这篇文章是十几年前收集整理的相关资料，这几天网络上大量关于杨振宁百岁生日的资讯。
不免想起了当年沉浸在深邃的理论物理的往事。
当年所学的知识早已淡忘，但是一想到宇宙、生命等大量没被破解的奥秘，还是充满好奇，甚至莫名的激动。
宇宙的起源第一个问题是关于宇宙的起源。这是一个长期存在的问题，不仅针对科学，而且针对哲学和宗教。
现在这是理论物理学和宇宙学的一个迫切问题：“宇宙是如何开始的？”
根据目前的观察，我们知道宇宙正在膨胀。
所以如果沿着时间回去，宇宙则是收缩。
如果我们应用爱因斯坦的方程和我们的粒子物理学知识，
我们或多或少可以推断出接近“初始奇点”发生的地方——宇宙收缩到一个令人难以置信的高密度和能量状态——一种通常被称为“大爆炸”的状态”。
我们不知道大爆炸发生了什么，相反，我们所有已知的基础物理学方法——不仅是广义相对论和标准模型，而且据我们所知，弦理论也是如此——都无法解释。
要了解宇宙是如何开始的，我们需要知道大爆炸是什么。
宇宙学家在宇宙微波背景 (CMB) 中观察了在大爆炸附近发生的量子涨落的印记。这些波动就是宇宙大尺度结构的起源。
因此，宇宙学和天体物理学必须了解大爆炸真正发生了什么。
有没有办法直接观察接近大爆炸的物理？
我们可以推多远？使用普通辐射，我们可以将时间推回到大爆炸之后的大约 10 万年，但不能更早。我们是否可以开发使用引力辐射或CMB信号的观测和理论方法，将观测一直推回到大爆炸。
理论呢？我们真的能说出宇宙开始时发生了什么吗？弦理论在消除广义相对论中出现的奇点方面非常成功。
但是弦理论可以处理的奇点并不是发生在大爆炸中的奇点。
它们是与时间无关的静态奇点。
弦论能否抹平初始奇点并告诉我们宇宙是如何开始的，宇宙的初始条件是什么，或者宇宙的初始波函数是什么？有人推测，真的根本没有开始，而是宇宙很大，然后坍塌，然后又膨胀。
有些人提倡循环宇宙。如弦理论所暗示的那样，时间本身更有可能是一个涌现的概念。因此，要回答诸如“宇宙是如何开始的？”之类的问题。和“时间是如何开始的？”我们需要像物理学中经常发生的那样，重新表述问题或改变问题。然后可能更容易回答。
无论如何，上述问题显然将指导暴胀宇宙学和弦论宇宙学未来几年的大量研究。
宇宙
暗物质第二个问题与我们在过去几年中发现的暗物质的性质有关。
看来，宇宙中的大部分物质并不是由构成我们的粒子组成，而是某种我们无法直接看到的新物质。
这种“暗物质”不辐射，可能与普通粒子和辐射的相互作用非常微弱。
我们只知道它在那里是因为它的引力。
我们可以通过观察星系边缘普通物质的轨道来测量它的质量。
结果是宇宙的 25% 由暗物质组成，而不是质子、中子、夸克或电子。
构成我们的普通重子物质目前仅占宇宙质量或能量密度的 3-4%。
那么什么是暗物质？
我们可以在实验室直接观察吗？
它如何与普通物质相互作用？
普遍的假设是暗物质由弱相互作用的大质量粒子组成。
粒子物理学家构建了许多超出粒子物理学标准模型的推测模型，这些模型通常包含许多候选粒子，它们可能构成暗物质。
我最喜欢的候选者是“neutralino”，它是标准模型超对称扩展中最轻的中性粒子，是暗物质的完美候选者。
但它可能由“轴子”组成，这是另一种为解决强 CP 问题而发明的推测粒子，或者其他东西。
然后是观测问题，我们能否在实验室中制造和探测暗物质。我们能否直接探测到渗透并包围星系的暗物质？暗物质在宇宙中是如何分布的？
关于星系的结构和形成，暗物质告诉我们什么？
在当前星系形成和分布的模型中，暗物质起着至关重要的作用。
它是先坍缩，然后普通物质出现并坍缩成暗物质团块的物质。
我们对星系是如何形成的并没有足够的定量细节了解，要做到这一点，我们真的需要了解暗物质的性质和特性。
暗物质
暗能量第三个问题与最近的发现有关，即宇宙中的大部分能量都以一种称为“暗能量”的新能量形式存在。
这种物质产生负压，使宇宙加速膨胀，天体物理学家通过观察这种加速，推断出当前宇宙70%的能量密度都以暗能量的形式存在。
这是过去几十年中最神秘、最令人惊讶的发现之一。
这是什么暗能量？
最简单的假设是它是常数，但它可能随时间变化，但是如何通过观察确定暗能量确实是一个常数或随时间变化？
关于暗能量的最简单假设是，它是“宇宙常数”，爱因斯坦将其引入他的方程以产生静态宇宙。但是后来人们意识到爱因斯坦的静态宇宙是不稳定的；
