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。
2009年7月2日 5:43:40
诗兴千里 音问其先
承蒙『博主哥哥』厚爱 品红受宠若惊喜过望 啊！
此诗尚未完成。
投迹高轨 弗能怀愧！
2009年7月3日 10:23:25
当今世界上关于物质结构和相互作用的主流理论有量子场理论、规范场理论、标准模型理论和弦理论，这些理论从不同的角度研究物质结构和相互作用问题，取得过一定成功，但是理论的进一步发展都遇到了困难，近些年的进展并不顺利。如同大部分科学理论一样，这些理论中都含有很多假设，假设对一定时期的理论发展起到重要作用。问题是如果大自然不领会人类的美好设想，大自然的本来面目并不是那么回事，理论的根基就会动摇，人们在这些假设的基础上试图完成理论大厦的建设，年复一年的努力并不会结出期望的果实。
量子场理论、规范场理论和标准模型理论在相互作用方面的假设是任何相互作用都存在某种传递作用的粒子，理论认为场具有本体性，实际上是用相互作用解释相互作用，理论在本质上是认同超距作用的。但是这些传递作用的粒子为什么能以一定的形式存在，它们又为什么能够传递作用呢？在大自然的眼中，没有近距离物质作基础的超距作用能存在吗？物质之间这种有序的相互作用形式（弹性、引力和电性）真的是永恒的吗？
量子场理论、规范场理论和标准模型理论在物质结构方面的假设是任何“粒子”都由更小的新粒子组成，或者由其他粒子（包括光子）转化而成，理论本质上是用粒子解释粒子。理论认为组成质子的粒子是若干不同的“夸克”，每个夸克具有1/3或者2/3的电量，但是大自然真能学会如此精细地切割电量的技巧吗？真能按人类设计的模子制造出这么多种类的“粒子”吗？物质结构的有序形式（粒子性）真的是永恒的吗？
弦理论，本来已经正确地引入振动概念作为“粒子”的存在形式，作者正是在弦理论的启发下才提出量子波概念和物质基本结构理论的。但是弦理论将弦继续视为粒子一样的可以独立存在的、有边界的、可以自身振动的东西，为了使理论完整，不得不假设一种“普朗克尺度”的、“能量”极大的、“最基本”的弦。但是引起弦自身振动的机制是什么呢？弦为什么能以一定的形式存在？弦与弦之间为什么存在相互作用和传递相互作用呢？大自然真能创造出这种不需要“媒质”的自身独立存在的振动弦吗？
这些理论都正确地否定了无结构的原子论，正确地反对了僵化的“物质实体”观，但是并不去寻找一种不僵化的物质实体形式，而是又走到了“物质结构无限层次”和“物质有序结构形式永恒”的胡同中。这些理论不去探索究竟什么是能量，什么是质量问题，而是将“能量”“质量”视为物质天生的固有特性，强加给场或者粒子。无论是历史上的机械以太场，还是现代的“场量子化”“场激发态”，理论的基本概念中“场”与“粒子”是截然区分的，理论长期处在波动性与粒子性、连续性与间断性、定域性与非定域性、实在性与概率性、对称性和破缺性、无穷大与重整化的矛盾中，而不去寻找场与粒子的同一性，不去从物质普遍联系的统一性角度对有序的定形的事物如何产生的问题进行探索，不去从基础层面研究和解释各种矛盾现象。
对于高能强子对撞机的实验成果人们也提出了过高的期望，高能强子对撞机的实验必将对量子物理的发展产生重大作用，但是它并不一定能够找到质子更不用说电子内部的组成“粒子”，即使人们找到了质子、电子的组成粒子，那么这些新粒子又由什么组成呢？难道人类探索物质结构的科学史就永远是这样一层一层地剖析物质结构，而不去寻找产生有序的物质结构形式的根本原因吗？
在物质结构和相互作用理论研究中必须实现观念的根本性创新，现行理论的研究模式必须进行彻底的调整，否则将会如同已经过去的若干年一样，要想取得进一步的成功几乎是不可能的。人们在成功的边缘徘徊时间太久了，把简单的问题复杂化，运用了太多的数学手段，问题变得更高级、更玄妙，但是并没有更接近成功的目标，思维的定式妨碍了人们的认识飞跃，以致复盖在“物质之谜”上的一层薄薄的面纱始终未能揭开。影响现行理论发展的思维定式的是什么呢？一是不承认物质形式具有普遍的同一性，思维在总体上缺乏寻求突破的动力；二是根据经验认为粒子必然是一种独立存在的、有边界的物质，思维在横向跨不出既定的框架； 三是没有找到一种不僵化的物质实体形式，思维在纵向深入不下去，无法假设一种没有弹性、引力、电性和粒子性的，无序的、不定形的物质形态，无法为物质有序的定形的运动状态找到一种本原性的基础。
本人的《物质究竟是什么？》一书提出了很多新的观点，系统地提出了物质基本结构理论，其目的就是希望为物质结构和相互作用的理论研究开辟一条新路子。物质基本结构理论并不是仅仅提出一些空洞的理念和抽象的物理概念，而是具有很强的定量性和可计算性，力求理论能解释现有的科学实验事实，力求理论体系自身的逻辑性。物质基本结构理论没有使用太高深的数学模型和物理模型，这是因为作者认为研究物质由无序的、不定形的结构形式发展为有序的、定形的量子形式，是一种简单的、初级的物理现象，完全用不上高深的数学工具。作者认为如果《物质究竟是什么？》一书中的主要观点被实践证明是正确的，将对现代物理的基础理论研究、量子物理的应用研究产生重大影响，对哲学基本问题的研究也将产生促进作用。在物质基本结构理论的架构内，取得某些方面的突破性进展的可能性是很大的。
请李大师对本人指教.
