都是滋生悖論的溫床。上個世紀，貝肯斯坦（Jacob Bekenstein）和霍金（Stephen Hawking）提出了黑洞熵和輻射的概念後，爭論就從沒有停止過。霍金和索恩（Kip Thorne）也為此有過好幾次著名的打賭。到目前為止，都是索恩獲勝（他還獲得了2017年的諾貝爾物理學獎）。貝肯斯坦-霍金熵的公式為

霍金溫度定義為

A和κ分別表示黑洞的表面積和表面引力，公式中假定了一些著名的常數? = c = G = k = 1。公式中的量同時與引力和量子力學緊密聯繫，但最基本的問題是為什麼熵正比於面積（A）而不是體積。弦理論、圈量子引力理論、以及其它的模型都嘗試在四維時空中的真實黑洞或最簡單的靜態史瓦西黑洞的情況下推導式子（1），但都沒有成功。這足以證明，我們並未真正理解黑洞熵的深意。

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信息在黑洞中丟失了嗎？

在1974 - 1975年間，霍金計算了在黑洞周圍的量子場實際上會輻射出粒子（即霍金輻射）。輻射會使黑洞失去質量並且變得越來越小，直到黑洞完全蒸發殆盡。自此之後，便誕生了所謂的「黑洞信息悖論」。

根據廣義相對論，進入黑洞的信息不會再出來，而被困在黑洞內的信息會因為蒸發而消失。那麼，信息去哪了？如果它隨著黑洞消失，那就違反了量子理論。或許你會想，難道信息不會儲存在霍金輻射中一起出來嗎？問題就在於黑洞內的信息是不能跑出來的，因此唯一的可能就是霍金輻射里複製了進入黑洞的物體信息。這樣就有兩份信息，一份在黑洞外，一份在黑洞裡面，不過這也違反了量子理論。當然，另一個最簡單的可能性便是：量子力學是不完備的，因此黑洞信息悖論就迫使我們去拓展該理論，就像愛因斯坦的相對論拓展了牛頓的運動定律一樣。

霍金輻射。| 圖片來源：E. Siegel

之後，為了挽救量子理論，物理學家逐漸提出了互補原理、全息原理等，之後又面臨了火牆悖論的困境，問題似乎變得越來越棘手。但有一點可以肯定的是，這個問題和10、11有著密切的關聯，或許只有等到我們發展出量子引力理論，該悖論才能得到完美的解決。

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宇宙學常數問題

1917年，為了描述一個靜態的宇宙，愛因斯坦在場方程中引進了一個額外的常數項，稱為宇宙學常數，它提供了抵抗引力的排斥作用。然而，當哈勃發現宇宙正在膨脹的時候，愛因斯坦認為這是他一生中犯的最大的錯誤。而現在看來，這個「錯誤」或許有著更深的含義。

愛因斯坦為了描述靜態的宇宙在場方程中引入了宇宙學常數（Λ）。事實上，宇宙學常數有兩種方式可以出現在場方程中，在左邊時它充當了幾何項，而在右邊時它則充當了真空中的能量密度。

根據量子力學，真空本身會有微小的漲落，這些漲落會產生能量。物理學家認為量子真空能量可以充當宇宙學常數的角色。但是，基於量子力學計算的真空能量的值遠高於實際觀測到的能量密度——高出120個數量級，這個結果被驚嘆為「物理學史上最糟糕的理論預測」。這便是宇宙學常數問題[4]。物理學家提出了多重宇宙和人擇原理（進一步討論可參考問題21）等模型來解決理論和觀測之間的偏差，但目前並沒有統一的意見。

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什麼是暗能量？

1998年，兩個獨立的天文小組通過對遙遠的超新星爆發的測量得出了一個驚人的結論：宇宙正在加速膨脹！科學家把造成加速膨脹的幕後推手稱為「暗能量」。暗能量佔據了宇宙總質量和能量的68.3%，它支配著宇宙的終極命運。

但究竟什麼是暗能量？在這個問題上，科學家耗費了大量的筆墨和實驗觀測，一個最簡單的解釋或許是暗能量就是宇宙學常數，但如上述，我們遇到了問題。也有人提出一些具有奇異性質的粒子能夠充當暗能量的角色，比如變色龍粒子，它的性質會隨著周圍的環境而改變。又或許宇宙中存著一種微弱且長程的第五種基本力，它會抵消掉一點引力的作用。當然，也有一些物理學家認為根本不存在暗能量，只是現有的引力理論需要得到修正。（在2017年發現的雙中子星合併中，有一些試圖修正引力的理論已經被否定。）雖然有許多的理論被提出，但暗能量依舊保持著它的神秘。

