额外维度、多重宇宙、时间旅行等等听起来像是从科幻小说出才会出现的概念，事实上一直是前沿理论研究的对象。有些人认为我们永远也无法在实验室中检验这些理论，乐观主义者则认为，只要有足够的时间和资源，我们将最终得到令人满意的答案。
1时空之谜
亨利·庞加莱曾经说过：“三维语言看起来比四维更加适合用来描述我们的世界。” 在1917年时，物理学家保罗·埃伦费斯特（Paul Ehrenfest）也曾写过一篇富有启发性的论文[5]。在文章中他枚举了许多证据证明三维是描述我们这个世界最完美的维度。如果再加上时间维度，就是我们熟悉的四维时空。但是时空真的只有四维吗？如果是，为什么恰好是四维的？一个真正令人满意的理论应该能够提供一个合理的（非人择的）解释。另外，我们也想要解释为什么时间只有一个坐标？
还有一个深刻的问题是，时空的起源是什么？有一些理论推测，或许我们可以从一些更基本的框架中推导出时空。或许时空是从一些更深层次的量子现象中产生的，那么时空的量子本质是什么？全息原理、Amplituhedron、量子泡沫都尝试回答这个问题，但至今还没有出现过令人信服的结果。
○ Amplituhedron，一种新发现的数学对象，类似于在更高维度中的多面体宝石。它大大简化了粒子间相互作用的计算，并且向时空是现实世界中的基本成分这一概念发起挑战。
2存在更高的维度吗？
在广义相对论发表不久后，数学家 Theodor Kaluza 有了一个绝妙的想法，如果空间是四维，那么他就可以把光和引力——它们看起来毫无共同之处——统一起来。这个美妙的理论连爱因斯坦都心动了。但这个额外维在哪里？物理学家 Oskar Klein 认为 Kaluza 的额外维度会卷曲成看不见的小圆圈（用术语说就是“紧致化”），尺度为10^33厘米。这个尺度太小了，以至于目前任何实验都无法直接探索它的存在。当然，现在我们知道他们的五维统一理论是错误的。
到了1970年代，弦理论家的登场复兴了对额外维度的探索。超弦理论所需要用到的数学要求存在至少十个维度。也就是，为了让描述超弦理论的方程能够运作——连接广义相对论和量子力学的方程，解释自然界中的粒子，统一基本力等等——他们必须发明额外的维度。物理学家必须思考如何紧致化额外的六个维或更多。最后，弦理论家发现，如果用卡拉比-丘空间来代替在空间中卷曲的圆圈，我们就会得到十维：三维空间，加上六维的卡拉比-丘成桐空间，再加上一维时间。
○ 六维的卡拉比-丘空间，正是超弦理论所需要的额外维。
如果存在额外维度，那么接下来更深层的问题就是我们宇宙内部空间的结构。自然规律大概是由这个结构决定的，所以不同的内部空间会对应不同的宇宙：内部空间本质上就是宇宙的基因组。例如，弦理论所预测的可能宇宙的数目高达10的500次方。
3是否存在多重宇宙？
多重宇宙，这个令人联想翩翩的概念，实际上是一些最受推崇的理论所预言的，例如：由于暴胀模型在某些方面的不足之处，使许多人认为“永恒暴胀”的设想是极有可能的。在这种设想下，由于新的宇宙会不断地从旧的产生，从而导致宇宙的数量不断的增加。
○ 在永恒暴胀理论中，暴胀永远不会停止。图中红色X的记号代表暴胀停止的区域，比如我们的宇宙。绿色则代表暴胀继续的区域，会一直无限持续下去。
如果我们把注意力仅限于自己的宇宙，暴胀意味着它的大小远大于局部的可观测宇宙。事实上，它有可能是无限的，具有平坦或开放（双曲线）几何。那么我们单一的宇宙就包含了大量的可观测的宇宙。
而如果我们进一步把注意力放在在可观测宇宙之中，那么由 Hugh Everett 提出的量子力学的多世界诠释暗示着当我们对一个系统进行观测时会分离出无数个平行宇宙，每一个都是波函数的一个可能解，而我们只是在其中一个特定的宇宙。
另外，如果自然是由采取所有可能的路径积分来描述的，那么问题20探讨的每个内部空间就都是有着不同法则的不同宇宙的基础。此外，对于一个给定的内部空间，可以有许多不同的初始条件，也意味着不只有一个宇宙。
当然，多重宇宙是极具争议的，因为它不在正常的科学领域所能掌控的范畴之内。同样极具争议的还有人择原理，简单地说就是我们所居住的宇宙必须是一个满足智慧生命的出现所要求的宇宙。理论物理学家 Brandon Carter 将该原理分为两种：弱人择原理和强人择原理。前者认为，作为观察者的我们之所以存在于这个时空位置，是因为这个位置提供了我们存在的可能；后者则认为，我们的宇宙（同时也包括那些基本的物理常数）必须允许观察者在某一阶段出现。
这个原理通常是由多重宇宙和我们宇宙的许多特征似乎不利于我们存在的事实驱动的。然而，我们生活在一个“适居带宇宙”中，就像我们已生活在一个“适居带行星”上一样。而真正的挑战就在于如何使多重宇宙和/或人择原理成为真正的科学理论。
