如果以为我们对于物理学领域中的所有基本问题都已经搞懂了，那就大错特错。研究者不断提出有关古老的自然科学领域中的问题，包括以下物理学领域的几个重要之谜，或许能给读者带来某些启示——
时间在不停顿地流逝，永远不可能倒转，这是人们在日常生活中察觉到的事实，但至今仍未解开深藏在时间现象背后的谜。
4. 什么是时间？
“绝对的、真实的和数学意义上的时间在流逝，它的性质可能是相同的，与其他任何学科之间没有相互联系。”这是牛顿于1687年在《自然规则的数学原理》一书中对时间现象的描述。这位古典力学的创立者表述了观察时间的方式，人们在日常生活中确实按照牛顿的方式来观察时间。但牛顿随意地在其著作中补充了关于时间形式的描述。
按照物理学规律，时间的流逝是不会倒转的。爱因斯坦创立的狭义相对论很明确地告诉人们：实际情况比我们所认为的要复杂得多。根据爱因斯坦方程，在两个作相对运动的观察者眼中，时间流逝的情景是不一样的。这说明在不同位置上不仅观察到的事件不同，而且时间流逝的速度也不同。按照相对论定律，每一个观察者都有一个他自己的“原时。”
物理学家通过用飞机运送一部极其精确的原子钟的实验，证实了确实存在时间的相对性。在实验开始之前，科学家将飞机上的原子钟时间调至与地面的原子钟的时间相同。当飞机着陆后，科学家对照两部相同原子钟的时间，发现它们所显示的时间有偏差，飞机上经过长途运输的原子钟显示的时间比地面上的原子钟稍微快一点。
当人们按照广义相对论来考虑问题时，情况将显得更加复杂。根据该理论，在一个重力场的不同位置上，时间流逝的快慢是不同的，实验证明了这一点。德国海德堡大学理论物理学教授迪特尔 · 策(H. Dieter Zeh)指出：“仅仅因为我们的平常经验是有限的，我们只能够到达宇宙中的一小块地方，加上我们的智力是狭隘的，我们显然还没有完全获得对空间和时间的准确理解。”
广义相对论把时间描述成有边际的。正如包括霍金在内的许多物理学家所指出的：宇宙大爆炸不仅给世界带来了物质，也随之带来了空间和时间的开端。
时间确实是单向的吗？方向真的是不可逆转的吗？描述日常现象的物理学基本规律对时间可逆转来说是格格不入的。人们观察不到一块破碎的窗玻璃是如何自动拼合成一个整体的，也观察不到咖啡中的牛奶是如何恢复到液滴形状的。正如热力学的两大基本原理所表述的那样，熵所描述的系统状况虽然是瞬息即逝的，但要确定这样的系统状况的可能性仍然微乎其微。
热力学第二定律与关于双向时间对称性相悖。所以物理学家没有把双向时间对称性与热力学的时间矢量等同起来。而热力学的时间矢量所描述的时间是从过去到未来的流逝，人们一直把以此种时间流逝形式视为时间流逝的基础，由此看来这种对时间的认识带有主观性。现在的问题是：热力学第二定律不是从物理学基本方程导出的，而只是一种以经验和随意产生的需要为依据的假设。
许多物理学家对以上说法不太满意。迪特尔 · 策认为：“时间开始于宇宙大爆炸，时间开端在宇宙膨胀过程中起着时间矢量的作用。用来衡量宇宙膨胀参量的对数首先给予了永恒的宇宙一个内在动力，有了这个动力，人们才感觉到时间在缓缓地在前进。”
现在的问题是：如果宇宙什么时候开始缩小，那么时间也会逆转吗？还有人的生命旅途是否能够在时间上逆向？很多物理学家认为这是可能的。然而包括霍金在内的很多科学家不相信逆向时间旅行的可能性，相反地他们提出：人类会造成各种各样的发生在过去的祸害，这些祸害将导致完全属于荒谬的情况的发生。
英国物理学家休 · 埃弗里特(Hugh Everett)研究出的多种世界模型，不失为是一种关于时间逆转问题的解答方法。按照模型，宇宙在每一时刻都再分裂出无数个各不相同的相互独立的宇宙，而所有想象得到的世界进程都存在于无数个宇宙中的某个宇宙中。由此看来，时间旅行者到达某个过去的时刻，可以看成是他移居到了另外一个平行的世界中去。
上述对时间问题的阐述是确认还是反驳，固然存有争议的。
即使是悟性极高的科学家也会在错综复杂的量子世界里迷失方向，要摆脱困境非得使上九牛二虎之力。
5. 哪里是量子世界的起点？