基於Lovelock"s theorem，對引力進行修正主要有幾個選項，比如添加新的場或假設存在更高維度。雙子星合併事件已經排除了其中一些理論。| 圖片來源： Tessa Baker

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宇宙經歷了暴脹時期嗎？如果是，暴脹又是如何以及為何開始的？

當宇宙的年齡僅為10^-32秒時，宇宙經歷了一場指數式的膨脹，這段時期被稱為暴脹時期。暴脹理論的提出是為了解釋傳統大爆炸理論所面臨的難題（比如視界問題和平坦性問題）。但是，暴脹理論面臨著幾個問題。第一個重要的問題需要由觀測來回答，即是否有暴脹的直接證據。第二個需要同時由理論和觀測來回答，即暴脹的起源之謎。目前有許多富有競爭力的模型，但都受到許多質疑。2017年，針對於暴脹理論是否是一個科學理論，世界上最富盛名的物理學家都加入了這場辯論。

2017年2月，一篇題為《POP goes the universe》的文章引發了關於宇宙起源的辯論。詳見：《一場關於宇宙起源的大辯論爆發》。| 圖片來源： Scientific American

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為什麼宇宙中遍布著物質，而不是反物質？

根據粒子物理學的標準模型的預測，在宇宙誕生之初，應該有等量的物質和反物質被創造。而我們知道，當正反物質相遇時會發生湮滅，化作一團能量。理論上，這樣的一次大湮滅事件應當發生在138億年前。但事實是，在那場戰役中，物質戰勝了反物質，並存活了下來，否則我們就不會在這裡尋找這個問題的答案。

當物質和反物質相遇時，會發生湮滅，所有的能量都會以光子的形式釋放。| 圖片來源：RealLifeLore/YouTube

1968年，物理學家Andrei Sakharov意識到，如果宇宙滿足三個條件，那麼物質和反物質不對稱性就是不可避免的。這三個條件分別是：重子數不守恆、違反C對稱（電荷共軛對稱）和CP對稱（電荷共軛與宇稱聯合對稱性）、以及存在偏離熱平衡的相互作用。解決物質-反物質不對稱性的理論包括輕子數不對稱產生機制、電弱重子數產生機制、Affleck-Dine機制和普朗克/大統一重子數產生機制。

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什麼是暗物質？

Fritz Zwicky在1930年代和Vera Rubin及她的合作者在1970年代的觀測都表明，星系中的引力大多數來自不發光的物質，即所謂的暗物質。近年來許多天文觀測數據都傾向於暗物質的存在，它的數量大約是普通物質（比如行星、恆星、氣體等）的5到6倍。在宇宙的138億年的演化過程中，它對星系、星系團和大尺度結構的形成至關重要。

兩個星系團間的碰撞合併成一個更大的星系團。這被認為是暗物質的強有力證據。| 圖片來源：NASA

但究竟什麼是暗物質？我們並不知道，通過天文觀測，我們可以推測出暗物質不發光、不反射、也不吸收光。因此，通過普通的光學手段是無法找到它們的蹤跡的。科學家提出了許多可能的候選粒子，比如弱相互作用大質量粒子、軸子、惰性中微子、超中性子等等。但到目前為止地底下的大型探測器、太空中的衛星、以及對撞機中均未發現暗物質的蹤跡。另一些人則希望通過修正引力來解釋暗物質的存在（詳見：《誰才是真正的銀河護衛者》）。而最近，物理學家 Justin Khoury 和 Lasha Berezhiani 認為，在寒冷、高密度的環境下，暗物質會凝聚成超流體。這個想法得到了越來越多人的青睞。

左邊：巨大的星系團之所以能夠束縛在一起是因為暗物質提供了額外的引力。在星系團中的暗物質粒子的運動比較隨機。右邊：單獨星系也需要額外的力才能維持，否則星系早就分崩離析。但是普通的暗物質模型無法完美地解釋這個力。一個稠密的星系暈中的暗物質可以被凝聚成超流體。而這個超流體可以提供額外的力。| 圖片來源：Lucy Reading-Ikkanda

