Learn from yesterday, live for today, hope for tomorrow. The important thing is not to stop questioning.
2017年，已成為過去。迎接而來的2018年似乎充滿了無限的希望，至少這是每個人所希望的。在這充滿希望的第一天，有人正默默地寫下今年的目標，有人則翻找著自己18歲時的青蔥歲月，而有的人則選擇打開這篇文章靜下心來閱讀。
42，這個數(shù)字對于許多人而言并不陌生。根據(jù)道格拉斯·亞當斯（Douglas Adams）在他的科幻作品《銀河系漫游指南》一書中的描述，生命、宇宙、萬物的終極答案便是42。但42究竟詮釋著什么？至少在這篇文章中，它意味著42個探究真理的基本大問題。
每當基礎科學有顛覆性的新發(fā)現(xiàn)時，都揭示了自然的一些新特征，但伴隨而來的總是新的謎題。從宇宙學常數(shù)問題，到時空和量子場的起源，再到生命和意識之謎，這些都是當前科學家所面臨的最具有挑戰(zhàn)的問題。通過這篇文章，希望能夠讓更多的人了解科學中的一些基本大問題。（由于篇幅原因，本文將分成上、下兩篇分別推送）
生命篇
1. 什么是生命？
1944年，物理學家薛定諤（Erwin Schr?dinger）撰寫了《生命是什么？》一書，在書中他寫道：“我們從先祖那繼承了對統(tǒng)一一切知識的強烈渴望”。這句話或許可用來解釋為何物理學家總是敢于去討論那些非他們專業(yè)領(lǐng)域的問題。
病毒是一種介于生命與非生命物種之間的物種，因為一方面它們不能自行復制；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多年后的今天變得更加寬泛。是否存在基于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(jié)構(gòu)？又或者甚至不以碳為中心元素。或許目前于我們而言是未知的原理，能在其他系外行星上產(chǎn)生完全陌生的生命形式。
2. 地球上的生命是如何開始的？又是如何演化出復雜的生命形式？
地球形成于太陽系早期。許多證據(jù)證明地球上的生命經(jīng)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(jīng)過漫長的歲月，形成了復雜的生物，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，但并沒有哪種理論特別令人信服。其中的一個關(guān)鍵問題就在于，開啟地球生命的第一個有機分子是完完全全原生于地球的，還是始于其他地方再以某種方式被帶入地球的？根據(jù)實驗和基因分析，科學家們認為地球生命最后的共同祖先，約生活在海底的深海熱液口附近。由于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復雜生物的？由 Lynn Margulis 提出了一個現(xiàn)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(jīng)都是獨立的細菌。在那樣的情況下，生命將僅限于單細胞細菌，而古細菌（原核生物）則不能與細菌共生合并，最終導致了真核生物的出現(xiàn)。
3. 生命在宇宙中有多普遍？
在過去20多年中，人類發(fā)現(xiàn)了數(shù)以千計的系外行星，其中少數(shù)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(nèi)就已經(jīng)有數(shù)以萬億的星系，且每個星系中又有數(shù)以千億的恒星。
在宇宙138億年的歷史長河中，其他的生命都在哪里呢？或許更高級的智慧生命傾向于不與文明程度較低的生命接觸，又或者高級智慧生物因發(fā)展出危險的科學技術(shù)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(xiàn)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。
4. 生物為何能完成那些復雜到不可能的任務？
生物有兩項特別值得驕傲的能力：一個是蛋白質(zhì)折疊，也就是蛋白質(zhì)鏈形成具有正確生物功能結(jié)構(gòu)的過程；另一個是形態(tài)發(fā)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、大腦等復雜結(jié)構(gòu)的能力。這兩種能力是非常復雜的，絕非任何計算機能模擬或復制。目前我們?nèi)圆荒芙忾_生物為何能具有如此復雜能力的奧秘。
5. 我們能夠理解并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復雜的，我們掌握的只是其中的一部分。其研究難度在于未知的自由度過大，并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(tǒng)生物學的突破？
6. 什么是意識？
我們與現(xiàn)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于大腦內(nèi)的神經(jīng)元結(jié)構(gòu)，越來越多用于進行神經(jīng)科學研究的工具可對大腦的信息做更深層準確的探索。
據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，不同的心理過程能激發(fā)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(guān)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(qū)域還是多區(qū)域有關(guān)。另一個重大問題是由意識引發(fā)的我們能夠感受到的真實體驗，受到了怎樣的物理系統(tǒng)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(guī)的圖靈試驗并不足以為我們提供這些問題的答案。
引力和宇宙篇
7. 愛因斯坦的引力理論如何與量子力學結(jié)合？
