1、宇宙起源
    第1個(gè)問題關(guān)于宇宙的起源。這個(gè)問題不僅對于科學(xué)而且對于哲學(xué)和宗教都是一個(gè)永久的問題?，F(xiàn)在它是理論物理學(xué)和宇宙學(xué)亟待解決的問題：“宇宙是如何開始的？”
    根據(jù)最新的觀察，我們知道宇宙正在膨脹。因此，如果我們讓時(shí)光倒流，宇宙將會(huì)收縮。如果我們應(yīng)用愛因斯坦方程和我們關(guān)于粒子物理學(xué)的知識，我們可以或多或少對哪兒會(huì)出現(xiàn)“初始奇點(diǎn)”做出近似的推斷。在“初始奇點(diǎn)”，宇宙收縮成為一種難以置信的高密度和高能量的狀態(tài)——即通常所稱的“大爆炸”。我們不知道在大爆炸點(diǎn)（at the big bang）發(fā)生了什么，我們所知的基礎(chǔ)物理的所有方法——不僅是廣義相對論和標(biāo)準(zhǔn)模型，甚至包括我所知的弦理論——都失靈了。
    為了理解宇宙是如何開始的，我們需要了解什么是大爆炸。宇宙學(xué)家觀察到微波背景輻射中臨近大爆炸時(shí)發(fā)生的量子漲落的痕跡。這些漲落是宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的起源。因此，對于宇宙學(xué)和天體物理學(xué)而言，理解在大爆炸點(diǎn)真正發(fā)生了什么是一個(gè)急迫的任務(wù)。有沒有方法能夠直接觀察到臨近大爆炸時(shí)的物理狀態(tài)？我們往回能夠推多遠(yuǎn)？利用普通的輻射，我們能夠回推到大爆炸之后的十萬年左右，但是不能更早。這次會(huì)議上有許多這樣的討論：我們能否利用引力輻射或CMB中的信號來發(fā)展出新的觀察或理論方法，從而將我們的觀察回推到大爆炸點(diǎn)為止的整個(gè)過程。
    那么理論的狀況又如何？我們可以確切地說出在宇宙創(chuàng)生時(shí)發(fā)生了什么嗎？弦理論已經(jīng)成功地消除了廣義相對論中產(chǎn)生的奇點(diǎn)。但是，弦理論能夠處理的奇點(diǎn)不是大爆炸所產(chǎn)生的那種類型。大爆炸所產(chǎn)生的是與時(shí)間無關(guān)的靜態(tài)奇點(diǎn)。弦理論能消除初始奇異點(diǎn)嗎？能告訴我們宇宙是如何開始的嗎？能告訴我們宇宙的初始狀態(tài)是什么，或者宇宙的初始波函數(shù)是什么嗎？一些人推測根本就不存在一個(gè)起點(diǎn)，而是宇宙很大，隨后塌陷，然后再次膨脹。一些人鼓吹一個(gè)循環(huán)的宇宙。我相信更為可能的是，時(shí)間自身是一個(gè)突現(xiàn)的概念（emergent concept），如弦理論所暗示的一樣。因此，為了回答諸如 “宇宙是如何開始的”和“時(shí)間是如何開始的”這一類問題，我們需要重新明確表述這些問題或者改變這些問題，就如同在物理學(xué)中經(jīng)常出現(xiàn)的那樣。隨后這些問題可能更容易回答。無論如何，上述問題無疑將在未來引導(dǎo)暴漲宇宙學(xué)和弦論宇宙學(xué)中的大量研究。
    2、暗物質(zhì)
    第2個(gè)問題研究的是我們在最近幾年內(nèi)發(fā)現(xiàn)的暗物質(zhì)的本質(zhì)?，F(xiàn)在看來，宇宙中絕大多數(shù)物質(zhì)不是由構(gòu)成我們的粒子組成的，而是某種我們不能直接看到的新類型的物質(zhì)。這種“暗物質(zhì)”不發(fā)出輻射，可以推想，它與普通粒子和輻射的相互作用非常微弱。我們只能通過它的引力效應(yīng)而知道它的存在。我們可以通過觀察星系邊緣的普通物質(zhì)的軌道而測量它的質(zhì)量。結(jié)果是宇宙的25％由暗物質(zhì)組成，而不是由質(zhì)子、中子、夸克或電子構(gòu)成。普通的重子物質(zhì)，即組成我們的物質(zhì)，僅占目前宇宙質(zhì)量或能量密度的3-4％。因此什么是暗物質(zhì)？我們能在實(shí)驗(yàn)室直接觀察到它嗎？它是如何與普通物質(zhì)相互作用的？主流的假設(shè)是暗物質(zhì)由弱相互作用大質(zhì)量粒子（Weakly Interacting Massive Particles，WIMP）組成。粒子物理學(xué)家已經(jīng)構(gòu)造出許多推測模型，這些模型超出了粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型，通常包括許多可能組成暗物質(zhì)的候選粒子。我喜歡的候選粒子是“neutralino”（中性伴隨子），標(biāo)準(zhǔn)模型的超對稱擴(kuò)展中的最輕的中性粒子，它是構(gòu)成暗物質(zhì)的一個(gè)理想的候選粒子。但是暗物質(zhì)也可能由“軸子”或其他粒子構(gòu)成，軸子是為解決強(qiáng)CP問題而發(fā)明的另外一個(gè)預(yù)測粒子。于是出現(xiàn)了觀測問題，我們是否能在實(shí)驗(yàn)室中制造和檢測暗物質(zhì)？我們能直接探測到充滿和包圍星系的暗物質(zhì)嗎？暗物質(zhì)在宇宙中是如何分布的？關(guān)于星系的結(jié)構(gòu)和形成，暗物質(zhì)向我們提供了什么信息？在星系的形成和分布的當(dāng)前模型中，暗物質(zhì)扮演了一個(gè)至關(guān)重要的角色。正是暗物質(zhì)進(jìn)行了第一次塌陷，隨后普通物質(zhì)出現(xiàn)，并塌陷成為大塊的暗物質(zhì)（the clumps of dark matter）。我們還不能以充足的定量細(xì)節(jié)來理解星系是如何形成的，為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，我們需要真正理解暗物質(zhì)的本質(zhì)和特性。