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宇宙中還有哪些新的天體等待被發現？

宇宙中遍布中許多不同類型的奇異物體。在我們熟悉的普通恆星內部，輻射壓和引力的完美對抗，防止它進一步坍縮。而在白矮星中所發生的事情則更有意思，它是由電子的「簡併壓」所支撐著。類似地，恆星死亡後另一個結局——中子星，則是由中子簡併壓支撐。1967年，Jocelyn Bell Burnell發現了快速旋轉的中子星——脈衝星。此外，宇宙中也有許多恆星級黑洞，天文學家通過黑洞周圍的吸積盤輻射出的X-射線對它們進行觀測。而超大質量黑洞被認為普遍存在於大型星系的中心。宇宙中也充滿了不同的粒子和輻射，它們都有著不同的起源。

基於過去幾十年天文觀測帶來的驚喜，我們完全有理由期待未來會發現更多令人意想不到的天體。例如，天文學家還沒有在宇宙早期形成的第三星族星，它們幾乎完全由氫氣和氦氣構成。又比如Katherine Freese提出來的「暗星」，或者由夸克組成的「夸克星」，或以暗物質湮滅做為能量來源的天體（而不是核反應）。未來，天體物理學充滿了無限的可能性。

III. 大問題篇

額外維度、多重宇宙、時間旅行等等聽起來像是從科幻小說出才會出現的概念，事實上一直是前沿理論研究的對象。有些人認為我們永遠也無法在實驗室中檢驗這些理論，樂觀主義者則認為，只要有足夠的時間和資源，我們將最終得到令人滿意的答案。

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時空之謎

亨利·龐加萊曾經說過：「三維語言看起來比四維更加適合用來描述我們的世界。」 在1917年時，物理學家保羅·埃倫費斯特（Paul Ehrenfest）也曾寫過一篇富有啟發性的論文[5]。在文章中他枚舉了許多證據證明三維是描述我們這個世界最完美的維度。如果再加上時間維度，就是我們熟悉的四維時空。但是時空真的只有四維嗎？如果是，為什麼恰好是四維的？一個真正令人滿意的理論應該能夠提供一個合理的（非人擇的）解釋。另外，我們也想要解釋為什麼時間只有一個坐標？

還有一個深刻的問題是，時空的起源是什麼？有一些理論推測，或許我們可以從一些更基本的框架中推導出時空。或許時空是從一些更深層次的量子現象中產生的，那麼時空的量子本質是什麼？全息原理、Amplituhedron、量子泡沫都嘗試回答這個問題，但至今還沒有出現過令人信服的結果。

Amplituhedron，一種新發現的數學對象，類似於在更高維度中的多面體寶石。它大大簡化了粒子間相互作用的計算，並且向時空是現實世界中的基本成分這一概念發起挑戰。| 圖片來源：Andy Gilmore

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存在更高的維度嗎？

在廣義相對論發表不久後，數學家 Theodor Kaluza 有了一個絕妙的想法，如果空間是四維，那麼他就可以把光和引力——它們看起來毫無共同之處——統一起來。這個美妙的理論連愛因斯坦都心動了。但這個額外維在哪裡？物理學家 Oskar Klein 認為 Kaluza 的額外維度會捲曲成看不見的小圓圈（用術語說就是「緊緻化」），尺度為10^33厘米。這個尺度太小了，以至於目前任何實驗都無法直接探索它的存在。當然，現在我們知道他們的五維統一理論是錯誤的。

到了1970年代，弦理論家的登場復興了對額外維度的探索。超弦理論所需要用到的數學要求存在至少十個維度。也就是，為了讓描述超弦理論的方程能夠運作——連接廣義相對論和量子力學的方程，解釋自然界中的粒子，統一基本力等等——他們必須發明額外的維度。物理學家必須思考如何緊緻化額外的六個維或更多。最後，弦理論家發現，如果用卡拉比-丘空間來代替在空間中捲曲的圓圈，我們就會得到十維：三維空間，加上六維的卡拉比-丘成桐空間，再加上一維時間。

六維的卡拉比-丘空間，正是超弦理論所需要的額外維。| 圖片來源：Jeff Bryant

如果存在額外維度，那麼接下來更深層的問題就是我們宇宙內部空間的結構。自然規律大概是由這個結構決定的，所以不同的內部空間會對應不同的宇宙：內部空間本質上就是宇宙的基因組。例如，弦理論所預測的可能宇宙的數目高達10的500次方。

