本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
《大众科学》编辑克拉拉·莫斯科维茨发表了一篇精彩的帖子，展示了最近一次粒子物理学会议上与会者提出的一些重大问题。这些问题会让科学家们担忧，并让世界各地的研究所和实验室里的人们熬夜工作。虽然这些问题很重要，但它们都涉及粒子物理学。在这里，我想指出另外五个重要的、（应该）让物理学家在夜里辗转反侧的问题。其中一些问题涉及科学资金的日常但重要的问题，另一些问题则位于物理学和其他科学的交汇点，还有一些问题则探究现实的本质。这些并不是我能想到的唯一问题，但它们肯定是我最喜欢的一些问题。
1. 我们是否会理解量子力学？
理查德·费曼曾诙谐地说道：“我可以肯定地说，没有人理解量子力学”。自费曼时代以来，情况并没有发生根本性的变化，但这个问题变得更加紧迫。这是因为，没有其他科学理论像量子力学一样，在成功的预测和深刻的理解之间存在如此巨大的差距。从 20 世纪 70 年代开始，量子理论的一些最怪异的含义——最突出的是纠缠这种“诡异”（用爱因斯坦的话说）的现象——已经通过精确的实验得到了验证。去年的诺贝尔奖部分是为了利用这些奇怪的特性来捕获离子和原子而颁发的。
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然而，我们不知道量子力学的任何基本事实是如何运作的，包括波粒二象性、纠缠、量子隧穿或双缝实验——这个看似简单的设置，在费曼的话语中，包含着“量子力学的唯一谜团”。量子世界仍然是一个违反常识，一切皆有可能的仙境。几十年来，大多数物理学家都只是使用量子力学，但没有人令人信服地向我们展示它从何而来。爱因斯坦可能违背了实验的潮流，但他对于奇怪的量子宇宙所蕴含的现实感到不安是对的。讲一个薛定谔的猫的寓言，你会看到笑声和嘲讽，但笑声无法抹去物理学家内心深处的痛苦，他们感觉自己最成功的自然理论在最深层次上是一团模糊的迷雾。
自从该理论首次提出以来，关于这一切意味着什么，已经出现了几十种不同的解释，从经典的哥本哈根解释到休·埃弗雷特的简单但令人费解的多世界解释。然而，我们仍然无法在这些大胆的猜想中挑选出赢家。也许我们唯一的缺陷在于试图用普通的常识来理解一个从根本上来说是异世界的宇宙，它不适合我们脆弱的思想。也许我们应该继续“闭嘴计算”，收获该理论给我们的与实验的巨大一致性，而不再为这一切意味着什么而烦恼。我们所知道的是，物理学家和哲学家将继续寻找量子力学背后的真实现实，无论是否存在这样的现实。
2. 我们是否能够探测到单个引力子？
引力子是假设的基本粒子，它在量子场论的框架内介导引力。它们的存在对于在量子力学和爱因斯坦的广义相对论之间建立联系是必要的，这项任务已经进行了五十年。这项任务产生了大量的方程式和优雅的实验，但没有明确的答案（值得注意的是，寻找单个引力子与寻找引力波是不同的，后者是一种纯粹的经典努力）。LIGO和LISA只是为实现这一目标而设计的更雄心勃勃的项目中的两个。到目前为止，这些实验装置都未能探测到引力波，但对于单个引力子来说，情况可能完全不同。
在过去的几年里，弗里曼·戴森、托尼·罗斯曼和斯蒂芬·博等人撰写论文，证明如果考虑到任何类似现实物理学的东西，探测单个引力子可能是不可能的。他们分析了现有方法，并得出结论，如果这些方法要成功探测到引力子，实验装置的规模可能必须达到荒谬的不现实的极限。因此，引力可能仍然是一种统计的整体属性，如温度或压力，无法还原为单个粒子的属性。如果这确实是真的，那么量子世界和经典世界之间可能永远会竖立起一道“铁幕”。这是一个令人发狂的可能性，它肯定会让任何有统一已知自然力这一适度野心的物理学家都夜不能寐。
3. 我们是否会理解涌现？
