21世纪物理前沿十大问题-段一士-20061130

２１世纪１０大科技难题（上）作者：佚名来源：《语文世界(初中版 )》2006年第04期随着科技的不断进步，人类攻克了一个又一个科学难题，但是，仍有一些不解之谜等待我们去探究。

“科学圣经”将分两期为大家刊出《21世纪10大科技难题》相信富有科学探索精神的你一定会感兴趣的。

（奇奇）粒子物理学的两个谜在当代的粒子物理学中有两个谜：一是对称破缺，二是看不见的夸克。

目前我们了解的理论，如量子动力学、爱因斯坦的普遍相对论，都是来源于对称的。

可是在我们的宇宙里，还有不少东西不守恒，这就很奇怪。

我们的很多理论是根据对称产生的，可是为什么我们的世界又是不对称的？这表明现有的全部知识是很不全面的，一定另外还有一个力。

这个力是推翻对称的。

这个力是什么，我们不了解，它的存在是关于粒子物理学的第一个谜。

现在我们认为，很可能真空在里面起作用，真空有很复杂的性质。

如果我们了解了对称性的来源，很可能就可以了解质量的来源，包括暗物质。

第二个谜即是看不见的夸克。

我们知道，所有的物质都由两类基本粒子组成，一类是夸克，一类是轻子。

我们现在已经发现有6种夸克和6种轻子。

我们有充分的实验证据表明，夸克是存在的，我们知道其质量不大，但就是看不见。

所以，为什么一切强作用的物质都是由夸克构成，而夸克却看不见，这是一个很奇怪的事。

生物学难题：生命是怎样开始的？1922年，苏联生化学家亚历山大·奥巴林提出一个著名的假说：生命来自闪电。

太阳和地球自身的放射性能量作用于大气层中的无机分子，使之变成有机分子；它们在地球湖泊、海洋提供的“原始汤”中“定居”，发展成为原始的生命。

1950年，美国芝加哥大学第一次用实验来验证奥巴林假说。

他们模拟“原始汤”，在水中加进甲烷、氨等分子，加热并通以电火花。

一个星期之后，甲烷中有5％的碳变成了氨基酸分子，而氨基酸正是构成生物蛋白质的基本单位。

此后，科学家进行了许多类似的实验，不仅从无机物中得到了各种氨基酸，而且得到了核苷酸、磷脂等构成生命的重要有机分子。

世界十大物理学难题
以下是目前被认为是世界十大物理学难题的问题：
1. 暗物质的本质：暗物质是一种我们无法直接观测到的物质，但是它的存在可以解释宇宙中星系的分布和运动方式。

目前我们还不清楚暗物质的本质是什么。

2. 暗能量的本质：暗能量是一种我们无法直接观测到的能量，但是它的存在可以解释宇宙的加速膨胀。

目前我们还不清楚暗能量的本质是什么。

3. 量子重力问题：量子重力是一个非常复杂的问题，因为量子力学和广义相对论之间存在矛盾。

目前我们还没有一个统一的理论来描述这个问题。

4. 引力量子化问题：引力是一种基本的力量，但是我们还没有一个量子化的引力理论。

目前我们还不清楚如何将引力量子化。

5. 黑洞信息丢失问题：黑洞是一种非常神秘的天体，它们可以吞噬一切，包括光。

目前我们还不清楚在黑洞中发生的物理过程中，信息是否会丢失。

6. 宇宙初始奇点问题：宇宙初始奇点是宇宙大爆炸的起点，但是我们还不清楚它的性质和状态。

7. 量子纠缠问题：量子纠缠是一种非常奇特的现象，两个量子粒子之间的状态会瞬间相互影响，即使它们之间距离
很远。

目前我们还不清楚这种现象的本质是什么。

8. 高能物理中的基本粒子问题：高能物理中的基本粒子是构成宇宙的基本组成部分，但是我们还不清楚它们之间的相互作用和本质。

9. 宇宙背景辐射问题：宇宙背景辐射是宇宙大爆炸留下的遗迹，但是我们还不清楚它的起源和本质。

10. 量子计算问题：量子计算是一种基于量子物理原理的计算方式，但是目前我们还没有一个可靠的量子计算机。

力学问题破解之道——“对症下药”选规律力学部分是高中物理的一个重要板块,也是每年高考必考的内容。

考查时多以力学综合题的形式出现，也就是我们平时所说的物理大题。

这类力学综合题条件隐蔽难辨，过程错综复杂，情景扑朔迷离，让许多学生望而却步。

但我们仔细分析就可以知道，这些力学综合题无论再复杂，运用的也就是力学的中七大规律。

如果我们能够抓住力学七大规律运用的时机，做到“对症下药”，恰当的运用这些规律，这类力学综合题便迎刃而解。

为了方便记忆，特将每个规律运用的时机总结了一句歌诀。

下面分别举例说明。

一、牛顿运动定律————单体运动且恒力,试试牛顿三定律对于单个物体的运动,若受到的力是恒力,涉及到物体受力的细节分析以及时间和位移等物理量时，宜优先考虑采用牛顿运动定律。

