下载文档原格式
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。
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。
物理学最前沿八大难题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。
我们可以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可能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，并且也证实宇宙的大部分是不可见的。
最有可能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，所以能从创世大爆炸后的最初阶段幸存下来。
如果找到它们的话，很可能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，这些粒子可能也有些许质量。
任何这方面的证据也可以作为理论依据，找出4种自然力量中的3种——电磁、强力和弱力——的共性。
即使很小的重量也可以叠加，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可能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。
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3、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。
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。
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100个科学难题以下科学攻坚难题实际上几乎全部集中于哲学的基本问题：生命的起源人的起源地球的起源宇宙的起源物质的本质精神的本质等，这些问题在两三千年前都已经在所有原生(相对于次发文明)文明的社会中被提出来了。
这个时代的提出的不同在于可借助于更先进的技术手段计算机电子望远镜分子频谱仪等在更深层次上(分子、DNA,RNA，神经细胞)、更广范围内（从宇宙到中微子）上予以穷究并且有了更完美的理论支持：复杂性思维方式，系统论与整体观等。
在以西方逻辑思维为基础的现代科学中，这个理论是新颖的，但在中国古代科学中，是一直严格自觉地运用这种思维方式来探究天道人伦，且在历法、算术、人体科学与医学、宇宙探测、建筑力学与美学、地理与生态、化学化工冶炼等等方面获得丰硕的成果,而且是不以损害人的异化与环境的负载开发为代价的情况下取得的.中国文明发展的节奏是中和,社会文明发展项度取舍的衡量标准是人们心灵上的满足.进行科学探测的主要动机是满足人的求知欲(而不是功名或物质利益或其它的欲望,奇巧淫技被持为机心为君子所不耻),并最终都须返回到道德生命这一根本上来.所以一切都是整体综合推进的,中和的,和谐的,与人的精神进化的节拍是相吻合的.现代人的精神危机在于人类的急功近利.以及被工商业竞争刺激起来膨胀变异的欲望造成的身心疾病.整个社会变革发展的节奏与人类心理适应变迁的节奏不一造成的人的异化。
资本运作与工业化大生产割裂了劳动者、生产资料、以及劳动成果之间的关系，人们失去了劳动的乐趣而沦为工具，劳动分工的琐屑细化让劳动技能成为一种谋生手段而不是一种技艺，手工劳动的被取代并没有减轻绝大多数人的劳动强度，反而剥夺了他们劳动中创造的乐趣与原本休闲健康的生活方式（从农民到工人或农民工）。
人与自然的远离与割裂造成的非平衡发展与全球生态危机.(一年前，去年的11月15日,地球上太平洋第一个国家因为地球变热,海平面上升而被迫举国迁居.)李约瑟云:欧洲人所特有的精神分裂或分裂人格只能以德模克利特的机械唯物主义或柏拉图的神学主义进行思考.可叹的是,中国的科学家们现在却仍然采用西方已经开始反思的思维模式去邯郸学步,而不知从思维方式上探索究竟,如何能够成功？现把科学界提出的100个前沿问题整理如下，希望民间思想家与自由思想家们也可就以下问题展开自己的探索。
21世纪100个科学难题以下科学攻坚难题实际上几乎全部集中于哲学的基本问题：生命的起源人的起源地球的起源宇宙的起源物质的本质精神的本质等，这些问题在两三千年前都已经在所有原生(相对于次发文明)文明的社会中被提出来了。
这个时代的提出的不同在于可借助于更先进的技术手段计算机电子望远镜分子频谱仪等在更深层次上(分子、DNA,RNA，神经细胞)、更广范围内（从宇宙到中微子）上予以穷究并且有了更完美的理论支持：复杂性思维方式，系统论与整体观等。
在以西方逻辑思维为基础的现代科学中，这个理论是新颖的，但在中国古代科学中，是一直严格自觉地运用这种思维方式来探究天道人伦，且在历法、算术、人体科学与医学、宇宙探测、建筑力学与美学、地理与生态、化学化工冶炼等等方面获得丰硕的成果,而且是不以损害人的异化与环境的负载开发为代价的情况下取得的.中国文明发展的节奏是中和,社会文明发展项度取舍的衡量标准是人们心灵上的满足.进行科学探测的主要动机是满足人的求知欲(而不是功名或物质利益或其它的欲望,奇巧淫技被持为机心为君子所不耻),并最终都须返回到道德生命这一根本上来.所以一切都是整体综合推进的,中和的,和谐的,与人的精神进化的节拍是相吻合的.现代人的精神危机在于人类的急功近利.以及被工商业竞争刺激起来膨胀变异的欲望造成的身心疾病.整个社会变革发展的节奏与人类心理适应变迁的节奏不一造成的人的异化。
资本运作与工业化大生产割裂了劳动者、生产资料、以及劳动成果之间的关系，人们失去了劳动的乐趣而沦为工具，劳动分工的琐屑细化让劳动技能成为一种谋生手段而不是一种技艺，手工劳动的被取代并没有减轻绝大多数人的劳动强度，反而剥夺了他们劳动中创造的乐趣与原本休闲健康的生活方式（从农民到工人或农民工）。
人与自然的远离与割裂造成的非平衡发展与全球生态危机.(一年前，去年的11月15日,地球上太平洋第一个国家因为地球变热,海平面上升而被迫举国迁居.)李约瑟云:欧洲人所特有的精神分裂或分裂人格只能以德模克利特的机械唯物主义或柏拉图的神学主义进行思考.可叹的是,中国的科学家们现在却仍然采用西方已经开始反思的思维模式去邯郸学步,而不知从思维方式上探索究竟,如何能够成功？现把科学界提出的100个前沿问题整理如下，希望民间思想家与自由思想家们也可就以下问题展开自己的探索。
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。
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。
1[①]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。
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10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。