2009年7月4日 13:51:20
观千劍而后识器,操千曲而后知音.
2009年7月19日 14:43:15
看到博主李淼老师并未对某些帖子进行回复。我想，可能的原因有：1. 李淼老师并不能确认某理论是正确的，或者还来不及对某理论进行全面的考察，因此不愿冒然评论。2.李淼老师已经确认某理论是靠不住的，但不想置评，以免引起不必要的争吵。
本人是174楼的那位。本人知道没资格在这里讨论，但确实也想谈谈自己的看法（只谈观点，不求答复）。最近在百忙之余抽空搜索了“涡旋力”文章，但有种感觉，此理论并未得到普遍的承认。我猜有可能理论存在某个严重的问题吧，或者是理论问世时间太短？我还有一个疑问是：涡旋力是已有的理论的一种推论呢？拟或是一种全新的理论？它适用范围是怎样的（只适用于宏观？只适用于微观？或者普遍适用）？看了皮可慰的帖子，我越发觉得物理学基础问题深不见底，像我这样的恐怕永远失去了探究的机会（基本的学习时间都难以保障，更不用说别的了）。
2009年7月22日 22:30:54
Dear All,
Spinity can be derived from general relativity.Please see L. Landau’s textbook “The classical theory of fields”. He used an example to derive spinity(vortex force). The formula is
F=(2G/c^2)JmW/r^2 (G=gravity constant;c=lightspeed; J=angular momentum of central spin body; m=mass of orbiting smaller object, W=relative angular velocity between central spin body and peripheral orbiting smaller object)
It is completely theretically correct!
2009年7月24日 16:34:23
感谢wanchung的澄清。虽然我能猜到spinity是什么意思，但网上的英汉词典却没有这个词。信息时代，词典却跟不上啊。我搜索到wanchung的技术文章，知道是spin + ity。我在大学学的是数学，毕业后到处乱撞，一晃二十多年过去了。我不想到头来“空悲切”，所以我想做点有意义的事情，即便我不行，我也希望能对（教育）我的孩子有所帮助。这么多年来我并非完全闲着，而是在忙着其他事情，也很有意义，只不过不是物理罢了。我不知道像我这样的人究竟还有没有，我希望有，这样，我就有同病相怜的人了，同时我的立场、我的观点、我的要求对他也可能有帮助。像我这样一个圈外的人，处在圈内的人一般不愿搭理的，因为没有时间（因此非常佩服wanchung的答复，而且是扫盲式的答复，费心了）。我也曾是某一小小领域的圈内的人，所以我能理解。以上这些啰嗦的话是想讲给同病相怜的人，希望得到共鸣的。下面我要讲一个很重要的问题，希望能够引起圈内人的重视。就是网络时代，我整天可以上网，却为得到一本书而大伤脑筋。说实在话，书的价钱不成问题，但必须通过购买这个漫长的渠道，实在不符合网络时代的节奏，而且有些书还真买不到。各位前贤能否把自己的知识完全无私地贡献出来，放在网上，放在博客上，让全世界所有的人都可以随时浏览？那些版权、那些繁杂的出版过程，实在是阻碍知识的传播。淡泊名利，抛弃那些陈旧的东西吧，前贤们。
2009年8月16日 12:58:28
Dear all,
I think I have answered Smolin’s five puzzles. Please read my book!
