吕子东、徐仁达等编译
编者按：今年是世界物理年。几个世纪以来，物理学一直是自然科学的领头羊。20世纪初，相对论和量子理论诞生了，它们又做上了物理科学的排头兵。借助于现代科学理论，人工控制核能的伟大构想实现了，激光技术、微电子技术和电子信息技术、新兴的纳米技术及超导技术、空间探测技术和航天技术等一系列新技术革命，将人类文明和社会生产力的发展带进了一个全新的时代，20世纪的物理学给我们留下了辉煌的成就。
然而，在20世纪晚期，物理学家遇上了新的难题。诸如人们在暗物质、暗能量等问题上的无能为力，再从引力、空间等已往物理学现象中产生的新争议。
本文为编译者从新华社今年5月2日华盛顿电文，美国国家科学研究委员会给美国政府的报告《建立夸克与宇宙的联系：新世纪11大科学难题》和美国著名科学杂志《科学美国人》自今年2月以来对其内容所作的介绍编译而成。
难题之一：“暗物质”是什么？
宇宙中普遍存在着“暗物质”（目前未能科学证实的物质存在形式），有三点确认的证据：一是可观察宇宙具有确认的扁平体结构，这是宇宙背景辐射探测器和威尔金森各向异性探测器一致得到的观察结论。既然是扁平体的宇宙结构，就必然有相应的宇宙总质量密度。二是得到天文观察证明的星系或星系团的运动学质量值，这些我们已知的物质量，充其量只能满足这个扁平体结构所需要的总质量密度的4%。三是螺旋星系内部空间的运动学效应，例如要保持太阳目前在银河系中的运动速度（每秒220千米），如果需要太阳所在位置的质量为1个单位的话，太阳实际的质量只占2.6%，97.4%的质量真还不知道藏在什么地方。问题的严重性只需要用一句话就可以概括了；如果20世纪的科学理论只能让世人面对4%（或2.6%）可看得见的物理学天空（现有科学理论适用的范围），问题该有多么严重。
难题之二：“暗能量”是什么？
天文学家发现，在遥远的宇宙空间（约50亿光年），1α型超新星的红移值明显变大了。就是说宇宙在加速膨胀，宇宙膨胀不仅有大爆炸发生后的余力，还有一种根本不了解的反引力存在。按照20世纪的科学理论，就必须存在着一种普通的相互作用力保持着空间结构向外扩张，这就是科学界通常所称的“暗能量”。“暗能量”会是什么呢？我有位朋友持否定态度，他怀疑这些观察有失误或作秀的嫌疑，我向他提了两个问题：一是地球和月球之间，引力的大小与距离平方严格成反比，也就是说纽康系数为零；而行星之间或地日之间，还需要增加1个纽康系数，或者说有一部分引力被反引力抵消了，这是一种什么样的反引力？既然类地行星就有，地面实验室也应该有，我给他设计了一个实验：过冷中子的反引力表达在午夜（24：00）时有1个极大值，在正午（12：00）时有1个极小值，对超流体的多普勒测速也能得到相同的结论。这些实验，有条件的人都可以重复，这是实实在在的一种反引力，您能解开这个死结吗？这是过去任何一种理论都无法解析的。
难题三：“引力”是什么？
引力是人类最早认识的自然力。树上的苹果掉到牛顿的头上，太阳把行星捆在自己的周围，凡是有质量表达的物质都存在着吸引力，引力的大小与质量的乘积成正比，与作用距离的平方成反比。这一切都是由实验和研究证明的，引力统治着整个宏观世界。
自从天文学家证实有暗能量存在以后，这一切全都改变了。统治宇宙的不再是仅占4%可以看得见的物质之间的引力作用，而是一种称之为“暗能量”的反引力作用。于是人们重新审视了太阳和其邻居比邻星（4.28光年）的关系，发现太阳的经典引力范围仅有0.055光年（它包括最近发现的太阳系第10号行星），即相当于现在的太阳系边缘（柯伊伯峭壁）的70倍，也就是说97.4%的范围变成了反引力的表达，它和太阳在银河系中的质量表达相一致。同一个太阳，为什么有两种方向相反的引力和反引力的表达？问题的严重性就在于太阳的物理学天空是透明的，反引力（暗能量）能藏在什么地方呢？
