二十一世纪十大物理问题，广义信息论都给予了圆满的回答
本女认为，超弦理论家们提出的十大物理问题，在广义信息论的理论框架下，
都迎刃而解而不成为问题了。
2000年弦理论会议上，弦理论家提出了跨世纪的十大理论问题：
（1） 表征物理宇宙的所有（可测量的）无量纲参数是否原则上都是可计算的，或
其中某些仅仅是由历史或量子力学等偶然因素所确定，因而是不可计算的？
答：本女已经指出，最著名的无量纲常数，精细结构常数，和牛顿引力常数
一样， 直接和宇宙尺度相关，因此它绝对不是数学的必然结果，而是一个
取决于宇宙尺度大小的偶然物理量。而宇宙尺度的大小恰好是这个数量级，
是由生命起源的必要条件，这个ANTHROPIC PRINCIPLE决定的。
（2） 量子引力如何有助于解释宇宙起源问题？
答：宇宙并没有一个起源和终结，因此这个问题是个伪问题。如果认为宇宙有
起源和终结，就等於认为存在一个宇宙存在之前的世界。宇宙是我们认识的
这个物理世界的全部，包括全部的时间，空间，参照系。宇宙之外，别无一切。
现在流行的宇宙大爆炸学说，是完全错误的学说。真实的宇宙是个稳恒宇宙。
它既没有在膨胀也没有在收缩，既没有起源也没有终结。
（3） 什么是质子的寿命？理论上如何解释？
答：超弦理论要求质子必须有一个有限长的衰变寿命。实验结果没有观测到
任何质子衰变的迹象。至少，即使质子存在衰变，其寿命也比超弦理论预言
的远远要长得多。理论上的解释，就是当一个理论无法解释实验观测事实的
话，那么你这个理论就是错误的。
（4） 自然是超对称的吗？若是，超对称怎样破缺？
答：超对称是超弦理论里面的东西。至今并没有任何迹象表明超弦理论和
我们这个物理世界有任何关系，既没有一个实验能肯定超弦理论，也没有
一个实验能够否定超弦理论，也没有一个理论家根据超弦理论提出过任何
的可以和这个真实世界联系起来的计算结果。因此，这个问题和物理无关。
（5） 为什么宇宙看来只有一维时间和三维空间？
答：一维时间是人类因果率思维模式的结果。时间和空间，其实都仅仅是
量子信息的统计效应。为什么空间是三维呢？因为这个世界是个能够产生
生命的世界，能够产生生命的世界，必须是复杂而有序的世界。两维或者
一维的空间，是无法产生复杂性的。李政道博士年轻时候就已证明过，在
一维或者两维空间下，无法产生湍流。那么更高维呢？四维或者更多维的
空间呢？多维空间可以产生足够的熵和复杂性，但是，却无法从混沌趋向
有序。所以，一个能够产生生命的世界，一个从混沌趋向有序的世界，就
必须是三维空间的。
（6） 为何宇宙学常数会有其值？是零吗？是常数吗?