例1 (2015新课标I)一长木板置于粗糙水平地面上，木板左端放置一小物块；在木板右方有一墙壁，木板右端与墙壁的距离为，如图（a）所示。

时刻开始，小物块与木板一起以共同速度向右运动，直至时木板与墙壁碰撞（碰撞时间极短）。

碰撞前后木板速度大小不变，方向相反；运动过程中小物块始终未离开木板。

已知碰撞后时间内小物块的图线如图（b）所示。

木板的质量是小物块质量的15倍，重力加速度大小g取。

求（1）木板与地面间的动摩擦因数及小物块与木板间的动摩擦因数；（2）木板的最小长度；（3）木板右端离墙壁的最终距离。

解析：(1) 规定向右为正方向，木板与墙壁相碰前，小物块和木板一起向右做匀变速运动，设加速度为a1，小物块和木板的质量分别为m和M，由牛顿第二定律有： -μ1 (m+M)g = (m+M)a1·······○1由图可知。

木板与墙壁碰前瞬间的速度v1= 4m/s ,由运动学公式得：V1 = v0 + a1t1······○2S0 = v0t1 + a1t12········○3式中t1=1s , s0 = 4.5m是木板碰前的位移，v0是小物块和木板开始运动时的速度。

21世纪100个科学难题1、对深层物质结构的探索2、协调相对论和量子论的困难3、引力波探测4、质子自旋“危机”及其实验探索5、力学的世纪难题――湍流6、金属微粒中的量子尺寸效应和超导电性7、高温超导电性8、固体的破坏9、宇宙结构的形成与星系的起源10、太阳中微子之谜11、活动星核的能源和演化12、星际分子去和恒星的形成13、宇宙常数问题14、太阳活动的起源15、磁元的争辩16、黑洞的证认17、宇宙论中的暗物质问题18、地外文明与太空移居19、寻找地外理性生命20、星系演化的途径21、最终解决人类能源问题的课题22、未来的空间太阳能发电23、太阳风的起源及其加速机制24、日冕加热和太阳风加速25、表面张力梯度驱动对流26、磁层亚暴和磁暴的整体过程27、富勒烯化学28、单原子识别与分子设计和合成29、室温有机超导体30、催化的高选择性合成31、原子簇物质32、非线性光学聚合物实用化的若干问题33、分子工程学34、分子元件的单原子加工和自组装35、可持续发展对化学的挑战36、地球科学中的非线性和复杂性37、地球构造运动驱动机制的反演38、人类对全球环境变化影响的预测39、气候系统动力学40、自然控制论41、地震成因与地球内部流体42、地球的自转运动及其与地球各圈层的相互作用43、现今岩石圈构造解析中的若干难题44、生物多样性保护45、细胞凋亡46、生物学的理论大综合：遗传、发育和进化的统一47、分子识别、化学信息学和化学反应智能化问题48、人能否在地球以外长期生存49、脑神经系统动力学50、生命、人的思维、意识、目的等的物理学基础51、探索生命和遗传语言52、疯牛病――中心法则――Affinsen原理53、分子进货的驱动力与分子进化理论54、脑的诸模型能带我们走多远55、如何控制化学反应的方向（反应通道）56、未来的认知神经科学能束给意识以新的解释57、地球深化的统一理论：“两均论”与“两非论”58、有机体信息系统的深化在物种生存、适应过程中的作用59、脑的选择性自适应60、脑的行为的自组织61、思维与智能的本质62、人脑如何组织其信息存贮63、脑与免疫功能64、生命起源、细胞的起源和进化研究65、生命的起源与蛋白质66、RNAgn 与生命起源67、注意的脑机制68、智力的起源69、细胞如何调控基因组的有序活动70、人脑是怎样认知外界视觉世界的71、策略的植物细胞生理学问题72、中心法则的空白――从新生肽到蛋白质73、“JUNK”DNA有什么功能74、统一医学75、意识和思维动力学76、人类疾病与基因77、生命起源中的对称性破缺78、精神与免疫79、改善老年性认知功能障碍的心理药物学策略80、解析全套细胞蛋白质结构与功能，展现生命活动全景81、心思的神经生物学机理82、细胞三维生长和组织培养83、重返海洋84、客观世界的自组织85、全信息理论与高等智能86、关于“意识”问题87、植物光合作用吸、传、转能的分子机理及其调控88、系统科学的困惑89、复杂经济系统的演化分析90、路径积分91、朗兰兹纲领92、球堆积问题93、相变的数学理论94、P－NP问题95、超级计算理论96、庞加菜猜想及低维拓扑97、黎曼猜想98、中华民族及现代人类的起源99、人类基因组研究中的社会学、伦理学和法律问题100、物质和精神的关系问题。