后来，科学家在实验室里又发现了冷中子的反常表现。众所周知，中子有静止质量，和质子一起构成原子核，又和核外电子一起构成原子，构成分子。人们看到，不论何种分子构成的物质，等效原理总是成立，既然冷中子具有静止质量，理应遵循这条规则，然而实验却替冷中子作了“不”的回答。同一个中子，也有两种引力的表达。20世纪的引力理论显然对此无能为力。
难题之四：太阳中微子失踪案
这是30多年来（1968年至今）一直找不到答案的老问题，加上从1993年及1995年开始运行的水切连科夫探测器和镓探测器，长期对太阳中微子的测量证明，太阳中微子到达地球后确实有很大一部分失踪了。后来科学家又发现，就在大气圈上空产生的中微子，在运行过程中同样有很大一部分失踪了。如同幼儿园的阿姨找不到自己看管的孩子一样，科学家能不焦急吗？总得给一个说法，这就是大多数科学家都同意的“味震荡”假说。它是说，中微子有少许静质量，且质量本征态与弱作用本征态不简并，不同味道的中微子在运行中就允许发生“味震荡”，即电子型中微子在运行过程中变成了难以探测的其他“味道”的中微子，为了证明这一假说的可靠性，科学家又把测量的对象对准了人工源（反应堆）中微子，虽然各有说词，但问题的严重性也终于浮出了水面——“震荡假说”如果成立，就会同时存在5个佐证：
（1）找到可重复检测的双β衰变的观察依据；（2）中微子震荡的运行距离（L）具有线性数学结构；（3）高能端的观察事例数大于低能端；（4）可测量的μ中微子数量与太阳运动方向相统一；（5）不出现中微子质量平方值为负的事例。然而事实恰好相反，由铃木厚人领导的“卡姆兰德”实验组提供了（2）、（3）二项相反的测量依据，其它实验提供了（4）、（5）二项相反的依据，第（1）项还没有找到。这就是目前的进展状况。简单的中微子失踪案向现有的科学理论提出了严重的挑战。
难题之五：太阳自动控制核聚变
反应的物理机制是什么？
人类在享受太阳的光和热，也知道太阳的能量由氢核聚变反应提供，20世纪的量子理论和太阳的标准模型可以非常清楚地告诉这一点，可是它们都不曾回答一个非常简单的问题：太阳为什么没有变成天文学氢弹（像地球人的氢弹），而是非常准确地每秒提供6亿吨氢核燃料，并赐于地球人最合适的生息条件。这里，以往的科学理论都只能提供拟合的数据，以示自重力构成的压力（0.75个太阳半径），与核聚变构成的光压（0. 25个太阳半径），刚好处在动力学平衡态上。幸好，还没有哪一位科学家做过精确的计算，因为这个外壳实在大单薄了。太阳之所以没有变成天文学氢弹，不仅仅向太阳的标准模型提出了挑战，也向20世纪的时空理论和相互作用力理论提出了挑战，只需用一句话，这又是20世纪的任何科学理论都无法解答的，这一句话就是：核聚变反应区如果是以往理论所指的太阳中心到0.25半径处的一个球体，由于核聚变反应产生的中微子对太阳内部空间同样是全透明的，因此来自太阳内部的中微子应该在太阳刚诞生时就散失了，何来现在的太阳中微子失踪案和可测的中微子流量？
谁能提供太阳自动控制核聚变反应真正的科学理论，谁就掌握了打开“和平利用核聚变能”大门的钥匙，这是毫无异义的。
难题之六：地球为什么会自转？
“地球在自转着”！后人曾为伽利略编织了一个很美的故事，它成了信仰科学的座右铭。地球为什么会自转？为什么是现在这个样子？这等于在问，自然界（宇宙）为什么是现在这个样子，而不是另外的一种样子。
牛顿说，地球有过“第一次推动”，更通俗些说，地球的自转是“造物主安排的”，凡夫俗子不可以问这个问题；后来的全部天体物理学理论及地学理论则说，这是地球形成后就有的，是转动惯量守恒律支配的自然力。通俗些说，它是由“自然神”安排的。