答：本女已经给出宇宙的尺度大小，以及宇宙中三种物质形式的比例大小，
因此宇宙学常数问题在本女的理论框架下根本就不成其问题了。
（7） 何为M理论基本自由度？果真描述自然吗？
答：M理论是一种假想的数学理论，它无法和我们的物理世界发生联系，
因此和物理无关，也并不描述自然。
（8） 如何解决黑洞的信息佯谬？
答：真实意义上的黑洞并不存在。唯一可以存在的是临界黑洞。物质可以掉
进去，却不可以逃出来的黑洞，就意味着时间不可逆的过程。而描述引力的
广义相对论方程组，时间应该是完全可逆的。
（9） 引力尺度和基本粒子的典型质量尺度之间的差异如此巨大，什么物理可予以
解释？
答：所谓引力尺度，也就是普朗克尺度，如本女指出，是根本错误的。它错误
地假设引力常数和其他基本物理常数一样，是微观常数，因此在令得G，HBAR，C都
为一时，就得到数量级极其荒谬的普朗克尺度。这个只有本女的
广义信息论物理理论可以给予解释。本女的天然尺度单位，才是真正的微观
尺度，也才与基本粒子的尺度数量级相吻合。
（10） 如何定量解释量子色动力学中的夸克胶子的禁闭，以及质量间隙的存在？
答：夸克禁闭的原因是微观尺度上时空失去连续性。这个微观尺度并不是
普朗克尺度，而是本女提出的天然尺度单位，其数量级大小等於原子核的
尺度大小。而质量间隙是无法在任何数学的，或者规范场论的框架下得到
解决的，因为这些理论都是在一个无限延伸的时空背景下构造的模型。在
无限时空下质量是不可能存在的。根据广义信息论，广义信息有限及守恒。
可观测宇宙的时空必然是因弯曲而封闭的。质量便是封闭时空的局部曲率。
在平直而无限的时空，不存在局部曲率，也就不存在质量了。
这些问题只是反映了弦理论家当时的看法。前面提到的一些重要问题并没有完全列
举，甚至没有涉及。不过，这已经反映出现有的物理理论还远远没有完成。
温伯格(S. Weinberg)在他的《引力论和宇宙论──广义相对论的原理和应用》一书
的开篇，写下这样一段话：“物理学并不是一个已完成的逻辑体系。相反，它每时
每刻都存在著一些观念上的巨大混乱，有些像民间史诗那样，从往昔英雄时代流传
下来；而另一些则是像空想小说那样，从我们对于将来会有伟大的综合理论的向往
中产生出来。”为什么温伯格会这样写呢？
物理学是基于实验和观测的科学,而任何实验和观测的构思和分析，又离不开从大量
实验和观测抽象出来、和从以往的发展继承下来的基本观念和原理。基本观念和原
理一旦形成和建立，就可以而且应该由此出发建立理论体系，亦即逻辑体系。因此，
基本概念、原理和理论体系在物理学的发展中起著重要作用。
难道物理学从来不是，也从来没有一个完成了的逻辑体系吗？是的。不仅如此，将
来也不会有。
19世纪末的三大理论体系都没有完成
17世纪牛顿建立的力学和万有引力理论是自哥白尼（N. Copernicus）、伽利略(G.
Galileo)以来第一个伟大的力学和物理理论体系。在19世纪，经过拉格朗日(J. L.
Lagrange)、哈密顿(W. R. Hamilton)和雅可比（C. Jacobi）等的发展而建立的分
析力学，以及费马(P. de Fermat)提出的最小作用原理等，赋予了位势系统的牛顿
力学以新的形式和内涵。但是，作为一个理论体系，牛顿理论并没有完成。
质量和惯性等在牛顿体系中起著核心作用，其起源却无法解决。为此，牛顿引入绝
对空间和绝对时间作为支撑体系的支柱。但是，却与满足伽利略相对性原理的，没
有绝对速度的牛顿力学和引力规律相矛盾。无限大的欧氏绝对空间和万有引力无法
解释日落天黑这样的简单事实，也无法建立一个在引力作用下稳定的宇宙图像，这
些可称为牛顿体系的夜黑-引力佯谬。
在法拉第(M. Faraday)原创工作基础上，麦克斯韦(J. C. Maxwell)建立了电磁理论，
统一了电和磁的现象，预言了电磁波，描述了带电体、光和电磁波的运动，是19世
纪物理理论的伟大成就。在麦克斯韦理论中出现了光速c。按照牛顿的时间和空间观
念，光速c是相对于绝对空间的绝对速度。当时认为，电磁波是充满绝对空间的“以
太”的波动，而地球相对于绝对空间是运动的，因此，应该能够测量出地球的“以
太漂移”。然而，所有有关“以太漂移”的可靠的实验结果都是否定的。不仅如此，
按照麦克斯韦理论，加速电荷应该发出辐射，然而，计算结果却出现无法处理的无
限大，这与后来量子电动力学的发散具有本质联系。这些表明，麦克斯韦电磁理论
作为一个理论体系对于在宏观尺度上的电磁现象并不是已经完成的；至于后来发现
的微观尺度上的电磁现象，经典的麦克斯韦理论根本无法解释。
19世纪热力学和统计物理学的建立和发展是另一伟大成就。统计物理在描述和确定
热平衡态物理性质方面取得了与实验相符的一系列成功。但由于统计物理依赖于个
体规律，而统计规律与个体规律间的本质区别和联系、统计物理的基本原理一直不
完全清楚，因此作为一个理论体系也没有完成。对统计物理有伟大贡献的玻尔兹曼
(L. Boltzmann)为此甚为忧虑，后来他神秘地自杀身亡。
19世纪末曾有“两朵乌云”之说。其实，“乌云”并不仅仅指迈克耳孙-莫雷(Michelson-
Morley)实验和黑体辐射，夜黑和引力佯谬早就是“乌云”，放射性的大量实验发现
更是“乌云密布”，至于理论体系自身的问题就更多了。
量子理论远没有完成
1900年，普朗克大胆提出作用量子假说，解释了黑体辐射谱。20多年后，海森伯(W.
