在道格拉斯·亚当斯(Douglas Adams)的经典科幻小说《银河系漫游指南》(Hitchhiker’s Guide to the Galaxy)中,一台名为“深思”(Deep Thought)的超级计算机经过700万年的思考,得出了关于“生命、宇宙和万事万物终极问题”的答案,这个答案就是“42”。但亚当斯一开始并没有说明那个“终极问题”究竟是什么。

在最近发表于学术网站arXiv的一篇论文中,德州农工大学的物理学家罗兰德·艾伦(Roland Allen)和瑞典乌普萨拉大学的物理学家苏西·利德斯特罗姆(Suzy Lidstrom)为弄清楚这个问题做出了尝试,他们描述了自己心目中关于生命、宇宙和万事万物的42个终极问题。

关于“深思”的神秘答案,艾伦和利德斯特罗姆写道,他们“认为这意味着,在达到完全开悟的道路上,有42个基本问题必须得到解答”。最终写出来的文章长达50多页,但它对科学中的一些终极问题做了很好的介绍——至少在两位作者看来,终极问题正是这些。

尽管这是两位科学家自己列出的清单,但文章从整体来看仍然值得一读。不过为了节省时间,本文对艾伦和利德斯特罗姆的42个问题进行了缩编,使得每条解释大致和一则微博的长度差不多。

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1. 为什么传统物理学预测的宇宙常数远远大于观测值?

宇宙常数理论是由爱因斯坦首先提出来的,它对宇宙的能量密度进行了描述。问题在于,天文观测表明,宇宙常数远远小于物理学所预测的数值。

2. 暗能量是什么?

1998年,宇宙学家惊讶地发现,宇宙的膨胀正在加速。这个惊人的观测结果被归因于“暗能量”的作用,三分之二以上的宇宙被认为是由这种神秘力量所构成,但它至今尚未得到令人信服的解释。

3. 爱因斯坦的引力理论如何与量子力学达到统一?

爱因斯坦意识到,同自然界的其他事物一样,引力应该能够用量子力学进行描述。然而,在引力非常强的时候,比如黑洞周围,将量子力学和引力理论统一在一起的努力就会失败。

4. 黑洞熵的起源和温度是什么?

尽管史蒂芬·霍金(Stephen Hawking)在黑洞辐射方面完成了开创性的研究工作,但艾伦和利德斯特罗姆指出,一个“基本的奥秘在于,为什么黑洞的熵应该正比于面积,而不像其他物理系统那样,熵正比于体积”。

5. 信息在黑洞中丢失了吗?

信息被认为会在黑洞视界的表面进行编码,并以辐射的形式被发送回来。然而,所有特定质量的黑洞发出的辐射都完全相同,与视界上的信息没有关系。这意味着黑洞会摧毁信息,而这违反了热力学定律。

6. 宇宙是否经历过一段暴胀期?

科学家认为,宇宙在诞生之初经历了指数式的膨胀。这里的两大问题是:宇宙暴胀的起源是什么?暴胀存在直接证据吗?

7. 为什么还有物质存在?

根据粒子物理学的标准模型理论,物质和反物质本应在早期宇宙中完全湮灭,只留下光子。可宇宙中物质相对丰富,反物质却很少,这是怎么回事?

8. 暗物质是什么?

我们对星系的观测表明,宇宙约有四分之一是由暗物质构成的,但迄今为止,物理学家尚未探测到任何可以对所观测效应做出解释的暗物质粒子。它会是轴子,是大质量弱相互作用粒子(WIMP),还是某种完全不同的东西?

9. 为什么基本粒子在更高能量级会复制两次?

在标准模型中,有四种主要的基本物质粒子:上夸克、下夸克、电子以及电子中微子。然而,这些粒子各自还有第二代和第三代(即副本),比如粲夸克、奇夸克和渺子,为什么会这样?

10. 粒子的质量源于何处,中微子拥有什么样的质量?

前面提到的四种基本粒子是从哪里获得质量的?科学家认为,基本粒子的质量跟它们与场(比如希格斯场)相互作用的强度有关,但异常现象使得这种简单的解释站不住脚。

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在实验室中制备的准晶体Al-Pd-Re。 

11. 超对称性是否存在?为什么跟最基本的(普朗克)能量尺度相比,我们观测到的粒子的能量如此之小?