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是否存在多重宇宙？

多重宇宙，這個令人聯想翩翩的概念，實際上是一些最受推崇的理論所預言的，例如：由於暴脹模型在某些方面的不足之處，使許多人認為「永恆暴脹」的設想是極有可能的。在這種設想下，由於新的宇宙會不斷地從舊的產生，從而導致宇宙的數量不斷的增加。

在永恆暴脹理論中，暴脹永遠不會停止。圖中紅色X的記號代表暴脹停止的區域，比如我們的宇宙。綠色則代表暴脹繼續的區域，會一直無限持續下去。| 圖片來源：E.Siegel

如果我們把注意力僅限於自己的宇宙，暴脹意味著它的大小遠大於局部的可觀測宇宙。事實上，它有可能是無限的，具有平坦或開放（雙曲線）幾何。那麼我們單一的宇宙就包含了大量的可觀測的宇宙。

另外，如果自然是由採取所有可能的路徑積分來描述的，那麼問題20探討的每個內部空間就都是有著不同法則的不同宇宙的基礎。此外，對於一個給定的內部空間，可以有許多不同的初始條件，也意味著不只有一個宇宙。

當然，多重宇宙是極具爭議的，因為它不在正常的科學領域所能掌控的範疇之內。同樣極具爭議的還有人擇原理，簡單地說就是我們所居住的宇宙必須是一個滿足智慧生命的出現所要求的宇宙。理論物理學家 Brandon Carter 將該原理分為兩種：弱人擇原理和強人擇原理。前者認為，作為觀察者的我們之所以存在於這個時空位置，是因為這個位置提供了我們存在的可能；後者則認為，我們的宇宙（同時也包括那些基本的物理常數）必須允許觀察者在某一階段出現。

這個原理通常是由多重宇宙和我們宇宙的許多特徵似乎不利於我們存在的事實驅動的。然而，我們生活在一個「適居帶宇宙」中，就像我們已生活在一個「適居帶行星」上一樣。而真正的挑戰就在於如何使多重宇宙和/或人擇原理成為真正的科學理論。

22

是否存在一些奇異性質的時空幾何？

非阿貝爾規範理論預測了各種可能對宇宙學很重要的拓撲缺陷，其中包括單極子、宇宙弦和疇壁。此外，愛因斯坦的廣義相對論允許許多奇特的拓撲結構存在於時空之中，例如蟲洞。我們偶爾會在微波背景輻射測量中搜索宇宙非平凡拓撲結構的證據。

蟲洞：時空中的捷徑。| 圖片來源：STOCKERNUMBER2/SHUTTERSTOCK

另外，在時空幾何中的裸奇點和閉合類時循環的可能性仍未被解決。這很有意思，因為它們在理論上允許進行反向時間旅行。

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宇宙是如何開始的？它的最終命運又是什麼？

宇宙起源，或許是最最基本的大問題了。關於它的奧秘有許多：為什麼宇宙需要一個起源？最初出現的場是什麼，又是以怎樣的狀態出現的？為什麼初始的熵是如此之低，使得我們能夠定義未來的熵增走向？在我們這個特定宇宙的開始之前，是否還存在任何其它東西？

另一方面，科學家一直想知道我們的宇宙的最終命運是什麼？由於我們現在仍不知道暗能量究竟是什麼，因此前方或許還有更多的驚喜在等著我們發現，我們不知道未來宇宙會走向何方。不同的理論模型對宇宙的過去和未來都有不同的判斷。也許宇宙將永遠膨脹下去，物質之間的距離被拉的越來越遠，最終達到熱寂狀態；也許在某一個時刻，宇宙會停止膨脹，並開始收縮，直到回復至剛誕生時的狀態；也許宇宙會在膨脹和坍縮之間不斷的循環自己。

循環宇宙？| 圖片來源：Claus Lunau

未來，更多精確的觀測將有助於我們對眾多模型進行篩選和排除，但可以肯定的是，一個好的預測肯定需要涉及在引力、粒子物理學和宇宙演化上做出根本性的突破。

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引力的起源之謎

本質上來說，所有的統一理論（比如大統一、超對稱等），都假設了局域洛倫茲不變性（即愛因斯坦的相對論），而非嘗試去解釋它。Sakharov和其他人試圖從真空能量或其他形式的度量彈性中推導出引力，但這些努力都不具有說服力。在費曼等人的早期研究中，從弦理論中推導的引力為自旋為2的場。但問題是弦理論、它的場和它的作用量（action）都是從哪裡來的，而且這類思路（如弦理論本身）還並未得到廣泛的接受。所以引力的根本來源也是一個未知的大問題。