    3、暗能量
    第3個(gè)問題與最近的發(fā)現(xiàn)有關(guān)，宇宙中的絕大部分能量是一種新形式的能量，即所謂的“暗能量”。暗能量施加負(fù)壓力，負(fù)壓力導(dǎo)致了宇宙膨脹的加速，通過觀察這種加速作用，天體物理學(xué)家已經(jīng)推斷出當(dāng)前宇宙的70％的能量密度是暗能量的形式。這是最近一二十年內(nèi)最神奇和最驚人的發(fā)現(xiàn)之一。什么是暗能量？最簡單的假設(shè)是暗能量是恒定的，但是它也可能會(huì)隨著時(shí)間而發(fā)生變化，然而，如何從觀察上確定暗能量真是恒定的還是隨著時(shí)間變化？關(guān)于暗能量的最簡單假設(shè)是它是“宇宙學(xué)常數(shù)”Λ，當(dāng)初愛因斯坦將它引入他的方程以便得出一個(gè)靜態(tài)的宇宙。但是隨后（人們）認(rèn)識到愛因斯坦的靜態(tài)宇宙是不穩(wěn)定的；而且人們發(fā)現(xiàn)，宇宙不是靜態(tài)的，它正在膨脹。因此，愛因斯坦放棄了宇宙學(xué)常數(shù)。他曾經(jīng)說過Λ是他最大的錯(cuò)誤。但是現(xiàn)在測量顯示，看來存在一個(gè)不為零的、并具有負(fù)壓力的能量，它看起來就像是一個(gè)宇宙學(xué)常數(shù)。它真是一個(gè)宇宙學(xué)常數(shù)嗎？還是其他東西？我們應(yīng)該怎樣解釋呢？宇宙中的絕大多數(shù)能量是真空能，然而卻不可能“看到”它，除非您測量整個(gè)宇宙的膨脹，這真是令人驚奇。還有檢測暗能量的其他方法嗎？
    4 恒星、行星的形成
    第4個(gè)問題研究的是更實(shí)際的天體物理問題：比星系小的恒星和行星物體的形成?，F(xiàn)在有一個(gè)關(guān)于恒星形成的合理理論，但它并不是定量的，我們希望讓它成為定量理論。我們能夠真正理解恒星質(zhì)量的范圍嗎？有多少雙星形成？最初雙星被認(rèn)為是罕見的?，F(xiàn)在認(rèn)為所有恒星中至少有一半在雙星中形成。我們可以計(jì)算雙星的頻率嗎？恒星是如何成組的？新的觀察已經(jīng)回溯到第一批恒星形成的時(shí)期，這在一定程度上重新喚起了人們對這些問題的興趣。第一批恒星形成時(shí)的環(huán)境與今天現(xiàn)存的環(huán)境是不同的。例如，那時(shí)沒有天體物理學(xué)家所稱的“金屬”——比氦重的元素，因?yàn)楸群ぶ氐乃性囟际窃诤阈侵行纬傻?。第一批恒星只有氫和氦。如果恒星形成的理論足夠完善，那么天體物理學(xué)家就可以告訴我們第一批形成的恒星的本質(zhì)。但是，實(shí)際上，觀測的結(jié)果出乎意料之外，它們與理論預(yù)測并不相符合。因此，關(guān)于恒星形成的理論以及檢驗(yàn)這些理論的新途徑，還有很多東西我們并不清楚。
    一個(gè)出現(xiàn)只有大約10年的新論題，是行星形成的理論。我們第一次能夠直接觀察到我們自身的太陽系之外的行星?，F(xiàn)在已經(jīng)觀察到幾百顆行星，我們正在開始積累關(guān)于行星系統(tǒng)的真實(shí)數(shù)據(jù)。這是非常有趣的科學(xué)。其中最有趣的事情之一就是尋找我們太陽系之外的生命。因此，我們問道：適宜居住的行星有多大的頻度？銀河系中有多少行星能夠支撐生命？我們能否發(fā)展出從觀察上確定一個(gè)行星上面是否存在生命的技術(shù)？能否通過觀察這些行星的大氣層的譜線而確定它上面是否存在生命？這樣看來，行星理論和行星科學(xué)突然變成一個(gè)非常有活力的領(lǐng)域，受到大部分非常年輕的天體物理學(xué)家的歡迎。這是一個(gè)非常令人激動(dòng)的研究領(lǐng)域。
    5、廣義相對論
    關(guān)于廣義相對論（GR），愛因斯坦的引力理論，宇宙學(xué)的語言，以及討論宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)的理論框架，存在許多問題。這次會(huì)議的一些與會(huì)者問到：我們目前對GR的理解在所有尺度上都是正確的嗎？GR在一些案例中已經(jīng)得到了令人十分信服的驗(yàn)證。但是有兩個(gè)區(qū)域我們根本沒有進(jìn)行過實(shí)驗(yàn)。一個(gè)是短距離。事實(shí)上，對于小于一毫米的距離，我們的確沒有檢驗(yàn)過牛頓的引力理論。另一個(gè)區(qū)域是引力非常強(qiáng)的地方，那里強(qiáng)大的引力造成了空－時(shí)流形的極度彎曲，例如黑洞附近。一個(gè)好的問題是：我們能用觀測來確定克爾度規(guī)（Kerr metric）是否正確描述了黑洞周圍的幾何學(xué)嗎？在一個(gè)黑洞形成時(shí)，只要我們知道這個(gè)黑洞的質(zhì)量和自旋，那么它周圍的空間和時(shí)間的幾何學(xué)便是完全確定的?，F(xiàn)在人們相信，宇宙中有許多黑洞。事實(shí)上，看來在每個(gè)星系的中心都有一個(gè)質(zhì)量巨大的黑洞。天體物理學(xué)家和理論物理學(xué)家正在設(shè)法解決如何利用對掉進(jìn)黑洞的物質(zhì)所發(fā)出的輻射的觀測來確定空間－時(shí)間幾何?；蛟S我們能夠確定克爾度規(guī)是否正確描述了我們的星系中心的黑洞外部的空間－時(shí)間。
