本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點
《大眾科學》編輯克拉拉·莫斯科維茨發表了一篇精彩的帖子，展示了最近一次粒子物理學會議上與會者提出的一些重大問題。這些問題會讓科學家們擔憂，並讓世界各地的研究所和實驗室裡的人們熬夜工作。雖然這些問題很重要，但它們都涉及粒子物理學。在這裡，我想指出另外五個重要的、（應該）讓物理學家在夜裡輾轉反側的問題。其中一些問題涉及科學資金的日常但重要的問題，另一些問題則位於物理學和其他科學的交匯點，還有一些問題則探究現實的本質。這些並不是我能想到的唯一問題，但它們肯定是我最喜歡的一些問題。
1. 我們是否會理解量子力學？
理查德·費曼曾詼諧地說道：“我可以肯定地說，沒有人理解量子力學”。自費曼時代以來，情況並沒有發生根本性的變化，但這個問題變得更加緊迫。這是因為，沒有其他科學理論像量子力學一樣，在成功的預測和深刻的理解之間存在如此巨大的差距。從 20 世紀 70 年代開始，量子理論的一些最怪異的含義——最突出的是糾纏這種“詭異”（用愛因斯坦的話說）的現象——已經透過精確的實驗得到了驗證。去年的諾貝爾獎部分是為了利用這些奇怪的特性來捕獲離子和原子而頒發的。
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然而，我們不知道量子力學的任何基本事實是如何運作的，包括波粒二象性、糾纏、量子隧穿或雙縫實驗——這個看似簡單的設定，在費曼的話語中，包含著“量子力學的唯一謎團”。量子世界仍然是一個違反常識，一切皆有可能的仙境。幾十年來，大多數物理學家都只是使用量子力學，但沒有人令人信服地向我們展示它從何而來。愛因斯坦可能違背了實驗的潮流，但他對於奇怪的量子宇宙所蘊含的現實感到不安是對的。講一個薛定諤的貓的寓言，你會看到笑聲和嘲諷，但笑聲無法抹去物理學家內心深處的痛苦，他們感覺自己最成功的自然理論在最深層次上是一團模糊的迷霧。
自從該理論首次提出以來，關於這一切意味著什麼，已經出現了幾十種不同的解釋，從經典的哥本哈根解釋到休·埃弗雷特的簡單但令人費解的多世界解釋。然而，我們仍然無法在這些大膽的猜想中挑選出贏家。也許我們唯一的缺陷在於試圖用普通的常識來理解一個從根本上來說是異世界的宇宙，它不適合我們脆弱的思想。也許我們應該繼續“閉嘴計算”，收穫該理論給我們的與實驗的巨大一致性，而不再為這一切意味著什麼而煩惱。我們所知道的是，物理學家和哲學家將繼續尋找量子力學背後的真實現實，無論是否存在這樣的現實。
2. 我們是否能夠探測到單個引力子？
引力子是假設的基本粒子，它在量子場論的框架內介導引力。它們的存在對於在量子力學和愛因斯坦的廣義相對論之間建立聯絡是必要的，這項任務已經進行了五十年。這項任務產生了大量的方程式和優雅的實驗，但沒有明確的答案（值得注意的是，尋找單個引力子與尋找引力波是不同的，後者是一種純粹的經典努力）。LIGO和LISA只是為實現這一目標而設計的更雄心勃勃的專案中的兩個。到目前為止，這些實驗裝置都未能探測到引力波，但對於單個引力子來說，情況可能完全不同。
在過去的幾年裡，弗里曼·戴森、託尼·羅斯曼和斯蒂芬·博等人撰寫論文，證明如果考慮到任何類似現實物理學的東西，探測單個引力子可能是不可能的。他們分析了現有方法，並得出結論，如果這些方法要成功探測到引力子，實驗裝置的規模可能必須達到荒謬的不現實的極限。因此，引力可能仍然是一種統計的整體屬性，如溫度或壓力，無法還原為單個粒子的屬性。如果這確實是真的，那麼量子世界和經典世界之間可能永遠會豎立起一道“鐵幕”。這是一個令人發狂的可能性，它肯定會讓任何有統一已知自然力這一適度野心的物理學家都夜不能寐。
3. 我們是否會理解湧現？
