理论物理中的五大问题
Jon Shock从出版商那里收到Lee Smolin的《The Trouble with Physics》，他看完后给我看。
我刚开始看，先看到Lee列出的理论物理中的五大问题。他的问题如下：
1. 将量子理论和广义相对论结合成一个自然界的完整理论。
2. 解决量子力学的基础问题，或是通过重新理解使得理论有意义，或者是重新发明一个理论。
3. 决定各种不同的粒子和相互作用是否是统一的。
4. 理解粒子物理标准模型中的自由参数是怎么被决定的。
5. 解释暗物质和暗能量。如果它们不存在，决定引力在大尺度上是如何被修改的。更广泛地，解释标准宇宙学模型中的参数为什么取这些值。
每个人心目中都有他自己的五大问题，Lee说出的应该是大家公认的五大问题，从这一点来看，Lee一点也不想与众不同。正如他自己在书中所说，他是一个不喜欢冲突的人。
我最近越来越成为一个务实派，认为真正的进展不是来自谁一下子解决了一个大问题，如上述的问题中的任何一个，而是来自于貌似补锅的工作。远的不说，只看过去一百年内的例子。Planck试图将Rayleigh-Jeans 公式和Wien公式结合成一个完整的定律发现了量子，Bohr为了解释Balmer公式发现了他的量子化规则。爱因斯坦的工作表面看起来有些象一下子提出大理论，或一下子解决大问题，其实他也是一步一步来的。狭义相对论的建立是在已经有了Lorentz的电子论和Poincare工作以后，广义相对论是爱因斯坦自己一步一步走出来的。所以，如果我需要列一个单子贴在我办公室的墙上，我的问题和Lee的问题会很不同。
我先评论一下Lee列出的五个问题，然后再列一下个人的五大问题。
1. 将量子理论和广义相对论结合成一个自然界的完整理论。
这个问题毫无疑问是中心问题。不论是弦论还是loop gravity，目前还不能声称解决了这个问题。在纯逻辑上来看，弦论在一定情况下“解决”了这个问题，如微扰论的发散问题。在某些情况下弦论甚至有了非微扰的实现，如AdS/CFT。弦论目前最大的问题，一是如何在没有超对称的情况实现，二是如何结合宇宙学。
量子引力还有一个非常实际的问题，就是如何在引力的量子涨落变得很重要的情况下找到一个可以计算的方案。黑洞的问题就是这样的一个问题。
Schwarzschild黑洞这个问题，不论是弦论还是loop gravity，都没有真正解决。
2. 解决量子力学的基础问题，或是通过重新理解使得理论有意义，或者是重新发明一个理论。
我不认为量子力学需要修改。如果量子力学在一个“realist”看起来很难理解，那也可能是我们没有真正理解可观测量的含义。例如，许多人觉得如果量子力学只能给出一个粒子在某个位置的几率，这个理论就是不完备的。我个人觉得，粒子这个概念在什么程度上是“reality”我们并没有理解。我举两个例子来说明我的观点。第一个是粒子的全同性，在量子力学中，这是一个假定，或者“原理”。在量子场论中，这是一个推论。我们在场论中假设了只有稳定的粒子才会在渐近态中出现，而渐近态之间的散射振幅才是可观测量。这导致我们无法定义相对局域的量，包括给定时间的一个粒子。这个例子已经说明我们对粒子这个所谓的“reality”并没有真正的理解，或者说，除了那个渐近态，没有更好的理解。第二个例子涉及到广义相对论。Unruh效应告诉我们，所谓粒子甚至事件这些概念，与观测者有关。
如果我们暂时没有“reality”对象，如何从一个realist的角度觉得量子力学是不完备的？也许我们还缺乏对量子力学的更加深刻的理解，但这种理解不会从量子力学本身中来，也不会从修改量子力学中来，而是将量子力学放在更大的框架中去理解后才会得到，例如，量子力学在量子引力中是如何实现的，量子力学如何用来实现量子宇宙学。
Feynman对量子力学的看法，还是最好的看法：I cannot define the real problem, therefore I suspect there’s no real problem, but I’m not sure there’s no real problem.