    6、量子力學(xué)
    現(xiàn)代物理學(xué)的另一個(gè)理論支柱是量子力學(xué)（QM）。有趣的是，這次會(huì)議上，許多最卓越的參與者都在詢問，QM是不是自然的最終解釋。一些人如霍夫特（t’Hooft）就提出，在極小距離上QM可能失效，并設(shè)想它將被一個(gè)決定論性的理論所代替。拉格特（Tony Leggett）關(guān)心QM是否會(huì)在大型的復(fù)雜系統(tǒng)上失效。理由如下：所有學(xué)習(xí)QM的人都知道，當(dāng)你開始考慮薛定鍔貓的時(shí)候，你就會(huì)有點(diǎn)不舒服。在理解貓是如何處于一種死了和活著的疊加態(tài)的時(shí)候，就會(huì)有點(diǎn)困難?；蛟SQM不能描述貓；或許對于大型的復(fù)雜系統(tǒng)QM可能失效。實(shí)驗(yàn)家非常努力地設(shè)法解決這些問題。在大型的宏觀復(fù)雜系統(tǒng)上檢驗(yàn)QM的嘗試，為實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家提供了強(qiáng)大的動(dòng)力。彭羅斯（Roger Penrose）相信，在你試圖描述心靈（mind），或者一個(gè)具有意識的系統(tǒng)的時(shí)候，QM將會(huì)失效。維格納（Eugene Wigner）也相信這一點(diǎn)。就個(gè)人來說，這三個(gè)問題對我構(gòu)不成問題，量子力學(xué)我也看不出存在什么問題。但是第四個(gè)問題卻是同樣困擾著我。我們?nèi)绾问褂肣M將宇宙作為一個(gè)整體加以描述？討論宇宙的波函數(shù)的意義是什么呢？在當(dāng)前的暴漲理論中，林德（Andrew Linde）等人在談?wù)撚钪娴牟煌瑓^(qū)域的內(nèi)部暴漲，內(nèi)部暴漲產(chǎn)生了一長串宇宙，所謂“多宇宙”（multiverse），不同的宇宙彼此之間沒有任何交流。描述這樣一個(gè)“多宇宙”的QM意味著什么？
    7、粒子物理學(xué)
    第7個(gè)問題，我們轉(zhuǎn)向粒子物理學(xué)。對于基本粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型，電弱相互作用和強(qiáng)相互作用的理論，可以提出許多問題。標(biāo)準(zhǔn)模型是一個(gè)極為成功的理論，它符合所有現(xiàn)存的實(shí)驗(yàn)。但是它還有許多未解之謎，還有許多未定的問題，其中一些我們不認(rèn)為可以容易地得到答案。標(biāo)準(zhǔn)模型最神秘的特征是物質(zhì)的基本成分的質(zhì)量和混合（mixing），我們現(xiàn)在相信這些基本成分就是夸克和輕子。它們具有非常奇怪的質(zhì)量譜。頂夸克的質(zhì)量是上夸克質(zhì)量的十萬倍?？淇嗽诟鞣N相互作用下混合。中微子甚至具有一種更為奇特的質(zhì)量模式。這種質(zhì)量譜來自于何處？標(biāo)準(zhǔn)模型，甚至標(biāo)準(zhǔn)模型的簡單場理論的推廣，對此確實(shí)給不出好的主意。
    標(biāo)準(zhǔn)模型的許多其他特征同樣是神秘的。我們?nèi)绾谓忉屩刈拥钠鹪矗恐刈訑?shù)是守恒的嗎？現(xiàn)在我們相信重子數(shù)是不守恒的，因?yàn)闆]有理由認(rèn)為它應(yīng)該守恒。假如是這樣，在大爆炸演化成宇宙時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生重子。我們知道這種情況會(huì)發(fā)生的途徑，以及會(huì)產(chǎn)生宇宙中重子不對稱的途徑。但是迄今為止，我們在理論上還不能精確地計(jì)算宇宙中的重子數(shù)。我們應(yīng)該能夠做到這一點(diǎn)。我們的確不知道質(zhì)子能夠存活多久。還有許多其他問題不在標(biāo)準(zhǔn)模型之內(nèi)，這些問題的解決，需要一個(gè)更全面的理論。
    8、超對稱
    依我看來，粒子物理學(xué)的基本問題，無論對于理論家還是實(shí)驗(yàn)家，都是超對稱的問題。超對稱是空間和時(shí)間的相對論性對稱的一個(gè)非凡的新擴(kuò)展。如果它是真的，那么空間－時(shí)間還具有額外的量子維度。超對稱理論表述在超空間中，超空間具有額外的費(fèi)米子維度，這些維度用反對易數(shù)來度量。超對稱理論在量子維度到普通空間－時(shí)間維度的旋轉(zhuǎn)下是對稱的，這就會(huì)導(dǎo)致這樣的預(yù)言，即迄今所知的每個(gè)粒子都存在一個(gè)對應(yīng)的超對稱伙伴。支持超對稱一個(gè)非常強(qiáng)的線索，來自于強(qiáng)、弱和電磁理論向極高能量的外推?，F(xiàn)有的觀察，對這些力作了極高精度的測量?；诂F(xiàn)有的觀察和我們手中的那些極其成功的和精確的理論工具，我們可以將標(biāo)準(zhǔn)模型的這些力外推到非常高的能量區(qū)域。