你知道21世纪十大待解科学谜团吗？过去几百年科学的发展很迅速。

不过，时至今日，还有许多未解之谜，本世纪我们剩86年去解开他们。

10.生命是如何起源的？这个问题看起来似乎并不难，却总是解决不了。

对于生命基本构成是如何在原始条件下产生，或者是如何从太空来到地球的，不断有各种新发现冒出来。

9.暗物质到底是什么？80多年前天文学家就发现，太空中的引力远比可见物质能产生的引力要多。

探索产生额外引力的那种未知亚原子粒子是一项艰苦的工作。

一些实验中得到的线索总是在其他实验中被推翻。

8.推动宇宙加速的暗能量本质是什么？加入你觉得暗物质太难研究了，那么试试解释暗能量吧。

有一种物质在推动着宇宙以日益加快的速度膨胀。

但暗能量的本质仍是个谜。

7.如何衡量证据？这个问题太神秘了，以至于许多科学家都没有意识到它的存在。

举个例子：你做了一个实验，得到具有重要统计学意义的数据结果，然后重复实验，结果一样，那你就会认为这样得到的证据比做一次实验要强。

但假如第二次实验得出的数据意义稍弱一些，那么两次实验的合并P值反而更弱了，尽管实验证据原本应被认为是更强的。

6.基因、癌症和运气你最近可能听到了这样的说法，即大多数癌症患者都是运气不佳，美国《科学》周刊发表的一份研究报告就是这样说的。

该研究引发了抗议之声，有人认为这种说法会给公众“传递错误的信息”。

专家们对随即突变（坏运气）、遗传（父母的原因）、生活方式（你自己的原因）和环境（别人的原因）等因素到底孰轻孰重也意见不一。

把这些问题理出头绪，同时解决有关癌症的其他谜团应是21世纪科学界最重要的任务之一。

5.空间还有多出来的维度吗？不管有多少维度，它们都是必要的。

这个问题或许应该这样问：空间到底有多少维度？许多物理学家认为，物理学要想正确地解释宇宙，普通的三维肯定是不够的。

理解这个问题的关键是“卡-丘”空间——这是个能以无数不同的方式蜷缩的高纬空间，要想探查到其中有多少额外的维度存在是非常困难的。

1.地球和其他行星的起源 (1)2.地球“黑暗时期”(地球诞生后的最初5亿年)的演化历史 (1)3.生命的起源 (1)4.地球内部运动及其对地表的影响 (2)5.板块构造与大陆地质过程 (2)6.地球的物质特性与地球过程的控制 (3)7.气候变化的原因与幅度 (3)8.生命—地球的相互作用与影响 (4)9.地震、火山喷发等灾害及其后果的预测 (4)10.地球内外流体运动对人类环境的影响 (4)1.地球和其他行星的起源太阳系具有庞大的几何形态，拥有一系列不同类型的行星和卫星，如气体行星:木星、土星、天王星和海王星;岩石行星:水星、金星、地球及火星等。

几个世纪以来，人们一直在研究下列问题:行星如何在恒星周围形成? 太阳系行星如何形成? 有关地球起源的陨星证据都说明了什么? 地球的化学组成是什么? 月球是否由陨星撞击而成?现在，很多证据可以提供太阳系及行星形成的关键信息，其中非常重要的就是模拟研究。

越来越多的以强大望远镜进行的天文观测，以及对小行星、彗星和其他途经太空船行星的研究为恒星和行星的形成模型加入了新的维度。

地球化学研究和天文观测的交叉变得越来越多:质谱方法的改进、陨石同位素成分的新资料正在推动地球和陨石标准组成模型的改进，对陨石中的前太阳系阶段粒子的研究使人们对恒星演化及核合成的认识越来越清晰。

先进的计算能力则使科学家们能够对星云盘的演化、星子与行星胎的碰撞后果、原行星体内部过程等进行更精确的模拟。

但是，人类对地球组成成分的了解还不够详细，其中仍然存在一些重要问题:地球如何获得挥发性成分? 这些成分现在还有多少? 地球的难熔元素是否与陨星完全一样? 地球内部生热元素的绝对浓度是多少? 对于太阳系而言，需要更清楚地认识:太阳系最初数百万年里的行星形成过程，太阳系后期事件(如重大撞击)对行星的影响，早期太阳系过程对行星化学成分和大小的影响，各种形式同位素异质性的起源。