要直观地理解量子理论，对许多物理学家来说几乎是一种毫无成功希望的冒险。量子世界中的电子、光子和原子的性质跟我们所熟悉的世界中的电子、光子和原子的性质之间存在很大差别：粒子能够穿过墙壁，相隔一段距离的各个粒子之间竟然会产生相互联系，同时能够按各种途径回到原状。量子世界中最为奇特的现象之一是感应，这是人们在实际生活中所观察到的。量具明显地改变了量子力学领域中的实在性：量具将不确定的和模糊的事物变换成确定的和具体的事物。至今没有人能够解释一个粒子同时处于多种状态这一现象。因为一个时刻的一次测量只能“确定”一种已测量的状态。
我们来看奥地利物理学家欧文 · 施罗丁格(Erwin Schrodinger)用猫为对象做的一个实验：他把一只猫锁进一只放有随时都在衰变的放射性物质的箱子里(猫只有在原子不发生衰变的条件下才能生存，然而放射性物质的原子衰变是避免不了的)，结果那只猫死了。将该实验中的猫比作量子力学，当箱子锁着时，猫生存和死亡都有可能，它处于两种状态叠加的状态下；而当箱子开着的时候，猫才可以在生存和死亡之间做出选择。
如何准确地来理解对观察者产生的影响？究竟是否存在这种影响？我们应该在哪里用什么样的方法去发现微观世界和宏观世界的区别？很多物理学家接受了用非相干性理论来解释微观和宏观世界中的物质显示出的不同特性。根据非相干性理论，不可控制的环境影响使得量子力学性质在某个系统中失去，这就是我们在日常生活中所认识到的情景。
以上的关于物质性质的解释是否正确，至今人们还无法知道。但是，近几年来的物理学实验显示：我们可以继续向量子世界的疆界接近，宏观世界尽管很大，但是我们仍可以用量子力学的规律来加以定义。以玻色-爱因斯坦凝聚态为例，该物质由100万个超低温气体原子组成的微型云状物，它在绝对零度稍高一点的温度条件下冷凝，并保留在一个磁陷阱内，其表现就像受量子效应影响的巨大原子。这种巨大原子的直径有几微米，但比一般原子大得多。
玻色-爱因斯坦凝聚态极可能是未来的量子计算机的组成部分。未来的量子计算机的计算速度将比今天的计算机快很多。根据量子化定律，量子计算机几乎能够同时完成任意多的运算。一部传统计算机必须逐步依次完成的运算，可以让一部量子计算机平行地完成，这就表明将节省大量时间。
建造量子计算机仍然是遥远的事，但量子效应将被我们利用，当然同时要实现这个目标是极其困难的，期间很多变化因素会出现。所以量子物理学不仅很难理解，而且它的实际运用也是遥遥无期的。
尽管工程师们不愿为湍流问题伤更多的脑筋，但是湍流理论研究者企图突破理论上的极限，而有关湍流的方程式早在150年前就已经建立了。
6. 湍流是如何形成的？
如今宇宙探测器能够登上火星，显微镜能够使人看到原子和分子，特殊的处理方法能够用来破译人类基因结构。但是，在像咖啡搅动这样的日常生活中最常见的现象中，偏偏存在着让我们费解的物理学现象：牛奶是如何与咖啡混合在一起的？要在理论上阐述“咖啡是如何起旋涡的？”是一件很困难的事。英国物理学家霍雷斯 · 拉姆(Horace Lamb)早在1932年就表示期望搞清楚两件事情：“第一件是量子电动力学，第二件事是流体运动。我对搞清楚第一件事是充满信心的。”他说对了。几年以后，他搞懂了量子电动力学，而流体问题的解决至今仍然还没有获得突破。
流动现象不仅仅存在于咖啡中，乘坐飞机的旅客经常会因飞机受空气湍流影响而受惊。湍流经常出现在天空的云块和浴池里的涡流中。湍流与湍流之间会相互影响，它们甚至会成为一个相互不可分割的系统。
在工程师看来，湍流不是什么严重问题。然而在物理学家看来，需要建立一个解释流体运动的方程，尽管他们在150年前已经建立起了描述湍流运动的方程式。但是德国奥登堡大学流体动力学教授约希姆 · 派因克(Joachim Peinke)指出：“我们既不能用数值方法也不能用数学方法来解出该方程式。”
是什么因素使得湍流运动如此难以描述？派因克解释道：“首先是处于混乱的和非线性状态的湍流运动具有不可估计性。”最近几年里，科学家运用浑沌理论看到了湍流中的内聚性。虽然浑沌理论与涡流有关联，但如果用其来解释涡流，仍然是困难重重。不过，派因克强调：浑沌理论的方程式是可解的，湍流问题是可以得到解释的。