關於引力，還有許多謎題等待被揭開。| 圖片來源：Julien Pacaud

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為什麼所有的基本力都有規範理論的形式？

粒子物理學的標準模型中的所有基本力都是由規範場描述的（甚至連引力也是由一個規範理論描述的，儘管是以一個不同的結構呈現的）。它是一種真正意義上用來解釋自然界為何會存在這些力的基礎理論。它或許也可以解釋為何物質與這些場存在一種簡單的最小耦合，以及為何它們的作用量存在一種簡單的最微形式。

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為什麼自然是由量子場描述的？

真正基礎的理論或許能從更深層的原理中推導出量子力學和量子場。其中涉及到的一個重要問題是量子力學的詮釋，目前學界對此還沒有達到共識。早在1911年，愛因斯坦就意識到了這個問題，他在大量文章和書籍中都對此進行了質問與思考。但是這些問題至今仍未能被很好的解答，從某種意義上說許多傑出的物理學家仍對波粒二象性（或薛定諤貓和EPR悖論）感到疑惑。但拋開詮釋的問題，或許只有這樣的基礎理論才能解釋我們所在的宇宙為何由量子場構成，而這些場又是如何起源的。

通電的導線周圍會產生磁場，鐵屑在磁場的作用下發生定向排列。| 圖片來源：Trevor Clifford Photography/SPL

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物理在數學上的一致性問題

對一個成功的理論來說，它必須在數學、邏輯和哲學上都保持一致性，並同時能預測實驗與觀測的結果。但是即便是簡單的四維時空中的量子場論，也還沒能在數學上做到嚴格的一致性。

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物理形式和人類經驗的現實之間有什麼聯繫嗎？

我們對自然的基本法則還遠未達到真正理解的地步，數學和物理本質上是一個與自然本身具有相同關係的人類創造，如同一幅承載著由自然所描繪的豐富地形的地圖。

在「現實的終極本質」這一話題里，包含著一個古老的問題——「為什麼有物存在，而非一切皆空？」對此，哥倫比亞大學的哲學家 Sidney Morgenbesser 的回答就非常有趣，他說：「即便是一切皆空，你還是不會滿意！」麻省理工學院的理論物理學教授 Frank Wilczek 的回答或許是最優的，他說：「對於這個古老問題，答案就是——『空』是不穩定的。」

愛因斯坦有一句同樣深刻的名言，他說「這個世界最難以理解的就是它是可被理解的」。什麼樣的原理可以解釋這樣一個事實，即現在的宇宙是由簡單的規律順利演化導致、而非隨機的混沌胡亂而成的？或許對自然的終極理解，會證實自然就如艾米莉·狄金森在詩中所寫：

「自然，是我們所知

卻無法巧妙說出

我們的智慧無能為力

面對她的樸素。」

IV. 量子系統和凝聚態物質的奇異行為篇

在過去的幾十年中，凝聚態物理學和量子系統的奇異行為是物理學家所熱衷研究的對象。物理學家專註於研究包含高度關聯電子的材料（比如傳統和新奇的超導體）、碳科學的性質（比如石墨烯、碳納米管和富勒烯等）、新的光學和X-射線技術、能夠應用在量子信息處理和量子密碼學的技術等等。

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還有哪些超導和超流體的新形式等待被發現？

在低溫下，像氦-4原子這樣的玻色子會經歷玻色-愛因斯坦凝聚成為超流體。同樣的，費米子會形成配對，凝聚成超流體，如果費米子帶電則會形成超導體。從氦-3的超流體相，到原子的玻色-愛因斯坦凝聚，再到中子星的中子，這些都是科學家熱衷研究的超流體對象。另一方面，超導體的例子也有很多，比如有機超導體、重費米子化合物和高溫超導體等等。高溫超導體的超導電性機制以及其它特徵都有待被闡明。基於這些年來這個領域的蓬勃發展，我們可以期待未來有更重大的發現在等待著我們。

銣原子形成玻色-愛因斯坦凝聚的過程。紅色代表凝聚較少的區域，白色則代表非常密集的區域。| 圖片來源：NIST/JILA/CU-Boulder

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有哪些新的拓撲相等待被發現？

繼 Kosterlitz-Thouless 相變、以及整數和分數量子霍爾效應的發現後，拓撲絕緣體是近年來令人驚喜意外的發現。拓撲絕緣體是一種表面導電但內部絕緣的材料。目前，物理學家提出了許多與凝聚態物質系統中的其他拓撲非平凡相和物體有關的理論。