此外，宇宙不是静止的，它正在膨胀。
所以爱因斯坦抛弃了宇宙常数。他曾经说过是他最大的错误。
但现在测量表明，似乎存在一种不消失的负压能量，这看起来就像一个宇宙常数。
它真的是宇宙常数还是其他什么？
我们怎么知道呢？
令人惊奇的是，宇宙中的大部分能量都是真空能量，但除非你测量整个宇宙的膨胀，否则不可能“看到”它。
有没有另一种方法来检测暗能量？
恒星和行星的形成问题 4 与更实用的天体物理学问题有关：比星系、恒星和行星还小的物体的形成。
恒星形成有一个合理的理论，但它不是定量的，我们想把它定量化。
我们能真正了解恒星质量的范围吗？
形成了多少个双星？
最初，双星被认为是罕见的。
现在认为至少有一半的恒星是由双星形成的。我们可以计算双星的频率吗？
恒星是如何聚集的？
对这些问题重新产生兴趣的部分原因是新的观察可以追溯到宇宙中第一批恒星诞生的时代。第一批恒星是在与今天存在的条件不同的条件下产生的。
例如，没有金属，也没有比氦重的元素，天体物理学家称之为“金属”，因为所有比氦重的物质都是在恒星中产生的。最初的恒星只有氢和氦。
如果恒星形成理论足够好，那么天体物理学家就可以告诉我们最初形成的恒星的性质。但是，事实上，观察结果非常令人惊讶，并且与许多预期不符。
因此，关于恒星形成理论和测试这些想法的新方法，还有很多东西需要学习。
一个非常新的话题，只有大约十年的历史，是行星形成理论。
我们第一次可以直接观察太阳系外的行星。现在已经观察到数百颗行星，我们开始积累有关行星系统的真实数据。
这是非常有趣的科学。最有趣的事情之一是寻找太阳系外的生命。
所以我们问：宜居行星的概率是多少？
银河系中存在多少可以支持生命存在的行星？
我们能否开发技术来观察确定行星上是否有生命，也许是通过观察这些行星大气的光谱线？因此，行星理论和行星科学突然成为一个非常活跃的领域，主要由非常年轻的天体物理学家组成。
这是一个非常令人兴奋的研究领域。
广义相对论关于广义相对论（GR）、爱因斯坦的引力理论、宇宙学语言以及讨论宇宙大尺度结构的理论框架，有很多问题。
不少学者提出问题：我们目前对 广义相对论的理解在所有尺度上都是正确的吗？
在某些情况下，广义相对论已经通过非常令人信服的测试。
但是有两个地区我们根本没有测试过。一是短距离。
事实上，对于短于一毫米的距离，我们还没有真正测试过牛顿的引力理论。另一个区域是引力非常强的地方，强到引力严重扭曲时空流形，例如黑洞附近。
一个很好的问题是：我们能否使用观测来确定克尔度量是否正确描述了黑洞周围的几何形状？
当一个黑洞形成时，一旦知道黑洞的质量和自旋，它周围的空间和时间的几何形状就完全确定了。
现在相信宇宙中有许多黑洞。
事实上，似乎每个星系的中心都有一个巨大的黑洞。
天体物理学家和理论物理学家正试图弄清楚如何利用对落入黑洞的物质发出的辐射的观察来确定时空几何。
也许我们可以确定克尔度量是否正确描述了银河系中心黑洞外的时空。
量子力学现代物理学的另一个理论基础是量子力学 (QM)。
许多学者都对量子力学是否是对自然的最终描述提出了疑问。
一些人，例如 t'Hooft，认为在非常短的距离内量子力学应该无效，并认为它将被确定性理论取代。
Tony Leggett 担心量子力学是否会因大型复杂系统而失败。
原因是，所有学习量子力学的人都知道，当你开始考虑薛定谔的猫时，你会感到有点不舒服。有点难以理解猫是如何处于死与活叠加的状态。
也许量子力学无法描述猫；也许对于大型复杂系统量子力学失效。
实验者正在非常努力地解决这些问题。
为大型宏观复杂系统测试量子力学的尝试为实验物理学家提供了极大的刺激。
Roger Penrose 认为，尝试描述思想或具有意识的系统时，量子力学将失效。
Eugene Wigner也相信这一点。
我们如何使用量子力学来描述整个宇宙？
谈论宇宙的波函数是什么意思？
在当前的爆炸理论中，像Andrew Linde这样的人谈论宇宙不同部分的内部暴胀，它创造了一大堆宇宙，一个“多元宇宙”，不同的宇宙永远不能相互交流。
描述这样一个多元宇宙的量子力学意味着什么？
粒子物理学对于第 7 题，我们转向粒子物理学。