借助于這些工具，我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)能量達(dá)到引力作用變得明顯的尺度時(shí)，所有的力都統(tǒng)一起來。但是只有在我們假定理論是超對稱的，并且超對稱在TeV尺度以下自發(fā)破缺時(shí)，這種統(tǒng)一才會(huì)實(shí)現(xiàn)。幸運(yùn)的是，這一能級正是新的大型強(qiáng)子對撞機(jī)（Large Hadron Collider）準(zhǔn)備探測的能級，兩年內(nèi)大型強(qiáng)子對撞機(jī)將在CERN運(yùn)行。建造這臺(tái)加速器的主要?jiǎng)訖C(jī)之一和粒子理論家最近十年的主要工作之一就是探索超對稱存在的可能性。如果我們發(fā)現(xiàn)超對稱，那么現(xiàn)在的新物理學(xué)在接下來的幾十年內(nèi)將有許多工作要做——設(shè)法理解超對稱是如何破缺的，并測量超粒子的質(zhì)量譜。有趣的問題是：如果我們測量超對稱粒子的質(zhì)量譜和耦合常數(shù)，那么我們能否利用這些信息對大統(tǒng)一尺度上，甚或在弦的尺度上的物理學(xué)有更直接的理解嗎？
    9、量子色動(dòng)力學(xué)
    最后，在標(biāo)準(zhǔn)模型中，還有一個(gè)問題，第9個(gè)問題，是關(guān)于我所喜歡的理論——量子色動(dòng)力學(xué)（QCD）的。這個(gè)問題，三十年前我以為我就有了答案。我們能夠解QCD嗎？三十年前，我以為答案是肯定的，花上五年時(shí)間就差不多了?？墒牵覀冎两褚膊粫?huì)解QCD。在大距離處，相互作用力很強(qiáng)，我們還不能作解析處理。我認(rèn)為，在這個(gè)方向上，最大的希望是構(gòu)造一個(gè)強(qiáng)子和介子的對偶弦（dual string）描述。介子是夸克和反夸克組成的束縛態(tài)，看起來就像是流管（flux tubes），流管的末端是夸克和反夸克，其行為則像弦。事實(shí)上，我們現(xiàn)在有大量的證據(jù)表明，在弦理論和規(guī)范理論之中就存著這樣的一個(gè)對偶弦描述。如果有人設(shè)想色（NC）的數(shù)目不是3，而是無窮，那么我們就確信存在一個(gè)經(jīng)典弦，它將描述所有的介子。如果我們能夠精確地寫下對偶弦理論的經(jīng)典方程（人們正在努力尋找），那么我們就可以期望以經(jīng)典的方式求解，這可能并不太難。隨后，我們可以解析地計(jì)算1/NC展開的首項(xiàng)中的強(qiáng)子質(zhì)量譜。這是一個(gè)激動(dòng)人心的目標(biāo)，在過去的幾年中，沿此方向已經(jīng)取得了許多進(jìn)展。在未來的許多年里，這個(gè)問題仍將指導(dǎo)人們探索非微擾的QCD和弦理論。
    10、弦理論
    現(xiàn)在我轉(zhuǎn)向弦理論——構(gòu)造一個(gè)所有相互作用的統(tǒng)一理論的雄心勃勃的嘗試。這里的基本問題是：什么是弦理論？我們真的不理解弦理論的核心是什么。我們所有的，不過是在一個(gè)理論的某些局部情形中，有許多不同的描述或計(jì)算方法，而這個(gè)理論本身是什么，我們卻不能真正表述清楚。這真是一種怪異的處境。弦理論的各種表述經(jīng)常是完全不同的。起初，我們是先描述10維空時(shí)中一條弦的經(jīng)典運(yùn)動(dòng)，隨后將這個(gè)系統(tǒng)量子化。但是現(xiàn)在，我們是按普通的（超對稱的）規(guī)范理論，即標(biāo)準(zhǔn)模型中的楊－米爾斯理論，來表述某些特定的空時(shí)背景中的弦理論。有極強(qiáng)的證據(jù)表明，這些規(guī)范理論在數(shù)學(xué)上等價(jià)于一個(gè)描述在5維反德西特空間（anti-de Sitter Space，具有一個(gè)負(fù)的宇宙學(xué)常數(shù)）中運(yùn)動(dòng)的、可視之為的弦的理論。對于弦理論，我們還有許多不同的對偶表述，但是我們不知道該理論以及所有這些對偶表述的本質(zhì)是什么。這種對偶性的深層含義還沒有被真正理解。理論有許多不同表述，這些不同的表述看起來差異很大，各自都有不同的基本的動(dòng)力學(xué)對象，這一事實(shí)對我們所熟悉的基本性和局域性概念造成了極其嚴(yán)重的威脅。
    11、空間－時(shí)間的本質(zhì)
    第11個(gè)問題是：什么是空間－時(shí)間？在弦理論中，許多人相信“空間和時(shí)間或許在劫難逃?！蔽覀冇性S多例子表明在弦理論中空間是一個(gè)突現(xiàn)的概念。我們可以通過改變一個(gè)耦合的強(qiáng)度而輕易地改變空間的維數(shù)。按3維空間的規(guī)范理論表述的弦理論中，額外的6個(gè)維度和引力都是突現(xiàn)出來的。按量子力學(xué)矩陣模型表述的M-理論，其低能部分是用11維的超引力來描述的，其中全部10個(gè)空間維和引力似乎是描述宏觀現(xiàn)象的近似方法。因此，我們有許多不同表述形式的弦理論，其中空間不再是一個(gè)基本概念，而是一個(gè)突現(xiàn)的概念。如果空間是一個(gè)突現(xiàn)的概念，那么時(shí)間也應(yīng)該如此。但是我們?nèi)绾蜗胂髸r(shí)間是突現(xiàn)的呢？我不知道如何從一開始就不用時(shí)間去表述一個(gè)物理學(xué)理論。我相信這一問題的答案，即空間－時(shí)間的真正本質(zhì)，對于理解弦理論的真實(shí)含義將是必要的，解決這一問題將需要一些革命性的概念。