1972 年，诺贝尔奖得主、杰出的物理“坏脾气”菲利普·安德森点燃了一根鞭炮，并将其扔进了还原论物理学的殿堂的地下室。在题为“更多是不同”的科学文章中，安德森强调了理解单个粒子的行为（物理学在这方面非常出色）和粒子集合之间的差异不仅仅是数量上的差异，而且是性质上的差异。在文章中，安德森呼吁人们关注普遍的涌现现象，这个术语经常被随意使用，但它却是真实存在的。简单来说，涌现指的是这样一个事实，即不能仅从单个实体的行为来预测实体组的行为。
涌现现象遍布我们的世界，从金属的特性到白蚁巢穴，再到椋鸟群，再到全球经济。从某种意义上说，所有的化学、生物学和社会学都是涌现行为的等级聚类。物理学未能解释自然世界运作中这种核心而深刻的机制。事实上，正如安德森所指出的那样，物理学甚至无法在其自身的狭窄领域内解释涌现，例如在超导领域。八十年前，保罗·狄拉克指出，当时理解的物理定律可以解释“大部分物理学和所有化学”。然而，我们不理解如何从夸克的行为逻辑跳跃到由大量夸克组成的 DNA 链的行为。如果物理学家想了解物理学如何与其他科学以及人类世界联系起来，那么理解涌现行为可能是他们最重要的目标。如果不掌握涌现，物理学将仍然是一门狭隘理解和应用的科学，对其他从业者几乎没有用处。
4. 我们如何保持粒子物理学的活力？
这是一个既是社会性又是科学性的问题，但它应该让粒子物理学家感到担忧和夜不能寐。去年，《纽约书评》上，史蒂文·温伯格指出，大型强子对撞机最大的发现可能不是希格斯玻色子，而是一些意想不到的事情，一些真正颠覆了我们对宇宙的理解（如标准模型所载）的事情。为了实现这一发现，我们可能需要达到更高的能量，这反过来又需要更大的粒子对撞机，可能耗资数百亿美元。更糟糕的是，可能无法使用廉价的设备和小团队进行此类物理实验。
面对经济衰退、政治僵局和公众对伪科学的广泛接受，粒子物理学家期望获得下一个数十亿美元的物理实验的支持将是一场非常艰苦的战斗。诸如超导超大型对撞机之类的失败项目，甚至是哈勃太空望远镜之类的成功项目，都证明了需要仔细建立联盟、有利的经济力量和政治智慧，才能使大型物理实验取得成功。当一切结束后，它看起来井井有条且畅通无阻，但事实是，国会预算中的一个单项降级就可以扼杀这些梦想。粒子物理学中大型物理项目缺乏支持，以及无法在较小规模上进行该行业实践可能意味着整整一代粒子物理学家都无法追求其领域中最大的谜团。这个想法应该让该领域的从业者感到非常担忧。
5. 物理学将帮助我们理解意识的本质吗？
这是一个与上面第 3 个问题有些相关的问题，但其深刻意义使其值得单独讨论。除了理解宇宙的起源之外，理解允许我们理解宇宙起源的意识的起源也被理所当然地认为是科学中最重要的的问题。我们肯定离尝试回答这个问题还很远，但神经科学是一门年轻而充满活力的学科，充满了令人兴奋的可能性。我们想要回答的关于大脑的物理问题是：从神经元到行为，是否存在量子力学原理在大脑多个层面上运作的或多或少的直接证据。从某种意义上说，这个问题问的是什么将微观世界与宏观世界联系起来，这是一个可以追溯到科学起源的调查方向。
至少有一些科学家试图在这个问题上有所突破。几年前，罗杰·彭罗斯和斯图尔特·哈默罗夫提出，大脑中称为微管的蛋白质组装的切换可以被看作是基本粒子纠缠叠加的直接例子。然而，这个挑衅性的论点遭到了马克斯·泰格马克的重大打击，他证明，在常温下，大脑中任何类型的粒子纠缠都会经历非常快速的退相干，这是一种平均化，会从根本上切断纠缠态与可观察的生化特性之间的联系。但这个问题似乎远未解决；其他工作表明叠加与重要现象之间存在联系，如光合作用和蛋白质中的电子转移。也许有一天我们将能够解释为什么记忆会在分子水平上因纠缠而形成。或者，正如爱德华·威滕等一些物理学家似乎认为的那样，解释意识可能在本质上是不可能的。无论如何，毫无疑问，思考物理学和意识之间的联系是物理学家们将继续梦想的最重要的难题之一。