4是否存在一些奇异性质的时空几何？
非阿贝尔规范理论预测了各种可能对宇宙学很重要的拓扑缺陷，其中包括单极子、宇宙弦和畴壁。此外，爱因斯坦的广义相对论允许许多奇特的拓扑结构存在于时空之中，例如虫洞。我们偶尔会在微波背景辐射测量中搜索宇宙非平凡拓扑结构的证据。
○ 虫洞：时空中的捷径。
另外，在时空几何中的裸奇点和闭合类时循环的可能性仍未被解决。这很有意思，因为它们在理论上允许进行反向时间旅行。
5宇宙是如何开始的？它的最终命运又是什么？
宇宙起源，或许是最最基本的大问题了。关于它的奥秘有许多：为什么宇宙需要一个起源？最初出现的场是什么，又是以怎样的状态出现的？为什么初始的熵是如此之低，使得我们能够定义未来的熵增走向？在我们这个特定宇宙的开始之前，是否还存在任何其它东西？
另一方面，科学家一直想知道我们的宇宙的最终命运是什么？由于我们现在仍不知道暗能量究竟是什么，因此前方或许还有更多的惊喜在等着我们发现，我们不知道未来宇宙会走向何方。不同的理论模型对宇宙的过去和未来都有不同的判断。也许宇宙将永远膨胀下去，物质之间的距离被拉的越来越远，最终达到热寂状态；也许在某一个时刻，宇宙会停止膨胀，并开始收缩，直到回复至刚诞生时的状态；也许宇宙会在膨胀和坍缩之间不断的循环自己。
○ 循环宇宙？
未来，更多精确的观测将有助于我们对众多模型进行筛选和排除，但可以肯定的是，一个好的预测肯定需要涉及在引力、粒子物理学和宇宙演化上做出根本性的突破。
6引力的起源之谜
本质上来说，所有的统一理论（比如大统一、超对称等），都假设了局域洛伦兹不变性（即爱因斯坦的相对论），而非尝试去解释它。Sakharov和其他人试图从真空能量或其他形式的度量弹性中推导出引力，但这些努力都不具有说服力。在费曼等人的早期研究中，从弦理论中推导的引力为自旋为2的场。但问题是弦理论、它的场和它的作用量（action）都是从哪里来的，而且这类思路（如弦理论本身）还并未得到广泛的接受。所以引力的根本来源也是一个未知的大问题。
○ 关于引力，还有许多谜题等待被揭开。| 图片来源：Julien Pacaud
7为什么所有的基本力都有规范理论的形式？
粒子物理学的标准模型中的所有基本力都是由规范场描述的（甚至连引力也是由一个规范理论描述的，尽管是以一个不同的结构呈现的）。它是一种真正意义上用来解释自然界为何会存在这些力的基础理论。它或许也可以解释为何物质与这些场存在一种简单的最小耦合，以及为何它们的作用量存在一种简单的最微形式。
8为什么自然是由量子场描述的？
真正基础的理论或许能从更深层的原理中推导出量子力学和量子场。其中涉及到的一个重要问题是量子力学的诠释，目前学界对此还没有达到共识。早在1911年，爱因斯坦就意识到了这个问题，他在大量文章和书籍中都对此进行了质问与思考。但是这些问题至今仍未能被很好的解答，从某种意义上说许多杰出的物理学家仍对波粒二象性（或薛定谔猫和EPR悖论）感到疑惑。但抛开诠释的问题，或许只有这样的基础理论才能解释我们所在的宇宙为何由量子场构成，而这些场又是如何起源的。
○ 通电的导线周围会产生磁场，铁屑在磁场的作用下发生定向排列。
9物理在数学上的一致性问题
对一个成功的理论来说，它必须在数学、逻辑和哲学上都保持一致性，并同时能预测实验与观测的结果。但是即便是简单的四维时空中的量子场论，也还没能在数学上做到严格的一致性。
10物理形式和人类经验的现实之间有什么联系吗？
我们对自然的基本法则还远未达到真正理解的地步，数学和物理本质上是一个与自然本身具有相同关系的人类创造，如同一幅承载着由自然所描绘的丰富地形的地图。
在“现实的终极本质”这一话题里，包含着一个古老的问题——“为什么有物存在，而非一切皆空？”对此，哥伦比亚大学的哲学家 Sidney Morgenbesser 的回答就非常有趣，他说：“即便是一切皆空，你还是不会满意！”麻省理工学院的理论物理学教授 Frank Wilczek 的回答或许是最优的，他说：“对于这个古老问题，答案就是——‘空’是不稳定的。”
爱因斯坦有一句同样深刻的名言，他说“这个世界最难以理解的就是它是可被理解的”。什么样的原理可以解释这样一个事实，即现在的宇宙是由简单的规律顺利演化导致、而非随机的混沌胡乱而成的？或许对自然的终极理解，会证实自然就如艾米莉·狄金森在诗中所写：
“自然，是我们所知
却无法巧妙说出
我们的智慧无能为力
面对她的朴素。”
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