K. Heisenberg)和薛定谔(E. Schr?□dinger)等新一代天才在爱因斯坦光量子说和
玻尔(N. Bohr)的原子模型基础上建立了量子力学。此后，在实验和理论的推动下，
原子分子、核、固体和凝聚态物理等理论相继建立，并快速发展。
然而，关于量子力学是否完备的争论一直没有停息。爱因斯坦、薛定谔等对量子力
学的建立做出过突出贡献的物理学家认为，量子力学并不完备；以玻尔和海森伯为
代表的哥本哈根学派则认为是完备的。1980年代以来，由于实验技术的发展，爱因
斯坦、薛定谔等在1930年代中期提出的责难量子力学的理想实验得以实现。实验结
果虽都支持量子力学，但又引出量子纠缠、量子隐态传输等一系列新问题，量子测
量的实质、是否与相对论矛盾等问题也重新提了出来。
费恩曼(R. P. Feynman)早就说过：“我可以放心地说，没有一个人懂得量子力学。”
在晚年，他还说过：“按照量子力学的观点看待世界，我们总是会遇到许多困难。
至少对我是如此。现在我已老迈昏花，不足以达到对这一理论实质的透彻理解。对
此，我一直感到窘迫不安。”盖尔曼(M. Gell-Mann)也说过：“全部现代物理为量
子力学所支配。这个理论华丽宏伟，却又充斥著混乱。这个理论经受了所有的检验，
没有理由认为其中存在什么缺陷。我们知道如何在问题中运用它，但是却不得不承
认一个事实，没有人能够懂得它。”
果真没有欠缺吗？事实上，薛定谔方程作为量子力学的基本方程，只能描述经典位
势系统的量子行为，无论是正则量子化，还是路径积分量子化都是如此。经典与量
子力学的界限在哪里？量子测量过程涉及突变等非位势系统的特征，这类系统如何
量子化？如何建立量子测量理论？这些都是应该解决，而又没有解决的重大问题。
不仅量子力学本身令人“窘迫不安”，作为量子论和狭义相对论的结合的量子电动
力学和量子场论更是如此。一方面，量子电动力学取得了巨大成功，可以给出与实
验精确符合的微扰论计算结果，例如：关于电子反常磁矩的微扰论计算结果与实验
结果可以符合到十几位有效数字；格拉肖-温伯格-萨拉姆(Glashow-Weinberg-Salam)的
弱电模型在很大程度上统一了微观尺度上的电磁作用和弱作用，在相当于1000倍质
子质量的能量尺度下与几乎所有实验符合；包括量子色动力学在内的标准模型对于
强作用的一些性质也能给出令人满意的结果等。另一方面，与实验精确符合的微扰
论计算在理论上却并不成立，微扰级数本身一定会发散。标准模型中有20几个自由
参数需要实验输入，其中包括一些极重要的无量纲参数，如精细结构常数、介子与
电子质量之比等。为了减少参数的大统一理论或超对称大统一理论，往往会导致质
子衰变。可是，实验上一直没有观测到质子衰变现象，也没有观测到超对称粒子，
这是为什么？超对称如何破缺？为什么有夸克禁闭和色禁闭？为什么夸克质量谱中
存在极大的质量间隙？为什么会有三代夸克-轻子及其质谱？理论上作用极大的“真
空”到底是什么?理论上计算的“真空”能量，与宇宙学常数观测值相应的“真空能”
相比，高出几十到一百多个数量级，这又是为什么？这些问题都难以回答。
由于非相对论性或相对论性的量子规律和状态分别是伽利略或庞加莱(J. H. Poincar)不
变的，并不是广义协变的，因此加速运动与匀速运动的量子系统并不等价。至于引
力场的量子化问题也一直没有解决，成了世纪难题。其实，如果引力场不能或不用
量子化，就可以设计理想实验，破坏作为量子力学基础之一的不确定性原理。
凡此种种，作为一个描述微观基本规律的理论体系，非相对论性和相对论性的量子
