物理學的未來

王一鵬

(華北電力大學物理系 河北 保定 071003)

20世紀物理學創造了輝煌的業績，極大地推進了人類的文明和社會的進步.它是20世紀領頭的學科，是科學的先驅.由現代物理學開創的芯片計算機科學技術，使人類進入信息化時代.由物理學的思想方法和所發展的高新檢測技術，開啟了現代生物工程，建立了現代生命科學.然而物理學自身在21世紀前后走向了被冷落的困境.究其原因，大概不外乎兩個方面：一是物理學特別是其經典部分，已相對完善，要作出重大的突破已是越來越困難；再是芯片計算機技術和生物工程已成為對世界經濟起主要影響而首先引人關注的科技領域，可是物理學卻沒有直接聯系于經濟的以自身命名的“工程”或“產業”，從而受到了人們的冷落.

物理學所遭遇的這一困境，具有世界的普遍性.這一情況在20世紀90年代即已出現.當時美國《今日物理》雜志就曾邀請了八位著名的科學家開座談會來討論這一“籠罩著物理學和物理學家的困境”，其結果發表于該雜志上，題為“座談會，沉重壓力下的科學”.編者在按語中指出：“美國的物理學正被二種相悖的情況所困擾，對物理學領域內更多的人和視界來說，物理學比過去更有活力和更有成效時，但是它的實踐者卻在遭到拋棄，……”這情況在社會上直接表現的后果就是物理學的教育科研經費遭受大量的削減，科研院所和大學中的物理學人員大量減少和人才的大量的流失.

當今，即如在世界最著名的物理學大師牛頓和麥克斯韋的故鄉英國，幾年前《衛視》網上就有文，稱之為“物理學黯淡的未來”.文中說：“物理學大學生正在很快成為消失的一族”，說在過去的十余年中，在英國就大約已有19所大學的物理系被合并或停辦了.其中有些即使曾有過很強的物理學研究的成績記錄的系也不能幸免，這包括某些頗為知名的學校如雷丁(Reading)大學和紐卡斯爾(Newcastle)大學的物理系.

說到我國，以中國傳統的“缺乏科學”(林語堂語)和時尚的功利務實，物理學在社會中的境遇也不可能會更好一些.現實中明顯地可以看到的一點是：現在的年輕人普遍以經濟管理專業作為自己選擇的方向，最終以“錢途”作為自己的前途，這使物理學失去了最優秀的人才資源.此僅是社會上最顯見的一例.

現今物理學在社會上看似黯淡的前景，是由于社會經濟方面的原因和相應的社會觀念方面的原因造成的，而并非是因為物理學本身在人類社會中所占的地位和所起的作用有所改變而致.20世紀末的1999年3月間，在匈牙利的德布勒森(Debrecen),在聯合國教科文組織(UNESCO)的支持下，由歐洲物理學會等組織召開了名為“物理學與社會的未來”研討會. 在它遞交給同期在布達佩斯召開(1999年6～7月)的世界科學大會的報告中，著重指出了物理學在社會特別是在各學科中的地位和作用：

研討會報告的結論指出，即使人類進入了21世紀，物理學對社會生活的各個方面，無論是物質的還是非物質的，在可見的未來，仍然一如既往地是極為重要的，是實質性的.社會對物理學的當前的認識和態度，雖然極大地影響著物理學自身的發展的進程和物理學家對其研究的方向，但物理學自身的未來的發展，畢竟主要決定于自身的這些內在的因素.社會對物理學的任何忽視，終究是要付出代價的.物理學永遠有她光明的前景.

物理學作為20世紀的領頭學科，是世紀末期公認的對現實作出的結論，這是有目共睹的.有人說21世紀生命科學將成為領頭的學科，雖似乎也有其對當今社會的某些觀察的依據.但是，我們且不說所謂“領頭”要有其內在的先決條件——決定于它在人類社會的各學科中所處的地位和所起的作用，實際是我們不可能預測，在未來的百年中，它究竟會不會有從理論到實踐上的重大突破、重大發現.對社會的這么一個復雜系統中的復雜事件，要作出預測，實在是不可能的！

就21世紀物理學的自身的發展，物理學家則顯然無意于做出，也不可能做出其預測.因此，只能是根據當前物理學各領域存在的具體問題，提出某種預想和期望.這也只能是物理學家集體的工作，而不可能由任何個人獨立地來完成.因為當今任何個人都不可能全面地深入地了解和掌握物理學各個領域的知識和其當前的進展.數年前正好有一群物理學家做了這一工作.那是在2004年10月間，美國加利福尼亞大學的卡維利理論物理研究所(KITP)在其25周年慶祝會上，邀請了150余位當今世界頂級物理學家，包括數位諾貝爾獎得主，他們都是物理學各領域的領軍人物，聚集一起作了《物理學與未來》的研討會.會上討論了過去25年物理學的發展，評估了物理學各領域的現狀，預想了未來25年物理學的進程，提出了眾多的對未來25年中可能引導物理學研究的問題.最后由KITP主任戴維·格羅斯(Dvaid Gross)歸結為25個最重要的問題，作了總結發言.戴維·格羅斯因發現夸克強相互作用理論中的漸近自由性而成為2004年諾貝爾獎得主.他于次年(2005年)初，又在歐洲核子物理研究所(CERN)上，以“物理學與未來”為題對以上所提的總結性問題作了專題演講.以下我們就其內容作一提綱式的介紹.