（註：David J. Thouless和Michael Kosterlitz因在拓撲相變和拓撲相研究領域做出了重要的理論發現，而被授予2016年的諾貝爾物理學獎。）

常見的物質相有氣體、液體和固體（中間三個），在高溫中則有等離子體（最上），而在低溫狀態下，物質會呈現出我們從未見過的相。最下面顯示的是量子凝聚。| 圖片來源：Johan Jarnestad

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物質還有哪些新的相和形式等待被發現？

普通物質的湧現性質已經顯示出驚人的豐富性。在20世紀和21世紀初，許多奇特的相被發現：如不同形式的磁性、空間結構（如晶體和准晶、電荷密度波、自旋密度波等）、1維和2維材料、納米結構、軟物質（如液晶和聚合物）、以及顆粒體系。

現在，量子相變是一個熱門的探索領域。包括普通材料中的電子液體在內的量子液體還沒有被很好地理解，而任何液相的存在，都是物質的重大的湧現性質。

流體中的湍流仍是一個未解決的重大問題。更一般的非線性系統也可能潛藏著更多的驚喜，例如混沌和非平衡相變。

等離子體被描述為物質的第四種狀態，在天體物理學和地球應用的許多領域中都極為重要。一個尚未實現的舊夢想是，如果在磁約束或慣性約束上有所突破，都將使受控聚變合成為無窮無盡的可用能量來源。

物理學家正試圖對所有可能的物質的相進行分類。完整的分類有助於我們發現新的材料和技術。[6] | 圖片來源：Olena Shmahalo/Quanta Magazine

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在高度關聯的電子材料中，還有哪些性質等待被發現？

對於許多凝聚態物質系統來說，單電子（或准粒子）的圖景運作的如此之好是一件相當奇妙的事。但是電子相關效應可能會導致一些新的現象，而上面提到的那些現象肯定不會就是所有可能性的全部。

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量子計算機、量子信息和其它基於量子糾纏的應用的未來是什麼？

量子糾纏是指兩個粒子之間可以保持一種特殊的連接，如果你測量了其中一個粒子的狀態，你就粒子知道另一個粒子的狀態，無論距離多遠，愛因斯坦把這種可以超光速的作用稱為「鬼魅般的超距作用」。量子糾纏是發展量子計算和量子信息的關鍵。舉個例子，當有多個量子比特被糾纏的時候，對其中的一個量子比特的操作就會瞬時影響所有其它的量子比特，也就意味著著空前的並行運算能量。但是，由於糾纏態在真實環境中是十分脆弱的，所以目前最大的問題是這些領域的重要性是否能在現實環境中實現。糾纏在量子計算機的物理實現和黑洞信息悖論的解決等問題上越來越受到關注。

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量子光學和光子學的未來是什麼？

光子、電子在基於光子學的新技術（包括光電子學）中起著重要的作用。該領域的前沿研究涉及到更短的激光脈寬、更高的強度、先前無法企及的波長輻射、量子現象的控制以及更多新興思想的湧現。什麼樣的新現象會伴隨光子、或光子與電子以及其他粒子一起被發現呢？

V. 突破極限篇

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理論、計算、實驗和觀測上的技術的極限是什麼？

理論：高能物理中的大部分計算都是基於微擾方法的，例如用費圖表示的擴展方式。現有的用於實際計算的非微擾技術主要是數值計算，其中最有名的方法是點陣規範理論。但實質上所有用於實際系統的數值方法對計算機的計算時間和內存需求都會迅速增長，並且如何確保收斂性和準確性也並非一件顯而易見的事。一個重大的突破將是發現能準確計算出真實系統的重要屬性和過程的非微擾技術。

實驗：在高能物理學中，更高能量的研究需要重大的創新，才能實現像μ子對撞機、線性?0.5TeV 電子對撞機、光子對撞機或龐大的強子對撞機，或許最終我們也將實現?100 TeV的質子對撞。這些實驗對實驗裝置都有著極高的要求。其他的基礎實驗，如暗物質的直接探測、中微子物理等，都將需要採用越來越大的實驗系統。技術創新將有助於讓這些實驗得以實現，對靈敏度的增加便是其中一項。