理论都没有完成。
相对论体系并没有完成
20世纪初，庞加莱把伽利略相对性原理推广到包含光速的洛伦兹变换和麦克斯韦理
论；爱因斯坦提出光速不变原理。1905年建立的狭义相对论解释了“以太漂移”的
零结果，发现同时性的相对性，并从新的角度导出了重要的质能关系等。现在，所
有可忽略引力效应，与宇观尺度现象无关的宏观尺度上的实验和观测都与爱因斯坦、
洛伦兹(H. A. Lorentz)和庞加莱的狭义相对论相符合。
为了描述引力，爱因斯坦又把牛顿引力中熟知的惯性质量等于引力质量提到等效原
理的高度，并提出了时空弯曲由物质的能量-动量决定的引力场方程，建立了作为时
空和引力理论的广义相对论。这个理论解释了牛顿引力所无法解释的水星近日点的
进动，预言了光线偏折、光谱的引力红移等效应。
科学对于宇宙的认识也经历了巨大变革。1920年代末人们发现了河外星系的谱线红
移；1940年代，在广义相对论宇宙学基础上提出了大爆炸宇宙模型，预言了微波背
景辐射，解释了宇宙中轻元素的丰度等；1960年代微波背景辐射的发现证实了宇宙
大爆炸理论。此后，在宇宙尺度上，牛顿绝对时空被抛弃，夜黑和引力佯谬迎刃而
解。宇宙不是静止的、一成不变的，而是一个演化的整体，这是20世纪自然科学的
最大成就之一。这些深刻改变著物理和哲学的时空观和宇宙观。
然而，相对论体系作为一个理论体系并没有完成。从前人继承下来的惯性和惯性运
动的起源问题尽管有所发展，但并没有解决。1960年代末以来，发现广义相对论存
在时空失去意义的“奇性”，宇宙起源于奇性，星系演化经过黑洞终结于奇性。黑
洞不“黑”，任何有序物体掉进黑洞，都变成无序的热辐射发射出来，从而信息丢
失。这不仅与物理学理论基础之一的量子力学薛定谔方程的概率流守恒矛盾，也与
其他理论冲突。
温伯格的那段话与他对广义相对论和宇宙论具有代表性的观点密切相关，与爱因斯
坦和通常广义相对论学者的几何观点完全不同。在该书的序言中，他写道：“这种
几何观点在广义相对论和基本粒子物理之间造成人为隔阂。只要还能够指望，如爱
因斯坦曾指望过的，物质最终可以用几何语言来理解，那么在描述引力理论时给黎
曼(Riemann)几何以首要地位才是有意义的。但是现在，时间流逝已教导我们不能指
望强作用、弱作用和电磁作用都可以用几何语言来理解。因而过分地强调几何，只
能模糊引力理论与物理学其余部分之间的深刻联系。”他所采用的是基本粒子理论
观点：“除非相应的经典场论服从等效原理，看来就不可能建立质量为零、自旋为
2的粒子的任何洛伦兹协变的量子理论。这样，等效原理似乎就成了引力理论和基本
粒子理论之间的最好的桥梁。”这些是他在1971年写下的。过了30多年，这种有代
表性的从粒子物理观点解释广义相对论的尝试，在超弦理论的框架中有所进展，但
是仍然远远没有完成。温伯格坚持这种观点的主要原因，是因为广义相对论和宇宙
论中的物理量（如质量和自旋等）几乎全都依赖于狭义相对论。然而，假定的基础
却有疑义。其实，只要考虑到宇观效应，狭义相对性原理就会被破坏，这是因为，
所有实验室和天文台（包括用于科学探索的人造卫星）相对于宇宙尺度都是局部的，
对于所有可以忽略引力，与宇观效应（如星系红移、微波背景辐射等）无关的实验
和观测结果都与狭义相对性原理一致：没有优越的惯性参考系，时间和空间具有平
移不变性，均匀各向同性等物理规律在具有十个参数的庞加莱群的变换下不变。然
而，一旦进行天文观测，或者实验室的设备恰恰与微波背景辐射可以发生作用，那
么，实验室观测者就会发现：相对于遥远的星系和微波背景辐射，实验室具有优越
