2000年7月，一批物理學(xué)家聚集在美國圣巴巴拉加州大學(xué)，在弦理論學(xué)術(shù)會議結(jié)束后，以“千年瘋狂”為主題，挑選出在新的千年中需要思考的物理難題。圣巴巴拉加州大學(xué)理論物理研究所所長格羅斯教授將其歸納整理為10大頂級難題。解決這些問題并不會被頒發(fā)任何獎金，但解決任何一個問題都足以獲得諾貝爾獎。
1、表達(dá)物理世界特征的所有(可測量的)無量綱參數(shù)原則上是否都可以推算？或者是否存在一些僅取決于歷史或量子力學(xué)偶發(fā)事件的無法推算的參數(shù)？
這個問題用愛因斯坦的話來描述更為直觀：“上帝在創(chuàng)造宇宙時是否經(jīng)過精心的設(shè)計？當(dāng)他按下大爆炸的按鈕前，是否曾思考：‘我該把光速設(shè)定在多少？我該把電子的電荷定為多少？’上帝是匆忙地抓幾個數(shù)字來確定這些常量？還是這些常量必須如此，它們之間有著某種深奧的邏輯關(guān)系？”
2、量子引力如何幫助解釋宇宙起源？
目前物理學(xué)的兩大理論是量子力學(xué)和廣義相對論。前者用于描述微觀粒子，后者是有關(guān)引力的理論，但它們有著深刻的矛盾。長久以來物理學(xué)家都希望把二者合而為一，得到一種統(tǒng)一理論——量子引力論。目前看來，最有希望的是超弦理論。
3、質(zhì)子壽命有多長？如何理解？
人們曾經(jīng)認(rèn)為質(zhì)子是不可以分解為更小的粒子的，但是在70年代，物理學(xué)家認(rèn)識到，他們提出的“大統(tǒng)一理論”暗示質(zhì)子必須是不穩(wěn)定的。只要時間足夠長，在極偶然的情況下質(zhì)子會分解。多年來，實驗人員一直在地下實驗室中觀察，等待著質(zhì)子的“死去”。但至今質(zhì)子的死亡率一直為零，這意味著要么質(zhì)子非常穩(wěn)定，要么它的壽命非常長——至少在10億億億年以上。
4、自然界是超對稱的嗎？若是，則超對稱是如何破滅的？
“大統(tǒng)一理論”指出：構(gòu)成我們常見物質(zhì)的粒子如質(zhì)子、電子，與傳遞作用力的粒子——玻色子，會存在一種稱作“超對稱”的關(guān)系。但目前仍未在宇宙中觀測到這種對稱性。如果理論是正確的，宇宙就是超對稱的，那么就必須解釋我們現(xiàn)在為什么觀測不到這種對稱性。
5、為什么宇宙表現(xiàn)為一個時間維度和三個空間維度？
眾所周知，我們生活在一個三維空間加一維時間的世界里。但是超弦理論指出，宇宙還有另外的6個維度，每一維都呈卷曲狀態(tài)，十分微小，無法察覺。如果超弦理論是正確的，那科學(xué)家就要解釋為什么只有三個維度能夠伸展開來而被我們察覺。
6、為什么宇宙常數(shù)有其自身數(shù)值？是否為零或恒定？
宇宙在加速膨脹，科學(xué)家用宇宙常數(shù)來描述這種加速。根據(jù)計算，這個常數(shù)應(yīng)該很大，宇宙應(yīng)當(dāng)以跳躍性的速度加速膨脹。但觀測事實并非如此，宇宙的膨脹速度并沒有計算出的速度快，肯定有某種機(jī)制在抑制這種作用。
7、M理論的基本自由度是多少？該理論是否真實地描述了自然？
M理論包含5種相容的超弦理論。在M理論中，所有亞原子被解釋成由微小的超弦組成。另外M理論給組成亞原子的物質(zhì)增加了一種稱作“膜”的更為神秘的物質(zhì)，它最多有9個維度。那么弦和膜哪一種是更基本的物質(zhì)？它們是否真實存在？還是說M理論只是人類發(fā)明的一個大腦游戲？
8、黑洞信息悖論的解決方法是什么？
根據(jù)量子力學(xué)，信息是不會從宇宙中消失的。但是根據(jù)霍金的計算，黑洞輻射中并不包括任何黑洞內(nèi)部的信息。一旦黑洞蒸發(fā)殆盡，黑洞內(nèi)部的信息便會隨著黑洞的消失而消失，這與量子力學(xué)相矛盾。
9、何種物理學(xué)能夠解釋基本粒子的引力與基本粒子的典型質(zhì)量之間的巨大差距？
換句話說，為什么粒子的引力會比其他作用力（如電磁力）弱的多？一塊磁鐵能夠吸起一個回形針，盡管整個地球的引力都在把它往下拉。
根據(jù)最近的一種說法，引力實際上要大得多，它只是看上去比較小，因為大部分的引力陷入了一個額外的維度之中。如果我們可以俘獲全部引力，也許有可能造出一個微型黑洞。
10、我們能否定量地理解量子色動力學(xué)中的夸克和膠子約束以及質(zhì)量差距的存在?
量子色動力學(xué)( QCD)是描述強(qiáng)核子力的理論。這種力由膠子攜帶，它把夸克結(jié)合成質(zhì)子和中子這樣的粒子。根據(jù)量子色動力學(xué)理論，這些微小的亞粒子永遠(yuǎn)受到約束。你無法把一個夸克從質(zhì)子中分離出來，因為距離越遠(yuǎn)，這種強(qiáng)作用力就越大，從而迅速地把它們拉回原位。
但物理學(xué)家還沒有最終證明夸克和膠子永遠(yuǎn) 不能逃脫約束。他們也不能解釋為什么所有能感受強(qiáng)作用力的粒子必須至少有一丁點(diǎn)兒的質(zhì)量，為什么它們的質(zhì)量不能為零。一些人希望 M理論能提供答案，這一理論也許還能進(jìn)一步闡明重力的本質(zhì)。