关于基本粒子物理学的标准模型、电弱相互作用理论和强相互作用理论，可以提出很多问题。标准模型是一个非常成功的理论，它与所有现有的实验一致。
但是它里面有很多谜团，还有很多悬而未决的问题，其中一些我们认为不容易回答。
标准模型最神秘的特征是质量和物质基本成分的混合，我们现在相信它们是夸克和轻子。
它们的质量谱非常奇怪。
顶夸克的质量是上夸克的十万倍。
夸克在各种相互作用下混合。
中微子甚至有一种奇怪的质量模式。
这个频谱是从哪里来的？
在标准模型中，甚至在标准模型的简单场论扩展中，这里真的没有好的想法。
标准模型还有许多其他功能同样神秘。
我们如何解释重子的起源？
重子数守恒吗？我们现在相信重子数是不守恒的，因为它没有理由应该守恒。
如果是这样，那么随着宇宙从大爆炸演化而来，就可以产生重子。
我们知道这可能发生以及宇宙重子不对称的产生方式。
但到目前为止，我们理论上还无法精确计算出宇宙中的重子数量。
我们也不知道质子能活多久。还有许多其他问题在标准模型中无法解决，需要更全面的理论。
超对称对于理论家和实验家来说，粒子物理学的首要问题是超对称性问题。
超对称是空间和时间的相对论对称性的一个奇妙的新延伸。
如果这是真的，那就意味着时空存在额外的量子维度。
超对称理论是在超空间中制定的，该空间具有额外的费米子维数，
这些维数是用anti-commuting测量的。
超对称理论在量子维度旋转到普通时空维度下是对称的，对于迄今为止看到的每个粒子，都应该存在相应的超对称对外象。
从强、弱和电磁理论外推到非常高的能量中产生的超对称性的一个非常有力的线索。
根据目前的观察，可以非常精确地测量这些力，以及我们非常成功和精确的理论工具，我们可以将标准模型的力外推到非常高的能量。
使用这些工具，我们发现所有的力都以接近重力变强的能量统一。
但是这种统一只有在我们假设该理论是超对称的并且超对称性在 TeV 质量尺度上自发打破时才有效。
如果我们发现超对称性，那么新物理学将有几十年的时间，试图了解超对称性是如何被打破的，并测量超粒子的质谱。
有趣的问题是：如果我们测量超对称粒子的光谱和耦合，我们能否使用这些信息在统一尺度上更直接地处理物理学？
或在弦尺度？
量子色动力学最后，在标准模型中，有一个关于量子色动力学 (QCD) 的问题.
我们还不能在力很强的远距离进行分析计算。
这个方向的最大希望是构建强子和介子的双弦描述。
介子，夸克和反夸克的受限束缚态，看起来非常像通量管，在通量管的末端有夸克和反夸克，表现得像弦。
事实上，我们现在有很多证据，无论是在弦理论还是规范理论中，都存在这样一种双弦描述。如果想象颜色的数量 (NC) 不是 3 而是无穷大，那么我们确信有一个经典的字符串可以描述所有的介子。
如果我们能够精确地写出对偶弦理论的经典方程（人们正在努力寻找它），那么我们就可以希望经典地解决它，这可能不会太难。
然后我们可以分析计算 1/NC 展开式中首项强子的质谱。这是一个非常令人兴奋的目标，在过去几年中，在实现它方面取得了很多进展。
这个问题将指导多年来致力于非微扰 QCD 和弦理论的人们。
弦理论我现在转向弦理论——构建所有相互作用的统一理论的雄心勃勃的尝试。
这里的主要问题是：什么是弦理论？
我们真的不明白弦理论的核心是什么。
在我们无法真正表述的理论的某些角落中，我们拥有许多不同的描述或计算方法。这是一个真正奇怪的情况。
弦论的不同表述往往完全不同。最初，弦理论是从描述在 10 维时空中运动的弦的经典运动开始，然后对该系统进行量化而构建的。
但是现在，在某些时空背景下，我
们可以根据普通（超对称）规范论对弦论进行另一种描述，这与我们在标准模型中使用的杨-米尔斯理论相同。
我们有极其有力的证据表明，这些规范理论对可以被描述为弦在 5 维反德西特空间中运动的理论给出了数学上的等效描述，该空间是一个具有负宇宙学的空间。
我们有许多其他不同的弦理论对偶表示，但
我们不知道具有所有这些对偶描述的理论的本质是什么。
这种二元性的深刻教训并没有真正被吸收。
该理论有许多不同的表示，它们看起来如此不同，其中包含不同的基本动力对象，这一事实对我们通常的基本性概念以及我们的局域性概念构成了非常严重的威胁。
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