3. 决定各种不同的粒子和相互作用是否是统一的。
我个人觉得真正的决定权在实验家的手中。
4. 理解粒子物理标准模型中的自由参数是怎么被决定的。
这个问题与上一个问题有关。
5. 解释暗物质和暗能量。如果它们不存在，决定引力在大尺度上是如何被修改的。更广泛地，解释标准宇宙学模型中的参数为什么取这些值。
暗物质特别是暗能量的存在，告诉我们现在已经不能将所谓的基本理论独立于宇宙学之外了。暗能量是量子引力的一个最大的问题。过去我觉得黑洞熵之于量子引力如同黑体辐射之于量子论，现在我觉得暗能量才是量子引力的黑体辐射问题。
休息一下，晚上接着写。
我个人的五大问题：
1. 量子引力全息原理的最一般的物理表述是什么？
也许我们还没有一个完整的量子引力理论，但黑洞量子物理明明白白告诉我们有一个全息原理在那里。AdS/CFT就是全息原理的一个具体实现。
要实现全息原理，一方面我们需要几何，这是引力的一方，另一方面我们需要场论。引力的一方在极端情况下几何可能完全消失，例如一个半径很小的AdS。当几何消失时，代替几何的是什么？还是什么也没有，可靠的理论只是场论的一方？
宇宙学中也有一个普适的全息原理吗？如果有，这个全息原理的实现与量子宇宙学的关系是什么？
一个全息原理的具体实现应该可以直接解释黑洞的熵，以及黑洞演化是否完全遵从量子力学。
2. 暗能量是什么？
暗能量仅仅是爱因斯坦宇宙学常数吗？还是可变的？如果是可变的，宇宙学观测还需要多长时间明确地告诉我们它是可变的？
暗能量的存在是量子引力的红外与紫外关系的体现吗？还是象landscape scenario倾向的完全是一个随机的数，和人择原理有关的数？
3. 第一个能体现量子引力的实验是什么？
我希望理论家们能够多多提出一些在不远的将来或者比较远的将来能够实现的实验。不论是哪一种量子引力理论（弦论，loop gravity, 等等），到现在为止都不能具体计算出一个可靠的量子引力效应，而这个可靠的量子引力效应既不是弦论中的高能散射，也不是loop gravity中的体积、面积量子化，而是在比较低能的领域就能看到的效应。打个比方，布朗运动就是远在我们“直接看到”原子分子之前体现原子分子存在的物理效应。
我们以前在这里讨论过的小黑洞无疑是一种可能，虽然这种可能性非常小。
我个人目前特别感兴趣的是inflation中的trans-Planckian效应，如果在CMB功率谱中能够看到量子引力效应当然是非常令人兴奋的，因为这样我们就不必等到人类文明能够达到Planck能量了。
除了inflation，宇宙学中还有其他潜在的体现量子引力效应的观测和实验吗？
4. 粒子物理的参数哪些是理论决定的，哪些不是？
这个问题比较大，但我觉得比问所有相互作用到底有没有一个统一的能标来的容易一点。最近，Tegmark和Wilczek等人研究了粒子物理常数和宇宙学参数和微观物理限制以及选择效应的关系：
Dimensionless constants, cosmology and other dark matters
有没有可能从量子引力的model independent的角度研究哪些常数是随机的，哪些不是？当然，最终的决定还是实验。不过，理论家的责任就是告诉实验家们什么样的实验和这个问题有关，所以我们有必要认真梳理一下。我强调model independence 很重要，我不相信那种从具体的，有时非常hand-waving的模型出发而得出的任何结论。
5. 粒子物理中有超出标准模型的任何物理吗？
当然，中微子质量不算。
LHC可能给我们带来意想不到的东西，如果这样，我们就没有必要坐在这里，象Lee Smolin那样悲叹过去几十年高能物理+引力理论没有任何实质性的进展了。
以上的五个问题还是太大了，不是我说的补锅性的工作，但确实是我非常想知道答案的五个问题。
附录：
1. Lubos’s list of Top twelve results of string theory