时间到了上世纪末，人们终于开始议论：为什么年幼态恒量的气体环只有同步自转？它是如何演化的？为什么“第一次推动”或“固有的自然力”会把月球遗忘而只给地球安排（这是不公平的，因为月球仅有潮汐力引起的同步自转）？为什么地球在公转轨道上的自转速率增量变化（周年振幅20~25毫秒），不与经典的开普勒规则相一致（引力与作用距离平方成反比），而是与太阳距离的一次方成反比。到了1998年，人们终于发现了地球自转运动的一个大秘密，地球存在着分层自转，地表有一个我们知道的自转速度，地核则存在着一个以往不知道的自转速度，每地球日要比地表快0.59秒。问题变得严重了，因为它与20世纪的空间理论唱上了对台戏，也与“第一推动力”和“固有的自然力”唱上了对台戏。如果你要尊重客观，就得承认，地球的自转运动与地球的内部结构和地球的释能机制有关联，这又是20世纪科学理论没有回答的大问题；正是我们不知道的地球释能机制，造成了地壳的板块构造运动，给人类带来了一次次惨绝人寰的地质灾难（地震和火山等），甚至改变了地球的自转速度。能够找到地球释能机制正确的答案吗？就是说，如果有人能解开地球自转之谜，解开地球释能之谜这个死结，也就得到了一把打开另一个未知世界大门的钥匙，这就是地震的预警机制，如果人类的地震预警装置能够做到准时准地准级别的预报，即使只有6～12个小时。这能办到吗？
难题之七：物理空间是对称的吗？
物理学一些最基本的理论，都是建立在空间对称性基础上的，自从在弱相互作用中发现左和右的绝对性后，空间对称性的概念才开始动摇了。物理空间是对称的吗？很多人都提出过这一疑问，但是有更多的人认为空间的左右对称性是一种客观的存在，是一种自然美。有位数学界的著名人士给我举了两个例子（假想实验）；用1张正方形的理想化纸片，沿中线对折后，随机打上生物颜料构成的注记，摊开后看看左右是否对称？如果设想，到远离地球引力场的外空间，假设有一块正方形的空间面积，沿中线对折，左和右是否对称？我回答了他的问题，对第一个问题解释为，真实的空间是不对称的，理由很简单：生物大分子的旋光异构体，若按原子排列命名某一生物分子为左手系（L），则它的异构物按同一原则的原子排列就必为右手系（R），它们只在假想的数学空间具有左右对称，但在真实的物理空间，却是具有不同物理特征的空间结构，左与右具有不同的能量差。现代制药工业正是利用这一原理，对常用的200余种手征性药物，有目标的选择与（L）或（R）相对应的价电子力，或表达其能量差的其它方法，使其中没有药效的一种手征性大分子形成中性盐或络合物而被清理出局，如果真实的空间是不对称的话，恐怕连治病的药物都买不到了。对第二个问题还是说，真实的空间是不对称的，这一类不对称，反映到太阳系空间的星际航行，例如“先驱者10号、11号”宇宙飞船，相对于地球的坐标原点（由它测量飞船的轨道数据），就有一个因左右不对称造成的附加速度，是0.78138纳米每秒平方。正是这个因为左右不对称构成的附加速度，使“先驱者10号”偏离了预定飞行轨道约40万千米，“先驱者11号”也重蹈了到处流浪的复辙。
物理学空间是否左右对称，更理想的测试还有三个：其一是沿左右空间人造卫星自转速度变化率的测定；其二是沿赤道面光缆进行电磁脉冲的双向传递，测定向左和向右时间差的实验；不过，最好的实验还是“引力探测器B”卫星，因为它的运行轨道，其中半个周期是左手征空间，另半个是右手征空间，在离地球640千米的极地轨道上运行，左和右的光速差引起陀螺仪自转轴偏转，1.5年后将有10.824″附加角偏转，它比其它物理效应都要大（3项物理效应都是向量值），实验结束后自见分晓。
在自由空间，在分子世界，在原子和亚原子世界都存在着确定的手征性空间，问题只在于，这一类左右手征性是如何形成的？20世纪的空间理论是无法相容的。
难题之八：空间是什么？