标准模型无法解释为什么弱核力比引力强出那么多(10,000,000,000,000,000,000,000,000倍)。

12. 基本力的大统一理论是什么?

在大统一理论中,除引力之外的三种基本力(强核力、弱核力、电磁力)是作为一种力的元素结合在一起的,但它们结合的方式仍然是一个谜。

13. 爱因斯坦的相对论和标准场论总是有效的吗?

对称性是指,系统经过变换前后状态保持不变。CPT对称(即电荷正负对称、宇称对称、时间反演对称)从未出现破缺,即使每个粒子都具有这种对称性。CPT对称有可能破缺吗?

14. 我们的宇宙是否稳定?

希格斯玻色子向我们揭示,我们的宇宙只是处在“边缘稳定”的状态,或者正处于向更稳定状态的过渡阶段,过渡前后的宇宙性质将有根本性不同。这里的问题是,我们的宇宙现在是否稳定。

15. 夸克总是被禁闭在它们所构成的粒子当中吗?

一般认为,夸克被禁闭在它们所构成的质子当中,把它们释放出来需要非常大的能量。越来越多的证据表明,夸克必然始终是被禁闭的,但这一点并未得到严格证明。

16. 对于具有基本力(比如强核力)作用的系统,其完整相态图是什么样的?

老实说,我也不知道,所以在这里贴出论文的截图:

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17. 还有什么新粒子尚待发现?

像大型强子对撞机(LHC)这样的粒子加速器已经帮助我们发现了新的粒子,这种事情还会继续发生吗?对欧洲核子研究中心(CERN)等机构的物理学家来说,这是一个重要的问题。

18. 宇宙中还有哪些新的天体尚待发现?

或许还有一些新型恒星等待我们去发现,比如巨大的第三星族恒星,它们形成于早期宇宙,几乎完全由氢气和氦气组成;或者是由暗物质湮灭(而非核聚变)提供能量的“暗恒星”。

19. 超导性和超流性还有哪些新形式尚待发现?

过去几十年中,通过把材料置于极端温度下,物理学家创造了一些超流体(没有黏性的流体)和超导体(没有电阻的导体)。未来,我们还能在其他哪些材料中发现这些特性?

20. 还有哪些拓扑相尚待发现?

拓扑绝缘体是一种表面导电但内部绝缘的材料,我们还能在其他哪些地方找到它们?

21. 在高度关联的电子材料中,还有哪些特性尚待发现?

前面提到的拓扑绝缘体已经在单电子或准粒子系统中得到验证,还有哪些其他类型的材料有可能对准粒子加以利用?

22. 就物质而言,还有哪些新的相和形式尚待发现?

近些年来,研究人员发现了很多新的相,比如准晶体和时间晶体,还有更多等着我们去发现吗?

23. 量子计算、量子信息和基于量子纠缠的其他应用,它们的未来是什么?

开发大型量子计算机的竞赛正在如火如荼地进行,这种计算机在很多任务上都可以超越传统计算机,比如破解大多数加密技术。但这些应用有可能走出实验室吗,或者它们太过脆弱,只能成为一时的新奇之物?

24. 量子光学和光子学的未来是什么?

量子互联网将有助于保护数据的安全,但要做到这一点,我们需要能够对光子进行前所未有地远距离操控。当前的光子纠缠传输距离纪录是由一颗中国卫星在去年创造的,我们接下来还能看到什么样的创新?

25. 是否存在更高的维度?

如果还有其他维度存在,那么该维度的“内部空间”是如何构成的?

26. 多元宇宙存在吗?

是否存在无数个宇宙,而每个宇宙都有自己的法则?我们的宇宙是不是经过了精调,从而具备了让智能生命出现的条件?该理论被称为人择原理。更重要的是,我们将如何用科学来证明这些理论?

27. 时空几何中是否存在奇异的性质?

宇宙是什么“形状”?如果宇宙的结构允许裸奇点、虫洞和/或闭合时间循环存在,这可能让穿越到过去的时间旅行成为可能。

28. 宇宙是如何起源的,它的最终命运又是什么?