2. Warren Siegel’s Top 10 String Theory Questions
3. Sabine Hossenfelder’s Top Ten
5. John Baez’s Open Questions in Physics
因为Lee Smolin五个问题中的第二个问题最可能引起争议，我建议有兴趣的人看一下Meimin的第三个问题。Meimin对量子力学的解释有独到的理解，还写过相关的科普，所以我觉得他对这个问题的表述很有意思，可以看出他的观点是量子力学没有问题，和Smolin相反。我觉得哲学倾向比较强烈的人通常认为量子力学有问题，Lee的哲学倾向向来很强。我在跟帖中提到Feynman的名言: shut up and calculate，这也是我对这个问题的态度。好了，看一看Meimin的第三个问题的表述：
3. Are fundamental theories still based on superpositions of states that evolve unitarily, or have the basic principles of quantum mechanics been replaced? If quantum mechanics has survived, have people reached a consensus on the solution to the interpretive problems, or have they simply ceased to view them as problems needing a solution? If quantum mechanics has not survived, has the theory that replaced it clarified these puzzles, or do people find it equally or even more mysterious?
我们看到，Meimin强调了量子力学的最重要的特点，就是线性叠加原理和么正演化。么正演化与时间相关，如果时间概念被取代了，也许就不那么基本了，所以线性叠加原理最基本。
2007年10月18日 13:55:57
李老师，看了好长时间，第一次留言，想说说我心里的迷题。
我的疑问其实很多，但是最想知道的是：宇宙结构是什么样的？？？
我的设想是，宇宙的微观纬度结构就像奥运鸟巢一样，而各种粒子依据自身结构和宇宙纬度结构的关系运动，所有的问题都可以从他们的结构关系给出。而光子作为一种非常特殊的粒子，也许仅仅是因为它的结构和宇宙的纬度结构关系特殊。
我没有任何依据，只是觉得这样最简单。。。
2007年10月18日 15:05:54
陨落的流星：
欢迎发言。
宇宙和你的想象完全不一样。
2007年10月19日 19:45:48
嗬嗬，我也是异想天开罢了，只是觉得这样简单。
我看过一点弦论的文章，看不懂，需要很扎实的数学基础，可惜我们学校本科的数学课程设置太差，自己又没有看多少，而且我讨厌复杂的计算，如果宇宙真的是那样，那我绝对不学物理了。。。呵呵，可能这种性格只适合做个民科。
谢谢您的回复，不打扰您了，我会继续关注您的博客和物理前沿问题的，祝好。
2007年11月23日 23:03:07
刚读完Don Lincoln的Understanding the Universe，颇有收获。
书中提到The Large Hadron Collider将于2007年运转；现已到年底，不知有无进展。迄今为止，实验证实了中微子有质量了吗?李老师能否介绍一下最新的实验进展？
2007年11月30日 21:20:49
也许像文中所说的。但我有些许不同的想法，我觉得量子力学需要一个基本原理来解释，即使它有用。即使是最有潜力同一物理的弦论也需要一个原理，只是他还未被理解和发现。或许，量子引力中蕴含着这种原理，我猜测。