2009年8月18日 6:11:22
感谢李大师的专著让我收获巨大，
也感谢李大师提供一方宝地，能有机会在此谈论自己的粗浅认识。
本人关于物质基本结构理论的主要观点在李大师的专栏：
http://limiao.net/1309中有详细阐述。敬请各位“兴趣者”
评击、斧正。
2009年8月22日 21:18:13
弦理论中的弦，描述的是某种“东西”如同弦一样在振动，
这样理论就面临对这个“东西”的解释。
物质基本结构理论认为“以太结构”中有一种象弦一样的“波”，
这个波就是“东西”，这样理论就无需对这个“东西”进行特别
的解释。
2009年8月24日 11:26:47
我们探究自然科学规律，其实是宇宙的真理，实践是检验真理的唯一标准，在真理面前人人平等。欢迎各位对涡旋力提出批评。
2009年10月5日 18:26:43
随便逛逛~~
发现有些东西真是无孔不入，虽然对我这样一个只想了解下最新物理动态的菜鸟来说分辨出来也甚是容易，但是毕竟还是浪费时间…
各位创世奇才就不能给我们这些菜鸟留一点干净的地方么~！
可怜的人毕竟也是有可恨之处~！
佩服李老师的淡定~~~
2009年10月6日 13:38:23
请问您是4系交叉学科中心的李老师吗？
听说您跑北京去了……
2009年11月12日 18:31:21
萬有熾力即暗能量 即為光壓(輻射壓) 敝人並依此假設導出了哈柏定律 証明我的理論正確 而地震實為地球內部的輻射急速釋放 輻射作用在地殼產生地震 板塊運動理論是錯的 這理論非常重要 可以導致正確的地震預測 救人無數
2009年12月5日 14:52:30
这些 问题 俺 已经 基本全部解决了。
就是 中国那么 大，没有 我堂皇 发表的 一块地！！！ 呵呵，别吐！
http://www.tianya.cn/techforum/content/877/9.shtml
2009年12月19日 15:06:09
重要信息 大家注意： 终极理论 中国人已经搞出来
请收索：终极理论发布
2010年2月5日 22:38:48
Lee Smolin的5个问题看样子是5个问题，不过似乎都是同一个答案吧？
2010年2月15日 21:56:25
李淼老师新年好！从贵博客中读悉，先生对荷兰的Verlinde教授提出引力不是基本力，而是一种熵力的观点情有独钟！引力是熵力这个观点我不赞同，倒是倾向于引力是一种特殊的电磁场量子态的理论模式—
这个模式认为：正如振动的电磁场是量子化那样，振动的引力场也应是显示量子化的途径。这种思路直接引导一个问题的提出—
问：简谐振子周围的引力场能量与频率成正比关系还是反比关系？
我的回答是反比关系！并认为，与相对静止或低频简谐振子质量对应的引力场能量确立后，其能量大小是随振动频率增大而量子化减小的—
依我的浅见是，这个问题是涉足研究量子引力理论课题的理论物理学家们所必须回答的问题！
在经典速度区域质量是一个恒量，因而经典范围内的质点简谐振动，与质量对应的引力场能量随频率相应的变化，可能变化并反映在能流密度值上。
希望李老师能分析一下此问题，期待您的解惑为盼！
此敬—
2010年2月15日 22:16:35
拜建军：
以后再和你讨论，今夜依然是文青之夜。
2010年2月28日 21:58:33
不好意思哦 我想麻烦您帮我一个问题 两个电荷不管同性异性 怎么会静止呢？不会吧 说是静止场的动量就不变 力就均等。我不很理解~谢谢您~
2010年3月10日 15:13:54
筆者上一本書「萬有旋力及萬有熾力」得到了一些不小的迴響，於是作者決定再接再厲，出了一本「電荷相對論及萬有理論」。由於牛頓的萬有引力公式隱含了重力是超距力與狹義相對論的精神(速度上限是光速)相抵觸，因此愛因斯坦提出了廣義相對論。廣義相對論表示質量會造成時空彎曲，乃是重力的由來，各種實驗結果都証明廣義相對論是正確成功的理論。但是，電荷與時空的關係卻一直為人所忽略，而庫侖靜電及靜磁定律，一樣表示電磁力是超距力，一樣與狹義相對論相抵觸。敝人幾經思索，終於提出了電荷相對論。電荷會造成四維時空的渦漩結構，為一扭轉張量(torsion tensor)，因此產生了電磁力。而正電荷與負電荷產生的渦漩剛好序向相反，因此可互相吸引。但是兩個正電荷或兩個負電荷因為有相同方向的時空渦漩，因此產生排斥力。電荷相對論的提出可說明為何銀河系是渦漩形的，解決了暗物質問題。
而把廣義相對論，電荷相對論及萬有熾力的壓力張量合在一起就可以得到一組統一的時空方程式，為一完整的統一場論，解決了愛因斯坦晚年的夢想。透過這組時空方程式加上標準模型，就可以建構一個萬有理論。敝人認電荷與質量都是由光子互相對撞而產生，光的頻率轉變成質量而光的振幅轉變成電荷，一個完整的萬有理論就此成形。三分天下，且看今朝，敝人留學時遭到種族歧視的對待，但誰說亞洲人、台灣人、華人就不能研究科學?敝人由衷感謝出版社的大力幫忙促成本書出版，更希望能拋磚引玉，希望各界先進不吝賜教，謝謝!