未来，只有以望远镜、空间飞行器、敏感的分析设备对太阳系的其他星体和太阳系外天体作进一步的观测，人类才能更深入地了解地球和太阳系的起源。

10大物理学难题困扰世界详细版物理学作为一门探索自然规律的科学，一直在不断地向前发展。

然而，在这个过程中，仍有许多难题困扰着科学家们。

以下是 10 大至今仍未完全解决的物理学难题。

一、暗物质之谜我们通过对星系旋转速度的观测发现，星系中的可见物质所产生的引力，远远不足以维持星系的稳定结构。

因此，科学家们推测存在一种看不见的“暗物质”，它不与电磁力相互作用，所以无法被直接观测到，但却通过引力影响着宇宙的结构和演化。

暗物质究竟是什么？是一种新的粒子，还是某种未知的物质形态？目前，我们对它的了解还非常有限，这是现代物理学中一个巨大的谜团。

二、暗能量之谜随着对宇宙膨胀的观测，科学家们发现宇宙的膨胀正在加速。

为了解释这种加速膨胀，引入了“暗能量”的概念。

暗能量被认为是一种充满整个宇宙的能量，具有负压，导致了宇宙的加速膨胀。

但暗能量的本质是什么？是一种恒定的能量场，还是某种动态的能量形式？它的存在和性质对我们理解宇宙的命运至关重要。

三、量子引力问题量子力学和广义相对论是现代物理学的两大支柱。

然而，在微观的量子世界和宏观的引力世界之间，这两个理论却难以统一。

如何将量子力学的原理应用到引力现象中，构建一个完整的量子引力理论，是物理学界面临的一个重大挑战。

弦理论和圈量子引力理论是目前尝试解决这一问题的两个主要方向，但至今仍未达成共识。

四、黑洞信息悖论当物质落入黑洞时，其携带的信息似乎会消失在黑洞的事件视界内。

根据量子力学的原理，信息不应该被消灭，但广义相对论却暗示黑洞会摧毁信息。

这就形成了所谓的黑洞信息悖论。

解决这个悖论不仅对于理解黑洞的本质至关重要，也关系到我们对量子力学和广义相对论的更深层次的理解。

五、统一场论的追求自爱因斯坦以来，物理学家们一直梦想着找到一个统一的理论，能够将自然界的四种基本相互作用——引力、电磁力、强相互作用和弱相互作用——统一起来。

虽然标准模型成功地统一了电磁力、强相互作用和弱相互作用，但引力的纳入仍然是一个巨大的难题。

21世纪科技10大难题粒子物理学的两个谜在当代的粒子物理学中有两个谜：一是对称破缺，二是看不见的夸克。

目前我们了解的理论，如量子色动力学、爱因斯坦的普遍相对论，都是来源于对称的。

可是在我们的宇宙里，还有不少东西不守恒，这就很奇怪。

我们的很多理论是根据对称产生的，可是为什么我们的世界又是不对称的？这表明现有的全部知识是很不全面的，一定另外还有一个力。

这个力是推翻对称的。

这个力是什么，我们不了解，它的存在是关于粒子物理学的第一个谜。

现在我们认为，很可能真空在里面起作用，真空有很复杂的性质。

如果我们了解了对称性的来源，很可能就可以了解质量的来源，包括暗物质。

第二个谜即是看不见的夸克。

我们知道，所有的物质都由两类基本粒子组成，一类是夸克，一类是轻子。

我们现在已经发现有6种夸克和6种轻子。

我们有充分的实验证据表明，夸克是存在的，我们知道其质量不大，但就是看不见。

所以，为什么一切强作用的物质都是由夸克构成，而夸克却看不见，这是一个很奇怪的事。

生物学难题：生命是怎样开始的？1922年，苏联生化学家亚历山大·奥巴林提出一个著名的假说：生命来自闪电。

太阳和地球自身的放射性能量作用于大气层中的无机分子，使之变成有机分子；它们在地球湖泊、海洋提供的“原始汤”中“定居”，发展成为原始的生命。

1950年，美国芝加哥大学第一次用实验来验证奥巴林假说。

他们模拟“原始汤”，在水中加进甲烷、氨等分子，加热并通以电火花。

一个星期之后，甲烷中有5％的碳变成了氨基酸分子，而氨基酸正是构成生物蛋白质的基本单位。

此后，科学家进行了许多类似的实验，不仅从无机物中得到了各种氨基酸，而且得到了核苷酸、磷脂等构成生命的重要有机分子。

这样，生命起源第一步——化学无机分子怎样变成有机分子基本上搞清楚了。

然而更困难的是第二步——有机分子怎样组成具有生物繁殖能力的细胞？美国迈阿密大学生化学家福克斯对此进行了研究。

他相信，细胞起源于一种由类蛋白组成的微球体。

当今世界十‎大物理难题‎物理学家们‎挑选出10‎个最匪夷所‎思的物理学‎问题，解答这些问‎题足够让他‎们忙上10‎0年。

尽管没有任‎何悬赏，不过，对任何一个‎问题的解答‎差不多都能‎获得诺贝尔‎奖。

【美国《纽约时报》8月15日‎文章】题：需要两千年‎思考的十大‎物理学问题‎(作者乔治·约翰逊) 100年前‎，德因数学家‎戴维·希尔伯特在‎巴黎的国际‎数学家大会‎上以一番发‎人深省的话‎语开始了他‎划时代的讲‎话。

他在讲话中‎罗列了当时‎尚未解决的‎23个重大‎难题。

希尔伯特宣‎称：“—个伟大时代‎的结束，不仅要求我‎们回首过去‎，而且还引导‎我们回首对‎未知的将来‎进行深思。

”随着又一个‎世纪——实际上是整‎整一个千年‎纪元——的结束，有一种要求‎显得比以往‎任何时候更‎为紧迫，那就是通过‎罗列最引人‎入胜的宇宙‎之谜来显示‎人类的无知‎。