大家知道，古人有上下四方谓之宇，就是空间有三维的意思，后来的牛顿理论，爱因斯坦的相对论都说空间是三维的，所有的天文观测（包括哈勃望远镜）也是这么说的。换句话说，我们只要选择一个坐标原点，理论上就可以用1支杠杆通过3条坐标轴丈量到宇宙边缘。如果宇宙空间是数学空间，只要用1支数学语言的杠杆就可以了，例如牛顿理论和爱因斯坦狭义相对论。如果是广义相对论的物理学空间，也仅要求有二个限制性词句，即：决定宏观世界中物质的分布状态仅与引力作用有关，其他形式的相互作用力只存在于“量子理论”描述的微观世界中。广义相对论说的就是如何将引力作用几何化，尽管空间有点弯曲，它仍然是广义相对论的杠杆可以丈量的，并得到宇宙空间是三维的结论。21世纪前的全部空间理论就是由上面的2支杠杆决定的（并用它丈量数学空间和引力空间）。如同空间是三维的概念一样，上面的两个限制性词句，也是作为补充性公理一并被人们接受的。现在的问题是，这2支杠杆是否管用？如果不管用，除去先验以外，你是如何得知宇宙空间是三维的？这两支杠杆真的管用吗？
例如我们居住的地球，从卫星上看，它是1个三维的椭球体，它与外部的天体仅有惟一的引力作用，符合上面的补充性“公理”，因此至少可以使用广义相对论的杠杆。后来人们发现，连续的地球半径在离地心3480千米处，被分成了两个运动学空间，内核的自转速度比地壳表面要更快些，地球如此，行星体如此，太阳如此，唯独卫星体和其它小星体没有；人们又检查了纽康系数，卫星体，纽康系数为零，行星之间、行星和太阳之间纽康系数不为零。这意味着，除了卫星和其它小星体可以继续使用广义相对论的杠杆外。超出这一范围后，如果不对纽康系数进行修正，继续使用这样的杠杆就会得到错误的结论（它无法丈量反引力空间）。
问题变得越来越多了。曾在比萨斜塔一显身手的自由落体实验，它曾为爱因斯坦的“等效原理”立过功勋，细心的科学家从同时落地的物体中取出分子，再从中取出原子核和中子，把中子冷却后放进实验室的中子干涉仪里。结果发现，冷中子存在着反引力作用。就是说，如果继续使用这2支杠杆，就会出现，同1个中子，同在地球表面，既可表现为引力又可表现为反引力，通俗地说，它是一只既死又活的薛定锷猫。由于中子在与地球相互作用，地球同样成了一只既死又活的薛定锷大猫。
人们又把目光转向太阳和太阳系，太阳是1个三维空间的大火球，它和被捆着的太阳系成员，在经过微小的纽康系数修正后，太阳系的运动服从开普勒规则（引力与作用距离平方成反比），它符合上面的补充性“公理”。然而太阳又在绕银心转动，人们发现太阳也好，作为邻居的比邻星也罢，它们的运动不再服从开普勒规则了，引力仅与作用距离一次方成反比，即银河系中的ν（r）值保持不变。并且还发现，太阳和比邻星之间，97.4 %的距离不是相互吸引，而是相互排斥的，它成了小星体的自由市场。换句话说，同一个太阳，如果上述两个限制性词句构成的补充性“公理”成立，广义相对论的刚杆继续可以使用的话，太阳同样成了一只既死又活的薛定锷猫。
也就是说，要么两个补充性“公理”和广义相对论杠杆仅适用于卫星一类小星体，而不适用于大部分天体和宇宙的大部分空间，要么冷中子和地球及太阳可以在三维空间变成一只既死又活的薛定锷猫。
这样的空间结构显然不是数学语言的杠杆可以单独丈量的，广义相对论的杠杆，也仅在对纽康系数修正后，能勉强使用到0.055155光年的范围。20世纪并没有为我们留下第3支杠杆。使用什么样的杠杆才能丈量到宇宙的边缘呢，这应该是21世纪科学家犯愁的事了。找不到丈量宇宙的杠杆，就谈不上什么是空间，更谈不上空间有几维了。看来，如果仅仅是使用20世纪空间理论的2支杠杆，科学的难题真会像雪崩一样，把整个物理学给压扁了。
难题之九：最大的科学难题是什么？
账单里还有长长的20余项，例如与空间相联系的就有“时间什么？”“质量数和荷量数是什么？”会有人问，在众多的科学未解之谜中，最大的难题是什么？
国外有位诺贝尔物理奖得主曾说，21世纪最大的科学难题就是“空间是什么”，也就是本文提到的，需要寻找可以测量到宇宙边缘的物理学杠杆。能找到这样的杠杆吗？在准备你的行装前，还真需要“三思而后行”。没有“三思”，还真找不到，否则早就让其他人找去了。这就是本文要介绍的最大的难题，它竟会是三思而后行中的“三思”：