速度，时间平移不变性不再存在，所观测到的宇宙具有演化，时间具有箭头；以微
波背景辐射为代表的三维宇宙空间大体上是均匀各向同性的。于是，局部实验和宇
观效应的观测之间明显存在矛盾。在什么意义下可以把仅仅经过局部实验验证的物
理量用到宇观效应观测结果的理论分析呢？如果温伯格的观点可以贯彻到底，就可
以运用狭义相对论的观点来说明这一切。然而，奇性存在否定了这一企图；宇宙学
常数的出现使渐近平坦时空区域不复存在。因此，仍以庞加莱不变性为依据，对宇
观观测数据进行分析，特别对有关宇宙学常数数据的分析就存在疑义。
在一定意义上，微波背景辐射可以看成是“光子以太”。地球上实验室观测到的微
波背景辐射应该扣除地球相对于微波背景辐射的运动，亦即相对于这类“光子以太”
的漂移。于是，狭义相对性原理和宇宙学原理的佯谬可表述为：如果微波背景辐射
在19世纪末就发现，在地球上就可测出相对于微波背景辐射的“光子以太”的漂移。
那么，相对论体系会怎么办呢？
关于“包罗万象的理论”的争论
这里，应该提及“包罗万象的理论”（theory of everything，TOE）。1970年代初
提出的弦理论源于强子物理。后来发现，其中包含在强作用中不存在的质量为零、
自旋为2的粒子。如果把这个粒子解释为引力子，这类理论就有可能把已知的夸克-轻
子及其四种基本相互作用统一起来，同时解决量子引力问题。1980年代和1990年代
中期，弦理论有重大进展。现在知道，超弦有五类，它们有可能通过M理论相互统一
起来。于是，有人认为，这是TOE；也有人认为，这个理论一旦完成，理论物理就基
本终结了。这种说法自然受到非议。宇宙学常数的出现等也对此带来极大困难。
如果物理学从来就不是，也没有一个完成的逻辑体系，那么，当然不会存在这种TOE。
这是因为，任何物理理论都需要从一些基本概念和基本原理出发，例如，基本物理
量、基本自由度、基本的对称性、基本的动力学等。这些概念和原理是从大量实验、
观测事实中抽象出来或从以往的理论体系继承下来的。如果这些观念和原理之间是
自恰的，余下的问题就是通过逻辑推理建立理论，把结果与实验和观测作进一步比
较。何况往往还需要工作假定呢？
不妨类比数理逻辑的哥德尔定理。哥德尔(K. G?□del)指出，一个足够大的公理系
统中必有不能证明也不能反证的命题；或者，从有限多公理出发建立的数学是不自
恰和不完备的。不过，该理论不能判断一个具体命题是否为不能证明也不能反证的
命题，也不能提供具体例证。从有限多个基本概念和基本原理出发建立的物理理论
的逻辑体系也大体如此。这或许是为什么至今没有，也不会有逻辑上完成的物理体
系的一个原因。戴森(F. J. Dyson)早就用哥德尔定理与物理学中的理论发展相比较，
他甚至以此说明，物理学理论的发展是无止境的。霍金(S. Hawking)曾在1980年代
初以为，如果超引力理论能够完成，就有可能导致理论物理学的终结。近来有人也
用哥德尔定理对试图统一不同类型的超弦和M理论做出这种类比。
当然，世界是统一的，世界的统一性在于物质性。相对统一的理论总是可以建立的。
只要得到实验和观测的一定证实，该理论就反映了世界的统一性在于物质性这一绝
对性。在当前的实验和观测水平下，有没有可能统一夸克-轻子和它们之间的所有相
互作用呢？这是一种在具体前提下、具体范围内的统一，这不是没有可能。然而，
即使建立了这样的理论，也不是什么TOE，更不是理论物理的终结，因为它虽然有可
能解决上述许多问题，但仍然是不完备、甚至不自恰的，至少它的前提和基本原理
无法得到解释，因而一定还有需要探索的更基本、更深刻的问题。何况，这种统一