2007年12月8日 19:54:23
睁开你的双眼,,,你说看到的这片世界你可曾想过其下面还隐盖着另一个世界呢,,,,据我的多次观察,,,其实人眼平常看到的只是右眼的全部范围和左眼的部分,,而两眼交叉的部分则被右眼占据,,,假如你拿一个圆光圈,,透过这光圈去看一个目标的时候,,先确定好他的位置,,,然后闭上右眼用左眼看.你会发现他的位置转移了,,,而如果只睁开右眼开那目标确定好位置,,然后再睁开眼睛,,你会发现他并没多大位置变化,,而左眼则有很大的变化.再接把你双眼睁开着透过圆圈直视目标点,,你会发现从那目标中又移出个光圈来,,,,有人说那是眼花但我却不觉得,,我觉得人的眼睛应该是在受神经所控制,,,,固人看到的往往都为右眼内容,,而左眼的则被过滤了，,,而人在神经失去知觉的时候左眼的内容就又被传达到了,,,固喝完酒就会出现眼花的现象,,我想这才是真正人看到的世界,,,是两个的…
不知有谁同意我的愿意的加我QQ136287771
2007年12月14日 23:07:45
李老师：
您说”现在我觉得暗能量才是量子引力的黑体辐射问题。”我认为暗能量根本就不存在，问题自然就解决了。
我认为宇宙膨胀是人们对红移的错误解释得出的错误结果，更谈不上加速膨胀的问题，于是暗能量就自然不存在了。
关于上述问题，请在中国知网上找《星光谱线红移的一种可能机制》一文。此文未明确表明上述观点是由于为了便于发表之故，但在引言中已隐含了此观点。
2007年12月14日 23:47:59
民科：
你去说服美国那些做实验的人吧，所有的实验，不仅是超新星的Hubble图，至少有五种发以上。
还有其他的实验组。
2007年12月15日 0:15:43
李老师：
我的星等-红移关系对红移大至6.6时都与天文观测结果符合的很好。我觉得这不会是一个偶然的巧合。
2008年1月16日 15:46:43
推荐序
陈从龙同志是安徽省宿州市人，他的多项发明创造获得了国家专利。他潜心研究了“各星球之间的吸引与离心原理”。本文有独到见解，或与经典理论“背道而驰”。
现推荐于后，盼请诸位老师指教。
安徽省宿城一中理科组 高级教师 潘经武
电话：0557—3915182（办）
地址：宿州市浍水西路35号
邮编：234000
2008年1月8日
解析原子内部构造和天体各星球
之间的吸引与离心原理
安徽省宿州市 陈从龙
大自然的一切神秘现象都是自然现象，只是未找到答案。
近几十年来，人们发现了原子内部存在质子、中子、电子等粒子，如果原子内还有其他粒子发现，其原子内部和粒子内外部仍存在环形钝三角真空间通道，其真空间通道充满了天体各大小星球，所有的环形钝三角真空间通道都大于电子、光子，小于核子、中子以及各种混合气体的粒子等。由于天体各大小星球内部的物质、分子、原子、粒子，都存在真空间，因此粒子本身，受真空间吸引而和另一个粒子紧密的结合在一起。在太阳系中，太阳的球体最大，真空间最多，其吸引力最大，当迷游行星闯入太阳外围真空时，被太阳内部的真空间吸引住。当迷游行星快速向太空逃逸时，瞬间产生了离心力和太阳强大的吸引力，因此离心力与吸引力在两星球之间保持一定的平衡距离，既不能被太阳吸引去，但也逃脱不了，因而人类居住的地球也和其他的行星一样，只能沿着太阳的轨道自转和公转。而月亮围绕地球转同样是一个道理，它在太空迷游时成了地球的俘虏，它只能在地球的真空间的吸引下，年复一年地围绕地球运转。在宇宙中各大小星球之间，他们同太阳与地球、地球与月亮是同样的原理，同样的产生吸引力与离心力，根据各星球体大小，及吸引力的强弱，和所处在太空间的位置，对号入座固定在太空中的某一位置上，或围绕某个恒星运转，有规律的排列在天体上。
如果太空中的各大小星球体不存在环形钝三角真空间，其各大小星球提就不存在吸引力和离心力，星球的表层不会有气体的存在，宇宙中更不会有人类和其他生命的存在，那时候太空中的各大小星球体只能在太空中漂移碰撞，使宇宙形成一个暗无天日的混沌宇宙。