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。其中一個是愛因斯坦的廣義相對論，將引力和彎曲的時空聯(lián)系在一起。另一個則是量子力學，描述了粒子和它們之間的相互作用。二者各司其職，并且經(jīng)受住了無數(shù)次對它們的檢驗。但是，當我們談及宇宙大爆炸或黑洞的時候就會意識到，它們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(jīng)開始試圖構(gòu)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。后者則認為時空具有“顆粒性”。雖然這兩個理論在數(shù)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(tài)三角剖分”理論，“漸進安全引力”理論和“涌現(xiàn)引力”理論等。
○ 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
8. 黑洞的熵和溫度的起源是什么？
自約翰·惠勒提出“黑洞”一詞后，科學家、科幻家、小說家等就沒有停止過對它的想象。它不僅僅只是理論上的產(chǎn)物，大量天文觀測都證實了恒星級黑洞和超大質(zhì)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后，爭論就從沒有停止過?；艚鸷退鞫鳎↘ip Thorne）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
公式中假定了一些著名的常數(shù)為1。式子中的量同時聯(lián)系了引力和量子力學，但最基本的問題是為什么熵正比于面積（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推導式子（1），但都沒有成功。這足以證明，我們并未真正理解黑洞熵的深意。
○ 霍金輻射。| 圖片來源：E. Siegel
9. 信息在黑洞中丟失了嗎？
黑洞的熱力學有兩種可能性：
就像普通的熱力學一樣，如果在宏觀層面它只是一個統(tǒng)計學上的描述，那么當物體落入黑洞時，信息只是表面上消失了，之后以霍金輻射的形式出現(xiàn)。在這種情況下，可能存在一個更深層的微觀描述，在這個過程中，時間的進化是完全確定的，并沒有任何信息真正消失。
另一方面，如果熵和溫度是黑洞的基本特征，直接由引力和量子力學決定，那么最初的物質(zhì)的詳細性質(zhì)就會在事件視界內(nèi)被抹除。在這種情況下，原先的信息就會丟失。
試圖解釋黑洞信息悖論的嘗試有很多，比如全息原理、火墻悖論和黑洞記憶等。
10. 宇宙學常數(shù)問題
1917年，為了描述一個靜態(tài)的宇宙，愛因斯坦在場方程中引進了一個額外的常數(shù)項，稱為宇宙學常數(shù)，它提供了抵抗引力的排斥作用。然而，當哈勃發(fā)現(xiàn)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(xiàn)在看來，這個“錯誤”或許有著更深的含義。根據(jù)量子力學，真空本身會有微小的漲落，這些漲落會產(chǎn)生能量。物理學家認為量子真空能量可以充當宇宙學常數(shù)的角色。但是，基于量子力學計算的真空能量的值遠高于實際觀測到的能量密度——高出120個數(shù)量級，這個結(jié)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(shù)問題。物理學家提出了人擇原理和多重宇宙等模型來解決理論和觀測之間的偏差，但目前并沒有統(tǒng)一的意見。
11. 什么是暗能量？
1998年，兩個獨立的天文小組通過對遙遠的超新星爆發(fā)的測量得出了一個驚人的結(jié)論：宇宙正在加速膨脹！科學家把造成加速膨脹的幕后推手稱為“暗能量”。暗能量占據(jù)了宇宙總質(zhì)量和能量的68.3%，它支配著宇宙的終極命運。但究竟什么是暗能量，我們并不知道。
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(shù)，但如上述，我們遇到了問題。也有人提出一些具有奇異性質(zhì)的粒子能夠充當暗能量的角色，比如變色龍粒子，它的性質(zhì)會隨著周圍的環(huán)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，一些物理學家認為根本不存在暗能量，只是現(xiàn)有的引力理論需要得到修正。（在2017年發(fā)現(xiàn)的雙中子星合并中，有一些試圖修正引力的理論已經(jīng)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。
12. 宇宙經(jīng)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(jīng)歷了一場指數(shù)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(tǒng)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(jù)。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(zhì)疑。2017年，針對于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。
13. 為什么宇宙中遍布著物質(zhì)，而不是反物質(zhì)？
根據(jù)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(zhì)和反物質(zhì)被創(chuàng)造。而我們知道，當正反物質(zhì)相遇時會發(fā)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(fā)生在138億年前。但事實是，在那場戰(zhàn)役中，物質(zhì)戰(zhàn)勝了反物質(zhì)，并存活了下來，否則我們就不會在這里尋找這個問題的答案。
1968年，物理學家Andrei Sakharov意識到，如果宇宙滿足三個條件，那么物質(zhì)和反物質(zhì)不對稱性就是不可避免的。這三個條件分別是：重子數(shù)不守恒、違反C對稱（電荷共軛對稱）和CP對稱（電荷共軛與宇稱聯(lián)合對稱性）、存在偏離熱平衡的相互作用。解決物質(zhì)-反物質(zhì)不對稱性的理論包括輕子數(shù)不對稱產(chǎn)生機制、電弱重子數(shù)產(chǎn)生機制、Affleck-Dine機制和普朗克/大統(tǒng)一重子數(shù)產(chǎn)生機制。
14. 什么是暗物質(zhì)？