1972 年，諾貝爾獎得主、傑出的物理“壞脾氣”菲利普·安德森點燃了一根鞭炮，並將其扔進了還原論物理學的殿堂的地下室。在題為“更多是不同”的科學文章中，安德森強調了理解單個粒子的行為（物理學在這方面非常出色）和粒子集合之間的差異不僅僅是數量上的差異，而且是性質上的差異。在文章中，安德森呼籲人們關注普遍的湧現現象，這個術語經常被隨意使用，但它卻是真實存在的。簡單來說，湧現指的是這樣一個事實，即不能僅從單個實體的行為來預測實體組的行為。
湧現現象遍佈我們的世界，從金屬的特性到白蟻巢穴，再到椋鳥群，再到全球經濟。從某種意義上說，所有的化學、生物學和社會學都是湧現行為的等級聚類。物理學未能解釋自然世界運作中這種核心而深刻的機制。事實上，正如安德森所指出的那樣，物理學甚至無法在其自身的狹窄領域內解釋湧現，例如在超導領域。八十年前，保羅·狄拉克指出，當時理解的物理定律可以解釋“大部分物理學和所有化學”。然而，我們不理解如何從夸克的行為邏輯跳躍到由大量夸克組成的 DNA 鏈的行為。如果物理學家想了解物理學如何與其他科學以及人類世界聯絡起來，那麼理解湧現行為可能是他們最重要的目標。如果不掌握湧現，物理學將仍然是一門狹隘理解和應用的科學，對其他從業者幾乎沒有用處。
4. 我們如何保持粒子物理學的活力？
這是一個既是社會性又是科學性的問題，但它應該讓粒子物理學家感到擔憂和夜不能寐。去年，《紐約書評》上，史蒂文·溫伯格指出，大型強子對撞機最大的發現可能不是希格斯玻色子，而是一些意想不到的事情，一些真正顛覆了我們對宇宙的理解（如標準模型所載）的事情。為了實現這一發現，我們可能需要達到更高的能量，這反過來又需要更大的粒子對撞機，可能耗資數百億美元。更糟糕的是，可能無法使用廉價的裝置和小團隊進行此類物理實驗。
面對經濟衰退、政治僵局和公眾對偽科學的廣泛接受，粒子物理學家期望獲得下一個數十億美元的物理實驗的支援將是一場非常艱苦的戰鬥。諸如超導超大型對撞機之類的失敗專案，甚至是哈勃太空望遠鏡之類的成功專案，都證明了需要仔細建立聯盟、有利的經濟力量和政治智慧，才能使大型物理實驗取得成功。當一切結束後，它看起來井井有條且暢通無阻，但事實是，國會預算中的一個單項降級就可以扼殺這些夢想。粒子物理學中大型物理專案缺乏支援，以及無法在較小規模上進行該行業實踐可能意味著整整一代粒子物理學家都無法追求其領域中最大的謎團。這個想法應該讓該領域的從業者感到非常擔憂。
5. 物理學將幫助我們理解意識的本質嗎？
這是一個與上面第 3 個問題有些相關的問題，但其深刻意義使其值得單獨討論。除了理解宇宙的起源之外，理解允許我們理解宇宙起源的意識的起源也被理所當然地認為是科學中最重要的的問題。我們肯定離嘗試回答這個問題還很遠，但神經科學是一門年輕而充滿活力的學科，充滿了令人興奮的可能性。我們想要回答的關於大腦的物理問題是：從神經元到行為，是否存在量子力學原理在大腦多個層面上運作的或多或少的直接證據。從某種意義上說，這個問題問的是什麼將微觀世界與宏觀世界聯絡起來，這是一個可以追溯到科學起源的調查方向。
至少有一些科學家試圖在這個問題上有所突破。幾年前，羅傑·彭羅斯和斯圖爾特·哈默羅夫提出，大腦中稱為微管的蛋白質組裝的切換可以被看作是基本粒子糾纏疊加的直接例子。然而，這個挑釁性的論點遭到了馬克斯·泰格馬克的重大打擊，他證明，在常溫下，大腦中任何型別的粒子糾纏都會經歷非常快速的退相干，這是一種平均化，會從根本上切斷糾纏態與可觀察的生化特性之間的聯絡。但這個問題似乎遠未解決；其他工作表明疊加與重要現象之間存在聯絡，如光合作用和蛋白質中的電子轉移。也許有一天我們將能夠解釋為什麼記憶會在分子水平上因糾纏而形成。或者，正如愛德華·威滕等一些物理學家似乎認為的那樣，解釋意識可能在本質上是不可能的。無論如何，毫無疑問，思考物理學和意識之間的聯絡是物理學家們將繼續夢想的最重要的難題之一。