环形钝三角真空间通道可通过粒子的结合示意图解释：
当一个H粒子与另一个O 2粒子结合时，其两粒子的接头处四围形成一个环形钝三角真空间通道，其真空间通道大于电子、光子，小于核子、中子以及各种混合气体粒子，其粒子不论是两个或两个以上的结合，他们都会形成真空间通道。而我们可想而知，一个庞大的太阳球体能有多少这样的环形真空间，我们难以用数字计算出来，对于太阳球体的真空间有多大的吸引力，我们更是无法计算。因此万种物体不论从什么角落落地，都是在最大厚度的地心真空吸引的结果。
1
2
3
4
注：1、H 2、电子 3、环形真空间 4、O 2
2008年4月14日 22:23:32
权当请教：
1.世界的本质是物质的，这种物质就是能量；力是表观的，场是能量作用的形式；场在本质上是统一的。
2.维数与能量是量子化正相关；我们所处的宇宙与其他是平行的，这是由维数决定的；维数的量子化破灭或衰减形成了我们现在的宇宙；光速是我们所在宇宙的基本速度，高维数宇宙基本速度大于光速。
2008年5月9日 15:04:23
请教李老师:
你认为将量子理论和广义相对论结合成一个自然界的完整理论的过程中
有必要重新解释”以太”这个慨念吗? 我想,也许在结合成完整理论的过程中有
必要重新解释一些我们现在认为毫无问题的事实并放弃一些基本的认识逻辑.
如果结合这个完整理论的结合机制最后会不会象基因技术中的一些动物基因
与植物基因的结合? 非常感谢!
2008年5月9日 15:07:12
呆菜鸟：
我不知道应该如何回答你的问题。
2008年5月10日 11:29:32
我的表述太粗糙了.占用了你宝贵的时间.sorry! 李老师.
2008年6月12日 10:51:16
博主不得不回答很多非物理的问题
替他感到费劲
2008年6月21日 19:08:47
或许为了荣誉,或许为了地位,亦或许为了金钱,人们可以制造很多荒唐的逻辑!但奇怪的是,数学完全错误的理论物理,结果居然与实验数据相符合!
2008年6月21日 21:09:15
rdchen:
这有什么大惊小怪的，还有统治地位长达1000多年的错误理论的。那就是地心说。见这里
此理论也与实验数据相符合。
2008年6月23日 22:37:44
第6个问题:
如何解释
四中子
2008年6月25日 4:42:41
由于所处‘知识’背景不一，在理论物理方面，各人有各人的几大问题。
从前面反映的，和社会上反映的问题归纳来看，有如下几大问题，是理论物理学家们难以回避、又是必须回答的、物质世界最根本的问题：
1、物质世界最基本、最普遍的结构形态是什么？
2、宇宙物质世界的最基本、最普遍的架构是什么？
3、物质世界最基本、最普遍的基础是什么？
4、物质世界最基本、最普遍的运动形式是什么？
5、物质世界最基本、最普遍的演化规律是什么？
6、地球，作为无数物质天体之一、人类赖以生存的家园，是怎样演化来的？将如何演化下去？
这几个根本问题得到解决，其他问题就比较好解决了。
2008年6月25日 9:21:15
第一个问题曾经有的答案是：“粒子(实物)和场，是物质客观存在的两种基本形式”。此答案似乎答对了。但象一堵‘墙’。挡住了‘物质规律’的深入探索。
第二个问题，机械论者依据观测到的表象作出的答案是：宇宙是许多宇宙岛式的‘星系’的集合体。
第三个问题没有固定答案。一曰‘时空’、‘时空大暴炸’；一曰‘量子’；一曰‘弦’、‘膜’、‘果壳’……莫衷一是。还有不确定的各种“基本粒子”。
第四个问题，未正式提出，涉及的边缘性答案有：‘恒星有自行’。
第五个问题很重要，至今仍未能提出。
第六个问题更重要，是今年由美国科学界提出来的第一个要解决的难题。机械论者依据所谓“星云学说”认为地球由宇宙尘集合而成。这个说法，也象一堵‘墙’一样，堵住了地球演化规律的深入研究。
然而问题总是要面对，总是要解决的。
首先是理论物理学的使命、任务和责任。应该责无旁贷。