    12、物理學(xué)是一門環(huán)境科學(xué)嗎？
    另一個(gè)引人入勝的問題，第12個(gè)問題，最近弦理論家討論得很多，但比前述問題更普遍。這個(gè)問題就是：物理學(xué)是一門環(huán)境科學(xué)嗎？我更喜歡將這個(gè)問題以下列方式提出：刻畫物理宇宙的所有參數(shù)和定律原則上是可計(jì)算的嗎？還是說，這些參數(shù)和定律在一定程度上是由歷史的或量子力學(xué)的偶然事件所決定的？不可計(jì)算的物理參數(shù)的例子是我們太陽系中行星的半徑。沒有人相信我們可以計(jì)算這些半徑。它們不是基本的。它們由歷史偶然事件所決定的。精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)和夸克與輕子的質(zhì)量又如何呢？似乎，弦理論有許多解，許多可能的基態(tài)或真空。最近有些弦理論家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了他們所謂的“景觀”——宇宙的巨大數(shù)量的亞穩(wěn)態(tài)。一些人認(rèn)為這些亞穩(wěn)態(tài)彼此十分不同。它們具有不同的空間－時(shí)間維數(shù)（很大的空間－時(shí)間維數(shù)），不同的規(guī)范耦合常數(shù)，不同的夸克和輕子的質(zhì)量和數(shù)目。尤其是，它們具有不同的宇宙學(xué)常數(shù)。他們認(rèn)為，當(dāng)宇宙從大爆炸中突現(xiàn)時(shí)，它可能終結(jié)于這些狀態(tài)中的任何一種，或者宇宙的不同區(qū)域可能經(jīng)歷暴脹，并終結(jié)于不同的狀態(tài)。因此我們可能有一個(gè)多元宇宙。多元宇宙的有些部分看起來像這個(gè)，有些部分像那個(gè)，如此等等。那么我們在那一部分呢？生命存在、星系形成等等只能發(fā)生在多元宇宙中極少數(shù)的幾個(gè)宇宙之中。因此他們訴諸“人擇原理”（anthropic principle），來說明我們只能處于生命能夠存在的那很小一部分宇宙之中。他們不去合理地計(jì)算自然常數(shù)的數(shù)值，不去推導(dǎo)出一些基本的規(guī)律，卻希望通過人擇原理保留一些預(yù)測能力。我個(gè)人根本不喜歡這種方法。我的確認(rèn)為，愛因斯坦在表述自己的信念時(shí)所說的話是正確的，他說：大自然的立法，使得你最終能夠計(jì)算一切；自然的法則如此強(qiáng)大，以至所有的參數(shù)都能夠完全確定、不可更改，否則就會(huì)破壞整個(gè)理論。但是否如此，仍然是一個(gè)懸而未決的問題。
    13、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)
    第13個(gè)問題是運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)之間的傳統(tǒng)差別是否還將存在。在物理學(xué)中，傳統(tǒng)上我們所說的運(yùn)動(dòng)學(xué)，指的是物理學(xué)的框架，比如量子場論或量子力學(xué)，或者早期的經(jīng)典場論或經(jīng)典力學(xué)。在這樣一個(gè)框架中，我們引入一個(gè)特定的動(dòng)力學(xué)，比如標(biāo)準(zhǔn)模型。但是你可以在同一運(yùn)動(dòng)學(xué)框架中引入不同的動(dòng)力學(xué)規(guī)律；這取決于你。如果你仔細(xì)想一想，你就會(huì)覺得這種運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的分離是多么奇怪。我相信，在我們試圖理解弦理論和空間－時(shí)間的本質(zhì)時(shí)，這種差別將會(huì)變得模糊。將來我們會(huì)有一個(gè)框架，不再被分成運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)，只有一個(gè)可想象的動(dòng)力學(xué)，它與運(yùn)動(dòng)學(xué)框架交織在一起。隨后，量子力學(xué)可能會(huì)作為不可避免的、不那么神秘的結(jié)論而突現(xiàn)出來。
    14、凝聚態(tài)物理