既然湍流在工程师们看来不成为问题，为什么科学家还要去解出湍流方程式呢？德国马尔堡大学理论物理学教授布鲁诺 · 埃克哈特(Bruno Eckhardt)指出：“如果我们理解了湍流，我们就可以建立更好的模型。有了这样的模型，我们就能够进行具体的预测工作，例如预测天气，还可以毫不费力地处理出现在石油管道和水管中的湍流。”这样的模型还适用于车辆驾驶的速度控制。当驾车者在踩油门踏板时，他一定要考虑空气涡流对车辆的影响，在这种场合下，新型的涡流运动模型就派上用场了。
湍流理论帮助科学家计算出行将出现的流体运动，利用以掌握的方程式对高山或者平原的空气流动趋势进行精确的预报，以及对几百公里范围内的天气进行准确预报。大气干扰的各个空间方向有100万个以上的数据处理单元，这些数据处理计算单元的计算量超出了现有计算机的计算容量。因此如果能够开发出一种能处理如此巨大数据量的计算机，我们就可以长久地利用这些数据。日本的科学家已经研制成功能模拟在每个空间方向4096个数据处理单元，这是目前最高的记录。
建立一个唯一的、能解释一切的公式，这是物理学家的一个古老的梦，它依旧没能转化成现实。
7. 世界公式是否存在？
自从有了自然科学，科学家最想做的一件事莫过于用尽可能简单而完美的方式去解释世界，他们想把关于世界本质和认识包涵在一个具有解释性的世界公式里。这个包罗万象的“首要理论”将收集现代物理学的两大支柱——量子力学和广义相对论。量子力学描述的是单个原子的性质，但是在日常生活中当众多原子集聚时，它们的效应就失去了。而相对论涉及的是广袤的星际，解释的是宇宙规律。既然人们认为量子力学和相对论是极其美妙的，为什么不把这两种理论融合在一起，以建立科学家们所希望的世界公式呢？但是，事情并不那样简单，因为这两种理论中的部分内容是相互抵触的。
因此，物理学家要建立一个包涵介于量子力学和相对论之间的难以确定的内容的理论，其涉及的范围将更广。德国马普研究所的引力科学家简 · 普莱夫卡(Jan Plefka)说：“这个理论的重要功能就是把存在于自然的力——电磁力、强力、弱力和引力这4种力统一起来。”电磁力描述的是带电粒子与引起电荷运动的磁场之间的引力或者斥力；而放射性衰变，即所谓的Β-衰变是弱力的一种特定形式，影响范围极小，仅有大约一个质子直径的1%，因此我们很难觉察到弱力的存在；强力的作用在于将各个夸克同时留在质子和中子内部，使夸克与质子和中子组成原子核。
引力是所有的力中最强的，它是我们最能够觉察到的力，如玻璃器皿在地上摔碎就是引力的作用。按照爱因斯坦的广义相对论的描述，引力使得众多原子处于簇拥在一起的状态。普莱夫卡解释道：“我们还不能描述微观宇宙中的引力。”微观宇宙是量子力学研究的领域，所以说，一定存在物质的最小组分——量子。那么我们是否可以这样来表述引力：它是最小单位的力，它可以像可换零件那样将自己的作用转移到另一个粒子上。科学家已经发现，电磁力、弱力的和强力都有这种“零件可换”现象。至于引力的性质，科学家还在摸索中。
1968年，物理学家创立的串理论抛弃了长期以来确立的点状粒子概念。按照该理论，组成物质的基本粒子呈橡皮带状，即像一根“线”；这些“串起来的线”不仅存在于我们所熟悉的三维空间中，而且同时处于一个新的维度中。根据我们目前的认识水平，这个维度就存在于宇宙大爆炸中。我们从日常生活中感知的那个世界仅仅是三维的。根据串理论，宇宙大爆炸中还存在另一个三维空间，只是它太微不足道。普莱夫卡指出：“我们完全可以用口香糖来说明问题。当口香糖被拉伸成一条线时，它好像只有一个维度，只有当我们细看时，才发现口香糖仍然有三个维度，只是另外两个维度很小。”
人们对串理论的理解是初步的，科学家还将对该理论继续做补充。普莱夫卡说：“物理学家从许多近似的角度来理解串理论，但是他们还不能够对该理论作精确的分析。”串理论有5个不同的模式，所有模式看上去都是合乎逻辑的。
大约在10年前，科学家发现：这5个模式仅仅反映了全部串理论的不同的方面，他们把这5个模式组成了一个内容丰富的M-理论。按照M-理论，宇宙总的空间维度数为10；组成物质的最小粒子并不是像串理论所描述的是呈“橡皮带”状，而是像由许多细线组成的“肥皂泡膜”。不过，普莱夫卡还是认为：“我们仍旧不能正确描述M-理论。”总之，通向世界公式的道路还很长。