物理界的10大難題，解決任何一個都足以獲得諾貝爾獎！

2000年7月，一批物理學家聚集在美國聖巴巴拉加州大學，在弦理論學術會議結束後，以「千年瘋狂」為主題，挑選出在新的千年中需要思考的物理難題。聖巴巴拉加州大學理論物理研究所所長格羅斯教授將其歸納整理為10大頂級難題。解決這些問題並不會被頒發任何獎金，但解決任何一個問題都足以獲得諾貝爾獎。

1、表達物理世界特徵的所有(可測量的)無量綱參數原則上是否都可以推算？或者是否存在一些僅取決於歷史或量子力學偶發事件的無法推算的參數？

這個問題用愛因斯坦的話來描述更為直觀：「上帝在創造宇宙時是否經過精心的設計？當他按下大爆炸的按鈕前，是否曾思考：『我該把光速設定在多少？我該把電子的電荷定為多少？』上帝是匆忙地抓幾個數字來確定這些常量？還是這些常量必須如此，它們之間有著某種深奧的邏輯關係？」

2、量子引力如何幫助解釋宇宙起源？

目前物理學的兩大理論是量子力學和廣義相對論。前者用於描述微觀粒子，後者是有關引力的理論，但它們有著深刻的矛盾。長久以來物理學家都希望把二者合而為一，得到一種統一理論——量子引力論。目前看來，最有希望的是超弦理論。

3、質子壽命有多長？如何理解？

人們曾經認為質子是不可以分解為更小的粒子的，但是在70年代，物理學家認識到，他們提出的「大統一理論」暗示質子必須是不穩定的。只要時間足夠長，在極偶然的情況下質子會分解。多年來，實驗人員一直在地下實驗室中觀察，等待著質子的「死去」。但至今質子的死亡率一直為零，這意味著要麼質子非常穩定，要麼它的壽命非常長——至少在10億億億年以上。

4、自然界是超對稱的嗎？若是，則超對稱是如何破滅的？

「大統一理論」指出：構成我們常見物質的粒子如質子、電子，與傳遞作用力的粒子——玻色子，會存在一種稱作「超對稱」的關係。但目前仍未在宇宙中觀測到這種對稱性。如果理論是正確的，宇宙就是超對稱的，那麼就必須解釋我們現在為什麼觀測不到這種對稱性。

5、為什麼宇宙表現為一個時間維度和三個空間維度？

眾所周知，我們生活在一個三維空間加一維時間的世界裡。但是超弦理論指出，宇宙還有另外的6個維度，每一維都呈捲曲狀態，十分微小，無法察覺。如果超弦理論是正確的，那科學家就要解釋為什麼只有三個維度能夠伸展開來而被我們察覺。

6、為什麼宇宙常數有其自身數值？是否為零或恆定？

宇宙在加速膨脹，科學家用宇宙常數來描述這種加速。根據計算，這個常數應該很大，宇宙應當以跳躍性的速度加速膨脹。但觀測事實並非如此，宇宙的膨脹速度並沒有計算出的速度快，肯定有某種機制在抑制這種作用。

7、M理論的基本自由度是多少？該理論是否真實地描述了自然？

M理論包含5種相容的超弦理論。在M理論中，所有亞原子被解釋成由微小的超弦組成。另外M理論給組成亞原子的物質增加了一種稱作「膜」的更為神秘的物質，它最多有9個維度。那麼弦和膜哪一種是更基本的物質？它們是否真實存在？還是說M理論只是人類發明的一個大腦遊戲？

8、黑洞信息悖論的解決方法是什麼？

根據量子力學，信息是不會從宇宙中消失的。但是根據霍金的計算，黑洞輻射中並不包括任何黑洞內部的信息。一旦黑洞蒸發殆盡，黑洞內部的信息便會隨著黑洞的消失而消失，這與量子力學相矛盾。

9、何種物理學能夠解釋基本粒子的引力與基本粒子的典型質量之間的巨大差距？

換句話說，為什麼粒子的引力會比其他作用力（如電磁力）弱的多？一塊磁鐵能夠吸起一個回形針，儘管整個地球的引力都在把它往下拉。

根據最近的一種說法，引力實際上要大得多，它只是看上去比較小，因為大部分的引力陷入了一個額外的維度之中。如果我們可以俘獲全部引力，也許有可能造出一個微型黑洞。

10、我們能否定量地理解量子色動力學中的夸克和膠子約束以及質量差距的存在?

量子色動力學( QCD)是描述強核子力的理論。這種力由膠子攜帶，它把夸克結合成質子和中子這樣的粒子。根據量子色動力學理論，這些微小的亞粒子永遠受到約束。你無法把一個夸克從質子中分離出來，因為距離越遠，這種強作用力就越大，從而迅速地把它們拉回原位。

但物理學家還沒有最終證明夸克和膠子永遠 不能逃脫約束。他們也不能解釋為什麼所有能感受強作用力的粒子必須至少有一丁點兒的質量，為什麼它們的質量不能為零。一些人希望 M理論能提供答案，這一理論也許還能進一步闡明重力的本質。