    凝聚態(tài)物理，與物理學(xué)其他領(lǐng)域相比，更多是由實(shí)驗(yàn)來推動(dòng)的。因此當(dāng)我請凝聚態(tài)物理學(xué)家為我提出問題時(shí)，他們許多人頗不情愿。他們說，“我們不提出問題，我們應(yīng)對實(shí)驗(yàn)?！钡钱?dāng)我進(jìn)一步詢問時(shí)，我得到了一些好問題。其中之一涉及可能的新物質(zhì)態(tài)，這是凝聚態(tài)物理中一個(gè)激動(dòng)人心的領(lǐng)域，探索的是那些不能由朗道所發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)理論范式——費(fèi)米液體理論——所描述的物理系統(tǒng)。量子霍爾系統(tǒng)就屬于這一類，在過去的一二十年里，弄清它的結(jié)構(gòu)一直是非常激動(dòng)人心的工作。但是，是否存在其他種類的凝聚態(tài)相互作用系統(tǒng)，它們也表現(xiàn)出非費(fèi)米液體的行為，并且可以通過常規(guī)的方式在實(shí)驗(yàn)中觀察得到？理論家迄今已經(jīng)發(fā)展出許多非常有趣的數(shù)學(xué)模型，這些模型已經(jīng)超出了費(fèi)米液體理論的描述范圍。關(guān)于高溫超導(dǎo)，人們已經(jīng)提出了不少模型，但迄今我們?nèi)圆焕斫飧邷爻瑢?dǎo)。自然界中是否真的會(huì)有非費(fèi)米液體行為的凝聚態(tài)物質(zhì)系統(tǒng)，現(xiàn)在還是一個(gè)未知數(shù)。
    15、復(fù)雜動(dòng)力系統(tǒng)
    25年前，KITP剛成立的時(shí)候，對呈現(xiàn)出復(fù)雜和混沌行為的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的研究，是一個(gè)非常時(shí)髦的領(lǐng)域。25年之后，這次會(huì)議的一個(gè)與會(huì)者問道：“現(xiàn)在，當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的時(shí)候，我們將它放到一個(gè)大型計(jì)算機(jī)上進(jìn)行分析，我們從計(jì)算機(jī)模擬中得到數(shù)據(jù)，但是我們?nèi)绾翁幚頂?shù)據(jù)呢？我們?nèi)绾卫斫馑?？”我們知道，這些復(fù)雜系統(tǒng)的預(yù)言能力具有內(nèi)在的局限性。它們通常都有混沌的特征。但是僅憑模擬，理論家還不能斷定，你所看到的究竟是一個(gè)復(fù)雜的難以計(jì)算的系統(tǒng)，還是一個(gè)具有某些有趣的混沌動(dòng)力學(xué)行為的系統(tǒng)。因此對于理論家來說，急需開發(fā)工具去分析這些復(fù)雜的計(jì)算機(jī)模擬，以便了解隱藏在這些復(fù)雜數(shù)據(jù)之下的基礎(chǔ)是什么。
    16、量子計(jì)算機(jī)
    量子計(jì)算是一個(gè)嶄新的領(lǐng)域，大概只有10年之久，目標(biāo)是建造一臺(tái)使用量子元件的計(jì)算機(jī)。也已證明，在某些情況下，量子計(jì)算機(jī)的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)勝于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，優(yōu)勢是指數(shù)級的。對理論家來講，這里最有趣的問題，第16個(gè)問題，是：量子計(jì)算機(jī)將是無聲的或耳聾的嗎？建造一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，關(guān)鍵問題是防止量子系統(tǒng)退相干。如果一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)由于它與周圍環(huán)境不可避免的相互作用而發(fā)生退相干，那么它就變成了一臺(tái)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。防止一個(gè)量子態(tài)與環(huán)境發(fā)生相互作用是困難的。有兩個(gè)策略：一個(gè)是“無聲”策略——將計(jì)算機(jī)的量子比特與周圍環(huán)境隔絕開來，從而盡可能地降低噪音。另外一個(gè)方法是建造一臺(tái)“耳聾”的計(jì)算機(jī)，這里信息由拓?fù)湫詼?zhǔn)粒子攜帶，拓?fù)湫詼?zhǔn)粒子是非局域的，不能被破壞，因此不受環(huán)境噪音的影響。這是一個(gè)比較新的、使人著迷的量子計(jì)算機(jī)方案。這里的問題是，要證明存在這樣的凝聚態(tài)物質(zhì)系統(tǒng)，它們具有可以操控的拓?fù)浼ぐl(fā)態(tài)。
    最后，我們真的能夠建造一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)嗎？量子計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)是基本量子比特（qubits），例如像自旋；自旋可以向上或向下，對應(yīng)于0或1，但實(shí)際上卻是量子力學(xué)的。真正的計(jì)算需要10, 000個(gè)量子比特，但是此刻我們只能建造2或3個(gè)量子比特的計(jì)算機(jī)，距離10, 000個(gè)量子比特還有很長一段路。
    17、高溫超導(dǎo)體
    我們的周年紀(jì)念會(huì)議上主要是從事基礎(chǔ)研究的理論家，但下一個(gè)問題，即第17個(gè)問題，卻是關(guān)于應(yīng)用的，這是一個(gè)非常有趣的問題。我們能不能懂得如何制造室溫甚至室溫以上的超導(dǎo)材料？按凝聚態(tài)物理學(xué)家所說，沒有理由相信你不能得到室溫超導(dǎo)體。然而，當(dāng)前的理論還不夠好，不能斷定是否可能獲得室溫超導(dǎo)體。另外一個(gè)吸引人的問題是：我們能不能懂得如何制造室溫鐵磁體——一種普通的，但不是由鐵，而是由可加工處理的電子（半導(dǎo)體）材料制成的鐵磁體？如果可以，那么人們就可以在微觀層次上對它進(jìn)行操作，對理論家來說這是一個(gè)非常有趣的目標(biāo)和一個(gè)極好的題目。