为什么宇宙有一个起源,宇宙真的是从大爆炸中诞生的吗?研究过往将有助于我们了解自己的未来,以及宇宙的最终命运是否是“大撕裂”(即所有的物质最终都被撕裂成碎片)?

29. 时空的起源是什么,为什么时空是四维的,为什么时间不同于空间?

标题已经说明了一切,如果还要让我再补充的话:在尝试解决这些问题之前,你可能会想要一个“穿越烟壶”。

30. 如何解释相对论和爱因斯坦的引力理论?

像超对称和弦理论这样的大统一理论都倾向于假设局域洛伦兹不变性(即爱因斯坦的相对论),而不是试图解释它。但爱因斯坦的引力理论是否可以从真空能量或弦理论领域推导出来呢?如果不行,引力从何而来?

31. 为什么所有的基本力都有规范场论的形式?

标准模型中的所有力(弱核力、强核力、电磁力、引力)都是用规范场论进行描述的,该理论描述了基本粒子如何与特定的场耦合。然而,为什么只有这些类型的力存在呢,为什么物质只能跟这些场进行较弱的耦合?

32. 为什么自然可以用量子场论来描述?

当涉及更深层次的宇宙原理时,量子力学还解释得通吗?这一理论将解释为什么宇宙由量子场组成,并解释一些令人困惑的观测结果,比如观测导致波函数坍缩。

33. 物理学在数学上做到一致了吗?

好的理论与实验在数学上是具有一致性的,然而,相对简单的量子场理论还没有做到这种数学上的一致性。

34. 物理学的形式体系和人类经验的现实之间有什么联系?

如果数学以及由它描述的物理学实际上是人类的造物,那么我们必须回答人类意识与现实之间有什么联系,以及其他一些相关问题,比如为什么有物的存在,而不是一切皆空。

35. 理论、计算、实验和观测技术的极限是什么?

更好的计算机将如何改进我们的模型,如何帮助我们理解一些最复杂的实验,比如大型强子对撞机?随着我们的望远镜变得越来越先进,它们将揭示出宇宙的什么秘密?

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36. 化学、应用物理和科技的极限是什么?

我们生活在一个前所未有的科技进步时代,这种进步是否有上限,新发现出现的速率是否只会越来越快?这个问题与人工智能尤其相关,因为后者的目的就是创造真正的超级智能机器。

37. 生命是什么?

1944年,埃尔温·薛定谔(Erwin Schrodinger)提出了这个著名的问题。70多年过去了,生物学家仍在寻求回答这个看似简单的问题。

38. 地球上的生命是如何诞生的?

有机分子是否是从早期地球的“原始汤”中出现的,或者,它们是由外太空的小行星带入地球的(这被称为生物外来论)?此外,我们的单细胞祖先最终是如何发展成为复杂生命形式的?

39.宇宙中还有多少其他生命?

火星上的机器人正在寻找有机物质,搜寻地外文明计划(SETI)的天文学家则在监听宇宙中的电波,但到目前为止,我们还没有在这个星系的其他地方找到生命存在的证据,不管是智慧生命,还是其他形式的生命。在广阔无垠的宇宙中,我们真的是孤独的吗?

40. 生命如何解决看似不可能的复杂性问题?

看似“愚蠢”的生物却能完成十分复杂的任务,比如蛋白质折叠,或繁殖细胞并形成复杂器官(比如眼睛、心脏、大脑和其他器官),这是如何发生的?

41. 我们能了解并治愈那些折磨生命的疾病吗?

生物具有惊人的多样性,即使在同一物种之内,也是如此,这使得我们极难治愈一些最严重的疾病。我们有可能彻底根除疾病和死亡吗?

42. 意识是什么?

数个世纪以来,这个问题一直困扰着哲学家,但直到最近,我们才尝试利用技术,从科学角度来解释这一问题。意识是诞生于数十亿个细胞复杂的相互作用吗?意识是一种频谱吗?它可以被复制吗?


翻译:何无鱼

校对:其奇

编辑:漫倩

来源:Motherboard

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