今年5月，马萨诸塞州‎剑桥的克莱‎数学学会仿‎效希尔伯特‎，在巴黎宣布‎了7道“千年大奖难‎题”，每道题悬赏‎100万美‎元征求解答‎。

无独有偶，上月，存圣巴巴拉‎加州大学，物理学家们‎像通常那样‎不事张扬地‎结束了一次‎有关超弦理‎论的会议。

他们的最后‎一次讨论题‎为“干年疯狂”，议程是挑选‎出他们领域‎中10个最‎匪夷所思的‎问题。

这就像是一‎场由科学界‎最聪明的一‎批人参加的‎荒岛游戏。

圣巴巴拉加‎州大学的理‎论物理学家‎戴维·格罗斯在公‎布选出的问‎题时说：“我是这样考‎虑的：如果我从现‎在起昏迷1‎00年，当我醒来时‎，我会问什么‎问题。

”‎在剔除一些‎大法问答的‎问题(例如“怎样获得终‎身职位?”)后，评委们列出‎了足够让物‎理学家忙上‎100年的‎难题。

尽管没有任‎何悬赏，不过，解决下列问‎题中的任何‎一个差不多‎都能保证获‎得诺贝尔奖‎。

1．表达物理世‎界特征的所‎有(可测量的)无量纲参数‎原则上是否‎都可以推算‎，或者是否存‎在一些仅仅‎取决于历吏‎或量子力学‎偶发事件，因而也是无‎法推算的参‎数?爱因斯坦的‎表述更为清‎楚：上帝在创造‎宇宙时是否‎有选择?想象上帝坐‎在控制台前‎，准备引发宇‎宙大爆炸。

当今世界十大物理难题第一，在物理世界中，表达其特征的所有能够测量出来的无纲量参数，从原则上讲，是不是都能够推算出来？或者存不存在一些无发事件？且这些偶发事件只取决于量子力学或者历史，是否因此也是没有办法推断出来的参数？这样说大家可能不太清楚是什么意思，用爱因斯坦的话来讲，就是上帝在创造我们这个宇宙时，是否有选择性？比如他在准备引发宇宙大爆炸之前，是不是需要思考一下，我该把这个宇宙中的光速定为多少呢？我应该让电子带多少电荷呢？我应该把郎克常数的数值设置成多少？他到底是为了赶时间而随机设置了一些数字，还是这些数字必须得是如此？这些数值之间又蕴藏着什么样的逻辑呢？第二、量子力学是怎样帮助解释宇宙的起源的？在现代物理学中，有两大理论，即广义相对论和标准模型。

广义相对论是一种与引力有关的理论，而标准模型是利用量子力学来描述亚原子和这些亚原子所服从的作用力。

长时间以来，物理学家们都希望将这两大理论合二为一，进而得出一种“万物至理”，也就是量子引力论，这样能够使我们更加深入的了解宇宙，甚至还可能能弄清楚，宇宙到底是怎样随着大爆炸而诞生的？第三、质子的寿命是多久呢？我们又该如何理解它？从前人们认为质子和中子是不一样的，觉得它们永远不会再分裂，成为更小的颗粒，并且曾经将这一认识当作真理，但是在70年代，理论物理学家发现，他们提出的各种也许会成为“大一统理论”，这一理论认为质子一定不是稳定的，只要经过足够长的时间，在非常偶然的情况下，它们还是会出现分裂现象的。

不过要观察到这一分裂现象，就必须得想办法捕捉到处于死去过程中的质子，多年来，相关的实验研究人员一直在实验室中紧密观察着大型的水槽，希望能够发现原子内部正在死去的质子，但是截止到今天，这些质子的死亡率始终是零，这其实也能够说明，要么质子是一种极其稳定的颗粒，要么它们就是拥有极长的寿命，也许会在十亿亿亿亿年以上。

第四、自然界是否是超对称的？如果是的话，它的超对称性又是怎样破灭掉的？有很多的物理学家都认为，把所有的作用力都统一成一种单一理论，这一理论所要求证明的两种差异极大的粒子之间存在密切的联系，而这种密切的关系，就是我们所说的超对称现象。

【原创】回答21世纪十大待解科学谜团文/简浩据参考消息网2015年1月30日报道，美国科学新闻网站1月28日报道称，过去几百年科学的发展很迅速。

不过，时至今日，还有许多未解之谜，本世纪我们还剩86年去解开它们。

1、生命是如何起源的？大千世界，有数不清的物种，生命万物，形态各异。

尽管人类与其他生物的血红蛋白形式和基因编码不同，但是基因序列却惊人的类似，从生物遗传的角度来说，所有生物都是源自同一个祖先分子的后代，不可思议的是植物基因图谱与人类基因编码之间也有共同的基因模块，这就是所有的生命物种同源。