    18、生物學(xué)
    現(xiàn)在我們轉(zhuǎn)向生物學(xué)，它是許多軟凝聚態(tài)物理學(xué)家開始感興趣的一個(gè)領(lǐng)域。今天在生物學(xué)的世界中有許多漂亮的數(shù)據(jù)，例如人類基因組。我們能夠基于所有這些數(shù)據(jù)來理解生命嗎？存在一個(gè)生物學(xué)的理論嗎？或者，生命僅是一個(gè)歷史偶然事件嗎？這看起來是一個(gè)非常困難的問題。理論物理學(xué)家很擅長理解復(fù)雜系統(tǒng)。但是生物系統(tǒng)與凝聚態(tài)物質(zhì)系統(tǒng)是不同的。物理學(xué)家對此能有所幫助嗎？除了計(jì)算和描述物理現(xiàn)象時(shí)所發(fā)展的數(shù)學(xué)，還需要新的數(shù)學(xué)去描述生物學(xué)嗎？在生物學(xué)中我們必須處理許多不同時(shí)間尺度上的動(dòng)力學(xué)，這可能是（需要新數(shù)學(xué)的）一個(gè)原因。在你的神經(jīng)元和你的基因組中，時(shí)時(shí)刻刻——在納秒或更小的時(shí)間尺度上——都有重要的變化在發(fā)生。長此以往，這些變化會(huì)對生命造成經(jīng)年累月的影響。物理學(xué)還沒有處理過這類問題，因此估計(jì)需要新方法或新數(shù)學(xué)。
    19、基因組學(xué)
    物理學(xué)家特別感興趣的，并且已開始投身其中的一個(gè)領(lǐng)域，就是基因組學(xué)?，F(xiàn)在我們手中有了完整的藍(lán)圖，人類基因組。舉例來說，我們可以利用基因組去理解進(jìn)化嗎？人們能夠利用基因組去比較不同人之間的DNA，從而追溯物種在過去進(jìn)化的歷史。理論家能否用理論物理學(xué)的方法將進(jìn)化史變成一個(gè)定量的甚至可預(yù)測的科學(xué)嗎？我特別喜歡的一個(gè)問題是：我們能夠通過基因組而獲知一個(gè)有機(jī)體的形態(tài)嗎？我想，20年之后，借助于物理學(xué)和物理學(xué)家的大量幫助，理論生物學(xué)可能會(huì)到達(dá)這樣一個(gè)階段：到那時(shí)，理論生物學(xué)課程的期終考試將會(huì)給學(xué)生們一小段DNA，要求他們基于這個(gè)DNA片段畫出有機(jī)體的圖像。
    20、神經(jīng)科學(xué)
    神經(jīng)科學(xué)是物理學(xué)家已經(jīng)工作了許多年的另一個(gè)領(lǐng)域。這是因?yàn)槔斫獯竽X是如何工作的這一問題是一個(gè)激動(dòng)人心和富有挑戰(zhàn)性的問題。物理學(xué)家喜歡挑戰(zhàn)性的問題。很清楚，我們需要一個(gè)理論去理解大腦是如何工作的，沒有模型僅有觀察達(dá)不到目的。在大腦研究中一個(gè)最吸引人的問題是意識的本質(zhì)。更精確地講：記憶和意識背后的原理是什么？我特別喜歡的一個(gè)問題是：我們能夠測量一個(gè)嬰兒的意識是何時(shí)開始的嗎？子宮內(nèi)的一個(gè)胚胎大概是無意識的。在你13歲的時(shí)候，你可能具有了意識。在胚胎和青少年之間的某個(gè)時(shí)間，意識出現(xiàn)了。什么時(shí)候？兩天，兩個(gè)星期，兩年？你如何去測量是在什么時(shí)候意識開始出現(xiàn)的？它是突然出現(xiàn)的嗎（一級相變，還是連續(xù)相變）？如果你能夠告訴一個(gè)實(shí)驗(yàn)者如何去測量這個(gè)相變的本質(zhì)，那么你對于意識可能是什么已經(jīng)有了很多了解。另一個(gè)好問題是：我們是否能夠制造出一臺(tái)有意識的、有自由意志的、而且行為具有目的性的活機(jī)器嗎？
    21、計(jì)算物理學(xué)
    圍繞計(jì)算物理學(xué)產(chǎn)生了許多問題。作為理論物理學(xué)的一種方法，計(jì)算物理學(xué)在最近一些年變得非常重要?，F(xiàn)在，許多科學(xué)家和物理學(xué)家，在遇到難題的時(shí)候，已經(jīng)不是在紙上進(jìn)行計(jì)算，而是在計(jì)算機(jī)上模擬這個(gè)問題。第21個(gè)問題是：計(jì)算機(jī)將會(huì)替代分析技術(shù)嗎？如果這成為事實(shí)，那么我們需要改變對物理學(xué)家的訓(xùn)練嗎？數(shù)百年來，我們一直使用同樣的方法去教導(dǎo)學(xué)生。我們很少教導(dǎo)他們?nèi)绾问褂糜?jì)算機(jī)，如何進(jìn)行數(shù)值模擬。我們教導(dǎo)他們?nèi)绾斡?jì)算積分，如何解偏微分方程。我們要改變培養(yǎng)物理學(xué)家的方法嗎？最終，維爾切克（Frank Wilczek）問道：“何時(shí)計(jì)算機(jī)將成為具有創(chuàng)造力的理論物理學(xué)家？”注意，他沒有問“是否”，而是問“何時(shí)”。我們將如何培訓(xùn)它們呢？這是一個(gè)非常有趣的問題，在我們擁有一臺(tái)可以成為具有創(chuàng)造力的理論物理學(xué)家的計(jì)算機(jī)之前，還有時(shí)間供我們作長期思考。我們是按照培訓(xùn)一個(gè)人的方式培訓(xùn)一臺(tái)計(jì)算機(jī)，還是以一種不同的方式？對于人我們從經(jīng)典力學(xué)開始，隨后教授電學(xué)和磁學(xué)，然后是量子力學(xué)。對于計(jì)算機(jī)我們是否一開始就教它們弦理論，隨后推導(dǎo)量子場論和作為近似的經(jīng)典物理學(xué)？我不知道。這是一個(gè)可以思考的有趣問題。