計算：計算正迅速與理論和實驗比肩，成為支撐物理學研究的第三支柱，而這三個領域中的突破對物理學來說都是同等重要的。現實的模擬在技術上也變得越來越重要。天體物理學中的重要現象常常因自由度過大而無法進行更真實的模擬，這種情況下，對根本性的計算創新的需求或許迫在眉睫。除物理以外，其他科學技術領域對計算的需求也越來越迫切，也只有計算機科學才能產生更優更強的演算法。

觀測：在過去的100年之中，天文學家觀測到了宇宙中的許多奇異現象。從電磁波的各個頻段、到中微子天文學、引力波天文學，都是天文學家用來探索宇宙的工具。這兩年對引力波的成功探測為我們了解宇宙開闢了一個新的窗口，去年對雙子星合併的觀測，更是令人驚喜地開啟了多信使時代。天文物理學中的許多不解之謎，或許都可藉助更先進的技術和更複雜的觀測方法得到解答。

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化學、應用物理和科技的最終極限是什麼？

無機過程（例如地質學）產生的物質的多樣性是很令人稱奇的，雖然在生物系統中被開發的物質數量仍大得多。目前來看，我們可以自己設計的化學系統的複雜性似乎沒有上限。如果能夠將過去兩個世紀人類的發現延伸到下個一百萬年、甚至上億年之後，那麼什麼樣的技術是能徹底改變我們後代生活的呢？人工智慧算得上是其中一個，它可以以計算機形態（基於經典比特）、或人類形態（基於神經元連接）、亦或是完全未知的形態（例如基於量子狀態）存在。我們的後代將如何利用所有的新興技術？

VI. 生命篇

許多人都聽過那隻世界上最神秘莫測的貓——薛定諤貓，它是由對量子力學做出傑出貢獻的物理學家薛定諤（Erwin Schrodinger）提出的一個思想實驗。但薛定諤實際上還有一個非常有意思的工作，是他在1944年基於在都柏林的一系列講座撰寫的一個薄薄的書《什麼是生命？》。這本書在DNA的雙螺旋結構還未被發現時就預測了DNA的一些重要性質。薛定諤準確地認識到，生物的進化和代與代之間的信息傳遞的關鍵是「非周期晶體」——一個永遠不會完全重複的原子鏈。儘管鏈中的每個鏈接都含有相同的原子（碳、氮、氧、氫和磷），但它們的不同組合可編碼大量的信息。

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什麼是生命？

自薛定諤完成《什麼是生命》一書以來，74年過去了，科學家為了解生命如何運作已經走過了一條很漫長的道路，但直至今日，對於生命是什麼我們仍沒有一個明確的定義。進化是其中的一部分，因為它是與遺傳信息的代代相傳相關的概念。新陳代謝是其中的一部分，以一種特有的方式改變其環境中的化學平衡。但是，在明顯的非生命和生物之間，是一大片難以定義的灰色地帶。

病毒就是一種介於生命與非生命物種之間的物種，因為一方面它們不能自行複製；另一方面當有正常活細胞供它們使用時，就可進行非常高效的傳播。這是一個在薛定諤年代就為人所知的事實，而這一問題在70多年後的今天變得更加寬泛。是否存在基於外來生物化學的生命形式？它們或許根本不以DNA為中心分子結構？又或者甚至不以碳為中心元素。或許目前於我們而言是未知的原理，能在其他系外行星上產生完全陌生的生命形式。

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地球上的生命是如何開始的？又是如何演化出複雜的生命形式？

地球形成於太陽系早期。許多證據證明地球上的生命經歷過兩個主要階段。首先是單細胞原核生物，再接著是多細胞的真核生物。這些簡單的單細胞經過漫長的歲月，形成了複雜的生物，例如人。這是個非常令人驚嘆的過程。

人們對地球上的生命起源進行過非常多的討論和研究，因此有許多不同理論，但並沒有哪種理論特別令人信服。其中的一個關鍵問題就在於，開啟地球生命的第一個有機分子是完完全全原生於地球的，還是始於其他地方再以某種方式被帶入地球的？根據實驗和基因分析，科學家們認為地球生命最後的共同祖先，約生活在海底的深海熱液口附近。由於地球上的所有生命形式都是從這個遙遠的祖先演化而來，所以它們都有一些共同的屬性和分子，如DNA。

另一個同樣重要的問題是，單細胞的前體是如何變成複雜生物的？由 Lynn Margulis 提出了一個現已被廣泛接受的思想：即真核細胞中的線粒體和葉綠體曾經都是獨立的細菌。在那樣的情況下，生命將僅限於單細胞細菌，而古細菌（原核生物）則不能與細菌共生合併，最終導致了真核生物的出現。