地球生命来自海洋，得益于地球形成后旺盛动荡的四个生态环境条件，是地球形成生命的关键内因。

一是化学环境，海水中丰富的二价铁，在合适的海水环境温度下，成为关键的生命物质基础，成为关键的从无机到有机的化学过渡。

二是物理环境，风雨雷电，火花放电。

地球形成初期，地球的电场、磁场的强度都比现在强很多，雷电交加的日子比现在多，空间的电场强度更高。

三是空间环境，纯洁的氮、碳、氢和重水含率极低，对初始的二价铁氨基伤害更小。

四是能量动力，来自高速浪潮的冲击。

四个生态环境条件，促使二价铁与氮、碳和氢自发的合成了二价铁氨基，这是形成生命的关键过渡。

二价铁氨基是生命从无机到有机的过渡物质，只有二价铁氨基能够代谢延续生存，才能保障进化跨跃到氨基酸基础生命分子，二价铁氨基是生命的“摇篮”、“二传手”。

二价铁、其他生命物质和磷酸盐的化学反应，与巨浪冲击产生的动能、热能将氨基合成了氨基酸分子，这是地球生命起源的漫长前奏，生命从无机到有机的“怀胎”过渡演化时间大于生命大爆发时间。

二价铁氨基为四个生命进化阶段奠定了从无到有的生命跨越：一是从化学进化阶段的氨基进化到氨基酸，氨基酸是生命的基本结构单位，是生命关键的进化过渡；二是从无机分子进化到有机分子，由小分子进化到生命大分子；三是从生命分子进化到原核细胞的过渡阶段；四是从原核细胞进化到真核细胞。

困扰世界的十大物理学难题
1. 宇宙暗能量：宇宙暗能量是一种仍未完全理解的力量，被认为是引起宇宙膨胀加速的原因之一。

2. 宇宙暗物质：暗物质是一种未知的物质形态，占据了宇宙中大部分的质量，但并不与光相互作用，使其难以探测和理解。

3. 弦理论与量子引力：弦理论是试图将量子力学和引力统一起来的物理理论，但仍存在很多尚未解决的问题。

4. 黑洞信息悖论：根据量子力学的原理，信息不应该消失，但目前我们对于黑洞内部发生的事情仍缺乏完全的理解，黑洞是否能保持信息的完整性仍存在争议。

5. 超导性的起源：尽管我们已经发现了许多超导体，但我们仍未完全理解超导性的起源和机制。

6. 宇宙的起源：宇宙的起源是一个被广泛讨论的难题，尚未找到完全令人满意的解释。

7. 时间箭头：时间箭头是指宇宙中时间的单向性，为什么我们只能沿着一个方向感知时间的流逝仍然是一个谜。

8. 超对称性破缺：超对称性是一种理论预言，认为每种粒子都存在一个超对称的伙伴粒子，但仍未发现证据支持这一理论。

9. 引力波的来源与细节：引力波是爱因斯坦广义相对论的预言，
但目前我们对引力波的具体来源和产生机制仍知之甚少。

10. 量子力学与相对论的统一：量子力学和相对论是两个非常成功的物理理论，但将它们统一起来仍然是一个巨大的挑战。

21 世纪地球科学研究的十大科学问题2008年3月12日美国国家研究理事会（National Research Council）发布了研究报告《地球的起源和演化：变化行星的研究问题》（Origin and Evolution of Earth: Research Questions for a Changing Planet），该报告确定了地质学和行星科学（也称为“固体地球科学”）的10大研究问题。

这些问题反映了地球科学在21世纪面临的重要科学挑战。

应美国能源部（DOE）、国家科学基金会（NSF）、美国地质调查局（USGS）和美国宇航局（NASA ）等的共同要求，美国国家科学院成立了一个委员会——固体地球科学重大研究问题委员会（Committee on Grand Research Questions in the Solid-Earth Sciences），委员会主要成员来自美国加州大学、犹他大学、哥伦比亚大学、哈佛大学、芝加哥大学、麻省理工学院、马里兰大学、密歇根大学、乔治梅森大学等。

委员会以超脱各相关机构的任务与使命的授权，来独立地提出和探讨当今需要研究的地球科学重大问题。

该委员会确定了构成“重大”问题的标准，重大问题需要至少符合以下3条准则中的2条：①跨越地质学和行星科学各自学科领域的界限；②涉及永恒性的问题（如地球和生命起源）；③与对人类福祉具有重要影响的现象存在联系。

委员会挑选了涵盖各种空间和时间尺度的问题，对相关问题进行了遴选，并在地质学界广泛征求意见，最后确定了固体地球科学的十个重大研究问题。

这些研究问题可以归为四大类主题：①“起源”——地球与太阳系其它行星的起源，地球的早期历史，生命起源；②“运行”——地球内部的运行与地表的现状，包括地球的物质特性及其对地球过程的基础作用；③地表环境的“可居住性”——气候与气候变化，地球－生命相互作用；④“地质灾害与地球资源”——地震、火山，以及与地球内、地球上的水和其它流体相关的现代环境问题。