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(shù)來自不發(fā)光的物質(zhì)，即所謂的暗物質(zhì)。近年來許多天文觀測數(shù)據(jù)都傾向于暗物質(zhì)的存在，它的數(shù)量大約是普通物質(zhì)（比如行星、恒星、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(jié)構(gòu)的形成至關(guān)重要。但我們?nèi)耘f不知道暗物質(zhì)的真實面目。到目前為止地底下的大型探測器、太空中的衛(wèi)星、以及對撞機中均為發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的蹤跡。尋找暗物質(zhì)是高能物理學和天體物理學的首要任務。
○ 兩個星系團間的碰撞合并成一個更大的星系團。這被認為是暗物質(zhì)的強有力證據(jù)。| 圖片來源：NASA
15. 宇宙中還有哪些新的天體等待被發(fā)現(xiàn)？
宇宙中遍布中許多不同類型的奇異物體。在我們熟悉的普通恒星內(nèi)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(fā)生的事情則更有意思，它是由電子的“簡并壓”所支撐著。類似地，恒星死亡后另一個結(jié)局——中子星，則是由中子簡并壓支撐。1967年，Jocelyn Bell Burnell發(fā)現(xiàn)了快速旋轉(zhuǎn)的中子星——脈沖星。此外，宇宙中也有許多恒星級黑洞，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(zhì)量黑洞被認為普遍存在于大型星系的中心。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。基于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(fā)現(xiàn)更多令人意想不到的天體。例如Katherine Freese提出來的“暗星”，或者由夸克組成的夸克星，或以暗物質(zhì)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。
凝聚態(tài)物質(zhì)和量子系統(tǒng)的奇異行為篇
16. 還有哪些超導和超流體的新形式等待被發(fā)現(xiàn)？
在低溫下，像氦-4原子這樣的玻色子會經(jīng)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征都有待被闡明。基于這些年來這個領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，我們可以期待未來有更重大的發(fā)現(xiàn)在等待著我們。
17. 有哪些新的拓撲相等待被發(fā)現(xiàn)？
繼 Kosterlitz-Thouless 相變、以及整數(shù)和分數(shù)量子霍爾效應的發(fā)現(xiàn)后，拓撲絕緣體是近年來令人驚喜意外的發(fā)現(xiàn)。拓撲絕緣體是一種表面導電但內(nèi)部絕緣的材料。目前，物理學家提出了許多與凝聚態(tài)物質(zhì)系統(tǒng)中的其他拓撲非平凡相和物體有關(guān)的理論提議。
18. 在高度關(guān)聯(lián)的電子材料中，還有哪些性質(zhì)等待被發(fā)現(xiàn)？
對于許多凝聚態(tài)物質(zhì)系統(tǒng)來說，單電子（或準粒子）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(guān)效應可能會導致一些新的現(xiàn)象，而上面提到的那些現(xiàn)象肯定不會就是所有可能性的全部。
19. 物質(zhì)還有哪些新的相和形式等待被發(fā)現(xiàn)？
普通物質(zhì)的涌現(xiàn)性質(zhì)已經(jīng)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(fā)現(xiàn)：如不同形式的磁性、空間結(jié)構(gòu)（如晶體和準晶、電荷密度波、自旋密度波等）、1維和2維材料、納米結(jié)構(gòu)、軟物質(zhì)（如液晶和聚合物）、以及顆粒體系。
現(xiàn)在，量子相變是一個熱門的探索領(lǐng)域。包括普通材料中的電子液體在內(nèi)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(zhì)的重大的涌現(xiàn)性質(zhì)。
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(tǒng)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(zhì)的第四種狀態(tài)，在天體物理學和地球應用的許多領(lǐng)域中都極為重要。一個尚未實現(xiàn)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。
20. 量子計算機、量子信息和其它基于量子糾纏的應用的未來是什么？
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(tài)，你就粒子知道另一個粒子的狀態(tài)，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(fā)展量子計算和量子信息的關(guān)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并行運算能量。但是，由于糾纏態(tài)在真實環(huán)境中是十分脆弱的，所以目前最大的問題是這些領(lǐng)域的重要性是否能在現(xiàn)實環(huán)境中實現(xiàn)。糾纏在量子計算機的物理實現(xiàn)和黑洞信息悖論的解決等問題上越來越受到關(guān)注。
21. 量子光學和光子學的未來是什么？
光子、電子在基于光子學的新技術(shù)（包括光電子學）中起著重要的作用。該領(lǐng)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(xiàn)象的控制以及更多新興思想的涌現(xiàn)。什么樣的新現(xiàn)象會伴隨光子、或光子與電子以及其他粒子一起被發(fā)現(xiàn)呢？
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