在NASA的艾姆斯研究中心懸掛的一幅壁畫中描述了地球上生命的出現。|圖片來源：NASA Ames Research Center

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生命在宇宙中有多普遍？

在過去20多年中，人類發現了數以千計的系外行星，其中少數幾個星球或許可作為宜居星球。從概率角度來看，這是否意味著宇宙中的許多地方或許都存在生命呢？畢竟在可觀測宇宙內就已經有數以萬億的星系，且每個星系中又有數以千億的恆星。

在宇宙138億年的歷史長河中，其他的生命都在哪裡呢？或許更高級的智慧生命傾向於不與文明程度較低的生命接觸，又或者高級智慧生物因發展出危險的科學技術而導致了自身的滅亡。還有一種可能性就是高等智慧生物出現的可能性本來就極其的低，因為在進化成高等智慧生物的過程中所面臨的障礙實在太多了。

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生物為何能完成那些複雜到不可能的任務？

生物有兩項特別值得驕傲的能力：一個是蛋白質摺疊，也就是蛋白質鏈形成具有正確生物功能結構的過程；另一個是形態發生，即在一個初級單細胞增殖成一個完整的有機體過程中，讓分化細胞形成像眼睛、心臟、大腦等複雜結構的能力。這兩種能力是非常複雜的，絕非任何計算機能模擬或複製。目前我們仍不能解開生物為何能具有如此複雜能力的奧秘。

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我們能夠理解並攻克那些威脅生命的疾病嗎？

幾乎任何器官的生物途徑都是錯綜複雜的，我們掌握的只是其中的一部分。其研究難度在於未知的自由度過大，並且個體與個體之間的差異無法逾越，因此我們不禁想問，人類對疾病根源的探索究竟能走多遠？對它的研究需要依靠的是臨床實驗，還是理論系統生物學的突破？

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什麼是意識？

我們與現實之間的直接接觸都是通過自身對外界的體驗，科學認為這些體驗都來自於大腦內的神經元結構，越來越多用於進行神經科學研究的工具可對大腦的信息做更深層準確的探索。

據研究發現，不同的心理過程能激發大腦中不同的部位，但是科學家仍搞不清楚的是與意識相關的自理過程。其中最主要的問題是，科學家還無法確定意識的形成是與大腦中的某單一區域還是多區域有關。另一個重大問題是由意識引發的我們能夠感受到的真實體驗，受到了怎樣的物理系統的支持？如何才能判斷另一個人的體驗是否與我們相同？常規的圖靈試驗並不足以為我們提供這些問題的答案。

上面的42個基本問題便是許多科學家日夜奮鬥想要解開的謎題，有很多問題看起來似乎沒有實際的應用，因為科學家所追求的只是更好的理解自然。正如霍金在《時間簡史》中寫道：「自文明開始以來，人們不滿足於將事件看做互無關聯，且不可理解。他們渴望理解世界的根本秩序。今天，我們仍然很想知道，我們為何在此？我們從何而來？人類求知的最深切的意願足以為我們從事的不斷探索提供充足的理由。我們的目標恰恰正是對於我們生存其中的宇宙作出完整的描述。」

註：本文主要參考了文獻[1]和[2]，並盡量進行了更簡易的描述，任何深入的探討皆有大量的文獻可以參考。從這些文獻中你也可以發現許多相關的其它問題，而不僅限於本文中的42個。比如在文獻[7]中，就有許多跟引力相關的未解之謎。對數學物理感興趣的讀者，強烈推薦閱讀文獻[8]，論文中主要討論了跟經典廣義相對論、量子領域和宇宙學相關的開放問題，同時也討論了著名的希爾伯特問題、斯梅爾問題、西蒙問題、彭羅斯問題以及千禧年大獎問題。

參考文獻：

[1] //iopscience.iop.org/article/10.1088/0031-8949/92/1/012501/meta

[2] //iopscience.iop.org/article/10.3367/UFNe.0179.200905d.0525/meta

[3] https://arxiv.org/pdf/1708.03040.pdf

[4] https://arxiv.org/abs/1205.3365v1

[6] https://www.quantamagazine.org/physicists-aim-to-classify-all-possible-phases-of-matter-20180103/

[7] https://arxiv.org/pdf/1704.04386.pdf

[8] //iopscience.iop.org/article/10.1088/1402-4896/aa83c1/meta

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