物理学的十大难题是一个广为人知的话题，它们一直挑战着科学界的智慧。

这些难题主要涉及现代物理学的核心领域，如基本粒子物理学、相对论物理学、量子力学以及宇宙学等。

以下是对物理学十大难题的简要分析。

1. 基本粒子质量与重力的巨大差距：这是一个涉及粒子物理学的问题，它的答案还不够清晰。

其中一个基本粒子是质子，它的寿命等问题至今仍是个谜。

而弦理论是一种尝试解决这一问题的理论，认为电子和夸克等粒子是弦的不同振动模式。

2. 宇宙常数：这是爱因斯坦广义相对论中的一个参数，用于解释宇宙的初始膨胀速度。

然而，宇宙常数的存在也引发了一些问题，例如黑洞信息悖论和宇宙均匀性的测量。

3. 超对称性破灭：超对称性是描述在费米子和玻色子之间建立一种对称性的概念。

然而，在实验中，还没有直接观测到这种对称性的存在。

4. 黑洞信息悖论：这是一个涉及黑洞物理学的问题，其问题在于黑洞吞噬物质后所留下的信息是否丢失。

虽然爱因斯坦的广义相对论能解决这个悖论，但它仍然是一个尚未解决的问题。

5. M理论自由度：M理论是一种理论，试图将所有已知的物理学理论统一起来。

然而，M理论的自由度很大，这意味着它需要更多的实验数据和更好的理论解释。

6. 弦理论：弦理论是一种理论，认为基本粒子不是点状的，而是由微小的弦状结构组成。

弦理论是解决宇宙膨胀率问题的一种尝试，但还需要更多的实验数据和理论研究来验证。

7. 量子色动力学中夸克和胶子约束：量子色动力学是描述夸克和胶子之间相互作用的理论。

然而，这个理论中存在许多未解决的问题，例如夸克和胶子的质量、磁矩和相互作用等。

8. 宇宙的起源：关于宇宙的起源是一个重大问题，科学家们提出了许多理论，例如大爆炸理论、暗物质理论和暴胀理论等。

目前，科学家们还没有一个确定的答案。

9. 统一物理定律：统一物理定律是指将所有已知的物理定律合并为一个统一的理论。

尽管已经取得了一些进展，但科学家们还没有找到一个统一的理论。

10. 反物质的去向：反物质是与物质相对的物质，例如正电子和负质子等。

世界物理学十大难题人类由必然王国向自由王国的探索应当永远不会终结。

早在19世纪末，当人类迎来20世纪曙光时，许多人发出了科学发明已经穷尽的预言。

但事实证明，整个20世纪的科学技术比起19世纪又有了极大的发展。

许多前人没有想到的科技成果如今已经服务于人类。

在进入21世纪的今天，世界上又有一些大牌的科学家同样又发出了"科学已将近终结"的预言。

但物理学家们精心挑选出10个最匪夷所思的物理学问题，解答这些问题足够让他们忙碌100年甚至更长的时间。

但对任何一个问题的解答差不多都能获得诺贝尔奖，因此被认为现代物理学的十大"诺贝尔难题"。

Problem-1：表达物理世界特征的所有（可测量的）参数是否都可以推算，或者是否存在一些仅仅取决于历史或量子力学偶发事件，因而也是无法推算的参数？爱因斯坦的表述更为清楚：上帝在创造宇宙时是否有选择？想象上帝坐在控制台前："我该把光速定在多少？"、"我该让这种名叫电子的小点带多少电荷？"、"我该把普朗克常数的数值定在多大？"......他是不是为了赶时间而胡乱抓来几个数字？抑或这些数值必须如此，因为其中深藏着某种逻辑？Problem-2：量子引力如何帮助解释宇宙起源？现代物理学的两大理论是"标准模型"和"广义相对论"。

前者利用量子力学来描述亚原子粒子以及它们所服从的作用力，而后者是有关引力的理论。

很久以来，物理学家希望创立一种合二为一的理论，得到一种"万物至理"――即量子引力论，以便更深入地了解宇宙，包括宇宙是如何随着大爆炸自然地诞生的。

实现这种融合的首选理论是超弦理论，或者叫M理论。

Problem-3：质子的寿命有多长，如何来理解？以前人们认为质子与中子不同，它永远不会分裂成更小的颗粒。

这曾被当成真理。

然而在20世纪70年代，理论物理学家认识到，他们提出的"大一统理论"暗示：质子必须是不稳定的。

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标准模型留下了许多悬而未决的问题。

为什么在我们的宇宙中，物质的含量远远超过反物质？引力的本质是什么？把星系拉在一起的“暗物质”是什么？为了回答这样的问题，物理学家一次又一次采用相同的权宜之计：发明一种新的粒子。

