現(xiàn)代物理面臨的巨大挑戰(zhàn)

以相對論和量子力學為基礎的現(xiàn)代物理大廈，可以說金碧輝煌。人類“上九天攬月，下五洋捉鱉”，“千里眼”、“順風耳”這些夢想都已實現(xiàn)。然而，正像19世紀末經(jīng)典物理時代那樣，萬里晴空中還有朵朵烏云。這既是挑戰(zhàn)，也是發(fā)展的機遇。

夸克禁閉問題

從粒子標準模型我們知道。構成物質的基本粒子有電子、中微子等6種輕子，有上夸克、下夸克、頂夸克、底夸克、奇異夸克和粲夸克6種夸克，它們都在科學實驗中檢測到了，但是，夸克不能單獨自由存在，物理學上稱之為色禁閉，這是為什么?至今未能在理論上解釋清楚這種現(xiàn)象。美國克萊數(shù)學研究所將此問題列入了懸賞100萬美元的七大數(shù)學難題之一。

暗能量、暗物質和反物質問題

愛因斯坦用廣義相對論構建宇宙模型時。為了保證是靜態(tài)，在方程中引入了“宇宙常數(shù)”項，后來天文觀測證實宇宙是在不斷膨脹的，愛因斯坦驚呼這是他“一生中最大的一件錯事”。因為宇宙膨脹本是廣義相對論方程的自然結論，然而他卻人為地引入常數(shù)項。鑄成大錯。有趣的是后來科學家們對超新星紅移現(xiàn)象進行分析，尤其是對探測宇宙輻射背景的衛(wèi)星MAP發(fā)回數(shù)據(jù)的分析，認為宇宙在加速膨脹，宇宙常數(shù)應為很小的正數(shù)，它代表真空能量，即暗能量項，說明暗能量約占宇宙總能量的72％，我們常見的物質約占5％。剩下約占22％的物質統(tǒng)稱為暗物質。科學家認為正是暗能量產(chǎn)生的排斥力克服吸引力，使宇宙加速膨脹。那么。這些暗能量和暗物質究竟是什么?至今仍是個謎。

按宇宙大爆炸理論，在爆炸時正物質和反物質是同時產(chǎn)生的，數(shù)量幾乎一樣多。現(xiàn)在我們見到的都是正物質，只在實驗室里和宇宙射線中可以發(fā)現(xiàn)某些反物質。那么宇宙初期誕生的反物質到哪里去了?會不會有一個反宇宙?這都是令人暇思萬般的趣味問題。暗能量、暗物質和反物質問題的解決對現(xiàn)代物理學的發(fā)展必將產(chǎn)生深刻影響。

類星體能量之謎

20世紀60年代以來，天文觀測技術不斷進步。科學家發(fā)現(xiàn)某些天體的光譜顯示巨大的紅移現(xiàn)象。說明這類天體距離我們最遙遠。由于它們類似恒星。所以取名為類星體。計算表明一顆類星體發(fā)出的能量相當于千萬億顆太陽發(fā)出的能量!類星體發(fā)光時間很長，一般超新星僅有一年的壽命，可是我們知道的類星體至今仍然在發(fā)光，壽命可能超過太陽。類星體如此巨大的能量從何而來?現(xiàn)有的物理理論很難解釋。科學家們百思不得其解。

兩個世界級的大實驗

現(xiàn)在有兩個世界級的大實驗引人關注。一個是由諾貝爾獎獲得者、美籍華人物理學家丁肇中領導的“AMS”實驗。目的是要在太空尋找反物質和暗物質。另一個是啟動歐洲大型強子對撞機計劃。簡稱“IMC”。大型強子對撞機是將質子加速對撞的高能物理設備，它是目前世界上最大、能量最高的粒子加速器，能將兩束質子分別加速到7x10的極高能量狀態(tài)，并使之對撞，相當于宇宙大爆炸后不久的情況。來自約30個國家的600多名科學家參與了這項激動人心的實驗。它要尋找粒子物理學理論“標準模型”中未發(fā)現(xiàn)的最后一種粒子，即希格斯粒子，從而回答質量產(chǎn)生的根源。研究人員還希望發(fā)現(xiàn)超對稱粒子。以檢驗暗物質和反物質理論。從大型強子對撞機模擬宇宙大爆炸后原始狀態(tài)中。還可以了解夸克等粒子的性質。由此可見。這項實驗是何等重要!

實驗證明相對論和量子力學都是正確的。能否將它們統(tǒng)一起來?現(xiàn)在有一種弦理論引人矚目。美國理論物理學家施瓦次和英國物理學家格林建立的現(xiàn)代超弦理論。認為基本粒子是由極短的弦構成的。弦有線度。可以像小提琴弦那樣振動，弦振動的每一種頻率就表示一種基本粒子。該理論指出，這樣一來就可以統(tǒng)一四種基本作用力。填平相對論與量子力學之間的鴻溝。這是多么美妙的理論!不過理論必須有實驗證明。才會使人信服，科學家正在為之努力奮斗。

相對論與量子力學。分別引導人們從宇觀和微觀兩個方向探索客觀世界。已成為現(xiàn)代科技的基石。從原子能技術、航天技術，信息技術、激光技術、生物技術、納米技術和超導技術等各方面，都可以發(fā)現(xiàn)它們的巨大貢獻。不僅如此。在宇宙大爆炸狀態(tài)探索分析中，它們又密切聯(lián)系起來。因此，通過天文觀察和高能物理實驗。可能形成重大的理論突破。這就是當前世界物理學發(fā)展動人心弦的壯麗景象!