    22、物理學(xué)的統(tǒng)一
    關(guān)于科學(xué)社會(huì)學(xué)，人們也提出了許多問題。尤其是，有不少問題涉及物理學(xué)王國的潛在割據(jù)局面。物理學(xué)變得如此龐大，有如此多不同的領(lǐng)域，因此有人問道：“物理學(xué)將會(huì)分裂成為不同的領(lǐng)域，不同的學(xué)科嗎？”有些領(lǐng)域已經(jīng)分裂了，例如化學(xué)就分裂成有機(jī)化學(xué)學(xué)科和無機(jī)化學(xué)。這些分離的領(lǐng)域使用不同的方法來教育它們的學(xué)生。我將此看作物理學(xué)面臨的一個(gè)危險(xiǎn)。物理學(xué)的偉大傳統(tǒng)，是保持自己在普通教育和物理學(xué)家的文化中的核心地位，哪怕這些物理學(xué)家是在相鄰學(xué)科從事研究。事實(shí)上，物理學(xué)的統(tǒng)一由這次周年紀(jì)念會(huì)議的成功便可以得到證明，在此我們成功地讓物理學(xué)各分支領(lǐng)域——從宇宙學(xué)到生物物理學(xué)——中的世界領(lǐng)袖人物聚集在一起，討論作為一門思想和文化事業(yè)的物理學(xué)的未來。我希望并且相信物理學(xué)不會(huì)分裂成各自獨(dú)立的領(lǐng)域。
    23、還原論
    第23個(gè)問題，是拉格特（Tony Leggett）提出的：“我們傾向于理所當(dāng)然地認(rèn)為，既然大物體是由小物體組成的，所以大物體的行為，至少在原則上，必定由小物體的行為所完全決定。這種觀點(diǎn)比大自然能夠區(qū)分她的左右手更為理所當(dāng)然嗎？”我是一個(gè)還原論者。我真的相信小物體能夠決定大物體，但是我們應(yīng)該保持一種開放的心態(tài)。甚至在弦理論中，我就能發(fā)現(xiàn)，在“大”和“小”之間存在著混淆的地方。
    24、理論物理學(xué)的角色
    另外一個(gè)社會(huì)學(xué)問題，第24個(gè)問題，是理論在物理學(xué)中所扮演的角色：“理論物理學(xué)的角色是什么？”對于理論物理學(xué)應(yīng)該扮演的角色，存在兩種極端的觀點(diǎn)。一種觀點(diǎn)認(rèn)為，理論的角色是與實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)象領(lǐng)域緊密聯(lián)系在一起的，它幫助實(shí)驗(yàn)家解釋他們的實(shí)驗(yàn)，辨別信號與噪音。另外一種觀點(diǎn)認(rèn)為，理論物理學(xué)的目標(biāo)是獲得一種更高層次的理解。為了獲得這種理解，一個(gè)人可以將注意力集中于解決符合一般物理定律并且定義明確的數(shù)學(xué)模型，而不用考慮這些模型的真實(shí)與否。我們賦予簡潔性和數(shù)學(xué)上的優(yōu)美多大價(jià)值呢？這是第二組人群通常所關(guān)心的。對于理論描述復(fù)雜系統(tǒng)及其所有細(xì)節(jié)的能力，我們又賦予多大的價(jià)值？這是第一組人群所關(guān)心的。它們是兩種不同的態(tài)度，兩種不同的對待理論的方法。有些理論家喜歡第一種，有些喜歡第二種。依我的意見，兩種方法都是好的，兩種都是必要的。兩種方法相互促進(jìn)。我認(rèn)為，作為一名理論物理學(xué)家，這兩個(gè)部分都是必需的。
    25、大科學(xué)的危險(xiǎn)
    最后，第25個(gè)問題是關(guān)于現(xiàn)代物理學(xué)所面臨的一些危險(xiǎn)。這個(gè)問題不是由一位粒子物理學(xué)家提出的，而是一位天體物理學(xué)家提出來的。他指出，不僅傳統(tǒng)的大物理學(xué)——粒子物理學(xué)——需要更大和更昂貴的加速器，而且天體物理學(xué)的項(xiàng)目也開始變得難以上馬，并且再過25年可能會(huì)無法落實(shí)。在粒子物理學(xué)中，危險(xiǎn)已經(jīng)隱約浮出地平線，天體物理學(xué)也是同樣的情況。天體物理學(xué)家想要投入空間的儀器日益昂貴，以至于任何政府都難以承受。天體物理學(xué)中還存在一些大問題，但是我們可能沒有能力去探索它們。因此：目前我們應(yīng)該考慮什么新途徑？是今天，而不是25年之后，到那時(shí)考慮就太遲了；理論家在應(yīng)對這種危險(xiǎn)時(shí)應(yīng)該扮演什么角色？
    這是我在會(huì)議上提出的25個(gè)問題。但是，我想要再增加一個(gè)我知道答案的問題。從現(xiàn)在開始的25年內(nèi)，物理學(xué)是否會(huì)仍然重要，KITP是否會(huì)仍然重要？這里的答案很明確：“是的”。（李斌譯，郝劉祥校）