即使实现，也是在个体规律意义上的统一。
到1960年代，人们才知道，统计规律和个体规律有著本质不同。其实复杂性和随机
性处处可见。安德森（P. W. Anderson）说得好：“多是不同的。”这是相当普遍
的规律。仅知一、二，远远不够：对“零”和“极多”都无法说明，何况其间联系
呢？霍金在用哥德尔定理论证M理论即使建立也不是TOE时，却认为麦克斯韦方程和
狄拉克方程可说明所有化学和生物现象，恰恰忽略了这一点。
“道可道非常道，名可名非常名。”不妨这样借用老子的话：如果把最终的TOE比喻
为常道或常名，那么，能够表述的道或名就不是常道或常名了。我们和自然界都存
在于普遍联系之中。对于任何现象、事物和规律的认识，不可能没有简化、条件和
前提，因而，任何对于现象、事物的规律性的认识，都是有条件的、具体的和相对
的，其中包含著普遍性和绝对性。不过，更重要的是要具体分析相对在哪里？普遍
性是哪些？
物理学正面临新的挑战、酝酿新的突破
20世纪物理学不仅取得了伟大进展，也促进了有关技术的飞速发展。但是，作为描
述自然界和宇宙基本规律的物理理论，却存在包括上面提及的许多重大问题：一方
面，对一些基本的实验和观测事实，理论上无法解释；另一方面，各种基本理论本
身作为逻辑体系都没有完成，甚至存在内在的不协调。2000年弦理论会议上，弦理
论家提出了跨世纪的十大理论问题：
（1） 表征物理宇宙的所有（可测量的）无量纲参数是否原则上都是可计算的，或
其中某些仅仅是由历史或量子力学等偶然因素所确定，因而是不可计算的？
（2） 量子引力如何有助于解释宇宙起源问题？
（3） 什么是质子的寿命？理论上如何解释？
（4） 自然是超对称的吗？若是，超对称怎样破缺？
（5） 为什么宇宙看来只有一维时间和三维空间？
（6） 为何宇宙学常数会有其值？是零吗？是常数吗?
（7） 何为M理论基本自由度？果真描述自然吗？
（8） 如何解决黑洞的信息佯谬？
（9） 引力尺度和基本粒子的典型质量尺度之间的差异如此巨大，什么物理可予以
解释？
（10） 如何定量解释量子色动力学中的夸克胶子的禁闭，以及质量间隙的存在？
这些问题只是反映了弦理论家当时的看法。前面提到的一些重要问题并没有完全列
举，甚至没有涉及。不过，这已经反映出现有的物理理论还远远没有完成。
1990年代后期以来，有关暗物质、暗能量和宇宙学常数的观测结果对以量子论和相
对论为基础的物理学的整个理论框架提出了新的挑战：在广义相对论和宇宙学原理
的分析框架内，观测数据表明，通常的物质只占区区百分之几，未知的暗物质约占
百分之二十多；与通常能量所完全不同的“暗能量”约占百分之七十；宇宙时空不
是渐近平坦的，而是渐近常曲率；严格说来，在涉及宇宙尺度的效应上，作为物理
量定义基础的狭义相对论失去了宇观观测的基础；由量子理论得到的宇宙学常数值
比观测值大了几十到一百多个数量级。如何解释？根本问题出在哪里？对此，当然
会是“仁者见仁，智者见智”的。
爱因斯坦指出：“物理学构成一种处在不断进化过程中的思想逻辑体系。”不错，
物理学理论作为思想逻辑体系并没有完成，也不完备，而总是处在不断追求完备的
过程之中。然而仅仅指出并承认这一事实并不够，更加重要的是应该分析：当代物
理学会如何进化、向哪里进化？我们应该如何追求、向哪里追求？
类比哥德尔定理之于数学，物理理论在不断发展著，更要不断直面实验和观测的检
验和挑战。特别是现在，有一点是明确的：物理学的基础正在面临实验和观测的前
所未有的尖锐挑战。科学发展的历史预示著，一场新的变革正在酝酿，并且迟早会
到来。