一“思”是，任何一种科学新理论的出现，必有应该出现的原因和条件。科学理论同样需要遵循“新陈代谢”的规律，终极理论是不存在的。史书中没有人可向秦始皇提供导弹理论，反之，即使没有普朗克，也会有德布罗意或哥本哈根派的群雄去建造量子理论。现在的形势也一样，这些难题我们不但在理论上需要解决它，国计民生也极需要解决它，“和平利用核聚变能”的实验，“准时准地准级别的地震预警”的研究，“癌病、爱滋病病理学”的研究，都需要有一种新的理论。如果能把这些浩如烟海的研究资料统一起来，如同数字化信息传递系统被分解成“0和1”二个数字一样地简单，您就能获得广泛的支持，也就可以准备行装了。
二“思”是，支配20世纪科学理论的实验的观察，已到了修正时空理论的关键时刻；宏观世界的重力场量子化实验，中微子的物理学实验，“重力日食异常弧”的多次测量，“引力探测器B”卫星的升空，“卡姆兰德实验”中的对中微子“零失踪”和“非零失踪”的拐点测量，1998年的对地球内核自转加速度的测定，以及暗能量的发现等等，已经明白无误地告诉人们，这些著名的实验和观察是与20世纪科学理论的二大支柱相矛盾的，并且与这些理论体系的“公理化陈述”直接相冲突。就是说描述20世纪科学理论的整套“公理”，再也不可能被当作“绝对真理”来使用了，它需要被证明或者被证伪。二“思”就是，在这个关键时刻，能否把这些“绝对真理”全部转入“相对”的范畴。
三“思”是，20世纪的这些无须证明或证伪而一致赞同的“公理”，在转入“相对”的范畴后，靠什么去检验。在20世纪自然科学的基本描述中，有4个定义性的名词表达了这种性质的“公理”，这就是“空间、时间、质量数和荷量数”，例如，古人对空间和时间就有“上下四方谓之宇”、“古往今来谓之宙”，今人就有三维空间一维时间的概念，这些都是作为无须证明的“公理”接受下来的。
随着唯物论认识机制的逐步成熟，人们已开始认识到，人类对自然的认识过程，都是由信息的确定部分和信息的不确定部分共同构筑的。就是说，对这些“公理”的证明或证伪，必须由自然序和自然界向我们提供的信息的确定部分说了算，也就是符合自然序和自然界表达的可重复的实验和观察说了算，或者说，“实践”是检验真理的惟一标准。要认识这个三“思”，却是最难最难的，这就是我想说的最大的难题。因为20世纪全部科学理论都没有告诉我们，对上述的4个“公理”，自然序和自然界究竟向我们提供了多少确定部分的信息量，我们所知道的犹如欧几里得几何一样，正是这些“公理化陈述”告诉我们，世界应该怎么样。科学和一切非科学的区别就在于：“科学”需要回答，世界“为什么”是这个样子的，在科学理论边界条件内，还将告诉人类什么。“神学和一切非科学，”包括离开边界条件的科学理论，只能回答，世界“应该”是这个样子的，而“实际”（即实验和观察结果）却不是这个样子的。这就是整个问题的关键，破解这一长串科学难题，打开未知世界大门的钥匙就挂在这里。您相信吗？
最近，研究出版社出版了一本名为《探讨新世纪11大科学难题》的书，它用物理学杠杆，也就是把丈量数学空间、引力空间和反引力空间的杠杆，去丈量已知的宇宙空间，正面回答了“空间”是什么？“时间”是什么？也指出了“暗物质”是什么？“暗能量”是什么？中微子是什么？地面引力波的波长值是多少，有哪些实验可以测定或证明。《探讨》一书还提出了“冷核聚变”的新理论，地震预警的新理论等等（因为它们只是同一量子宇宙学方程中由相互作用力表达的不同的侧面而已）。《探讨》一书的封面还挂着一把钥匙，此钥匙能开什么的锁？有兴趣的话，不妨取下钥匙，就算姑妄试之吧，也许，你就会得到不同形式表达的量子宇宙学方程，并由它统一解析20世纪中晚期遇上的近30项世界科学难题。