弦球（Stringball）弦理论是一种流行的理论尝试，它要将两个不同尺度（由标准模型支配着的粒子微小世界，和引力作用下的宇宙尺度）结合在一起。

它认为，像电子和夸克这样的粒子其实是弦的不同振动模式，而这些弦只有10-35 米长。

如果这个预言是正确的，大型强子对撞机中就可能发生一些有趣的事情。

其中一个臭名昭著的可能产物是微型黑洞。

而另一个则是弦球。

弦球指的是两根弦猛烈相撞时没有结合成一根更长的弦，而是形成一个缠绕的球。

大型强子对撞机能量足够高，所以其中可能产生大量弦球。

这将是一个革命性的事件，弦球概念的发明者之一、加州斯坦福大学的Savas Dimopoulos说。

其中的重要原因在于弦论与空间存在额外维度的想法息息相关。

“发现额外维度比发现新大陆更为激动人心”，Dimopoulos说道。

到目前为止，我们还没有发现弦球的存在。

但目前仍然是加速器运行的初期阶段。

“理论物理学家善于预言现象”，Dimopoulos耸耸肩，“只不过他们无法告诉你在哪里能观察到这样的现象。

”四夸克态（Tetraquarks）有时候，人们会从实验中发现新的粒子。

十年前，全世界有十几个实验报告，他们发现了“五夸克态”存在的线索。

这是一种由四个夸克和一个反夸克组成的束缚态，质量比质子大一半。

粒子物理学家对此议论纷纷。

标准模型中的质子和其他复合粒子，要么是由三个夸克结合在一起的，要么是一个夸克和一个反夸克结合在一起的。

物理学最前沿八大难题当今科学研究中三个突出的基本问题是:宇宙构成、物质结构及生命的本质和维持,所对应的现代新技术革命的八大学科分别是:能源、信息、材料、微光、微电子技术、海洋科学、空间技术和计算机技术等。

物理学在这些问题的解决和学科中占有首要的地位、我们能够从物理学最前沿的八大难题来了解最新的物理学动态。

难题一:什么是暗能量宇宙学最近的两个发现证实,普通物质和暗物质远不足以解释宇宙的结构。

还有第三种成分,它不是物质而是某种形式的暗能量。

这种神秘成分存在的一个证据,来源于对宇宙构造的测量。

爱因斯坦认为,所有物质都会改变它周围时空的形状、因此,宇宙的总体形状由其中的总质量和能量决定。

最近科学家对大爆炸剩余能量的研究显示,宇宙有着最为简单的形状——是扁平的。

这又反过来揭示了宇宙的总质量密度。

但天文学家在将所有暗物质和普通物质的估计来源加起来之后发现,宇宙的质量密度仍少了2／3之多!难题二:什么是暗物质我们能找到的普通物质仅占整个宇宙的４%,远远少于宇宙的总物质的含量。

这得到了各种测算方法的证实,同时也证实宇宙的大部分是不可见的。

最有估计的暗物质成分是中微子或其他两种粒子: neutralino和axions(轴子),但这仅是物理学的理论推测,并未探测到,据说是没有较为有效的测量方法、又这三种粒子都不带电,因此无法吸收或反射光,但其性质稳定,因此能从创世大爆炸后的最初时期幸存下来。

假如找到它们的话,特别估计让我们真正的认识宇宙的各种情况、难题三:中微子有质量不久前,物理学家还认为中微子没有质量,但最近的进展表明,这些粒子估计也有些许质量。

任何这方面的证据也能够作为理论依据,找出4种自然力量中的３种——电磁、强力和弱力——的共性。

即使特别小的重量也能够叠加,因为大爆炸留下了大量的中微子,最新实验还证明它具有超过光速的性质。

难题四:从铁到铀的重元素如何形成暗物质和估计的暗能量都生成于宇宙初始时期——氢、锂等轻元素形成的时候。

21世纪物理学的25个难题大卫·格罗斯1[①]编者按：1900年，在巴黎国际数学家代表大会上，德国数学家大卫·希尔伯特（David Hilbert，1864－1943）根据19世纪数学研究成果和发展趋势，提出了新世纪数学家应该致力解决的23个数学问题。

希尔伯特的演讲，对20世纪的数学发展，产生了极大的影响。

100余年之后的2004年，另一个大卫，因发现量子色动力学中的“渐近自由”现象而荣获2004年诺贝尔物理学奖的美国物理学家大卫·格罗斯教授，同样就未来物理学的发展，提出了25个问题。

也许人们会说，在物理学领域提出问题要比数学领域容易得多，因为物理学就像大江大河，而数学则像尼罗河三角洲中纵横交错的河网。

但若是反过来想一想，既然物理学界对前沿问题具有更广泛的共识，我们就不难明白，格罗斯教授所提出的问题对未来物理学发展的重要意义。

有趣的是，这25个问题中，有1/3落在物理学的边缘地带，其中3个与计算机科学相关，3个与生物学相关，4个与哲学和社会学相关。

格罗斯教授的演讲，最初是为美国加州大学卡维利理论物理研究所成立25周年庆典而准备的，该庆典云集了物理学各领域的世界一流学者。

此后数月，格罗斯教授先后在欧洲核子中心（CERN）、中国科学院理论物理研究所、浙江大学等地作过内容相近的讲演。

这里的译文，系根据格罗斯教授所提供的讲稿译出，中科院理论物理所网站有免费下载的讲演录相（/ Video/2005/000.asf），读者也可以参考。

作者简介：大卫·格罗斯（David Gross），美国国家科学院院士，加州大学圣巴巴拉分校（University of California at Santa Barbara）卡维利理论物理研究所（Kavli Institute for Theoretical Physics ）所长。

格罗斯教授是量子色动力学的奠基人之一，当代弦理论专家，因发现强相互作用中的渐近自由现象2004年与弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）和戴维·波利策（David Politzer）分享了当年度的诺贝尔物理学奖。