(1)宇宙的起源：宇宙是如何開始的？我們能往回探測多遠？時間是個突現的概念嗎？是從“大爆炸”開始，其前有一個“大塌縮”，還是兩者是循環的？

(2)暗物質的性質：它是否組成于某種未知的基本粒子，與通常的重子物質是如何相互作用的？它能否在實驗室中探測到？它對宇宙中的結構的形成起到什么作用？

(3)暗能量的性質：什么是其微觀物理的起源？它是常態的還是變化的？還是它僅僅是一個Λ(愛因斯坦引力場方程中的一個參數——宇宙常量)？

(4)宇宙中結構的形成：星體是如何形成的，如何了解其質譜、雙星的頻率和星團，行星是如何形成的？宜居行星的頻率等等問題.

(5)廣義相對論的有效性：它在所有尺度上，在強場中均成立嗎？強引力可通過引力波天文學得到可觀測的檢測嗎？通過天文觀測可確定Kerr度規描寫了黑洞附近的幾何嗎？

(6)量子力學的有效性:量子力學是否是自然的最終描寫？它在極小的距離上，或對大型的復雜系統均能成立嗎？它可否描寫整個宇宙？宇宙波函數是什么意思？它在意識的系統中有效嗎？

(7)粒子物理：基本粒子標準模型中的未解之謎，夸克和輕子的質量和混合，重子和質子的起源，壽命等.

(8)超對稱性：存在低能超對稱性嗎？它是如何破缺的？

(9)量子色動力學(QCD)：QCD可以用解析的方式來解嗎？例如，通過對偶弦(dual string)的模型等等.

(10)弦理論的性質：什么是弦理論？弦論真能統一所有的相互作用嗎？

(11)空間和時間的本質：空間和時間是基本的，還是突現的現象？我們能想象時間是突現的嗎？

(12)物理學是一門環境科學嗎？即物理定律是否是唯一的？所有表征物理宇宙的參數和定律在原則上是可計算的，還是由歷史的或量子力學的偶然性所決定的,或者是由人擇原理來確定的？

(13)傳統物理學區別運動學和動力學：運動學、動力學和初始條件是可以相互分離的嗎？前者給出物理學的描寫和解釋的框架，后者給出自然的特殊定律和物質的形式.在弦論中兩者的區分變得模糊了.量子力學的神秘性也須與此有關.

(14)凝聚態物理：是否存在新的凝聚態物質？在自然界是否會有非費米液體行為的凝聚態物質？

(15)復雜性：什么是極大的復雜動力學系統的理論？它們通常都有混沌的行為，但是不能斷定，系統究竟是一個復雜的難以計算的系統，還是一個具有混沌行為的動力學系統.必須開發工具去分析這些復雜性的計算機模擬.

(16)量子計算機的構造：我們能建造一個現實的量子計算機(>10 000 Qubits)嗎？它的主要障礙在于退耦，外部的擾動將使量子計算機約歸為一個經典的計算機.

(17)高溫超導體：能否制造出室溫以至室溫以上的超導體材料？至今還未有一個有關于此的好的理論.能否用電子(半導體)材料制造出一種室溫鐵磁體.

(18)理論生物學：能否建立一種像物理學那樣的有基礎性概念結構的生物學理論？理論物理學能否給出其幫助？這需要新的數學嗎？

(19)基因組學：可從基因組DNA序列推斷出一個有機體的形態嗎？進化的理論能是定量的和可測的嗎？

(20)意識的物理基礎：什么是奠定了負責記憶和意識的自組織的原理？能否測量嬰兒中意識的開始？人們可以建造具有自由意志和具有目的行為的機器嗎？

(21)計算物理學：計算機將替代解析的計算技術嗎？如果這樣的話，我們應如何改變對物理學家的訓練呢？何時計算機會成為具創造性的物理學家？我們要如何來訓練它們呢？

(22)物理學的巴爾干化(Balkanization)：物理學將會分裂成從弦論到濕生物學(Wet Biology)的確定的不同學科嗎？希望物理學不會分裂成各自獨立的領域.

(23)還原論：“我們傾向于理所當然地認為，既然大物體是由小物體組成的，所以大物體的行為，至少在原則上，必定整個地為小物體的行為所決定.”還是對此我們應該保持一種開放的態度,在復雜系統中會不會呈現新的規律？

(24)理論的作用：什么是物理學中或一般科學中理論固有的作用？理論僅是實驗的附庸，它首先靠對實際實驗結果的預言能力來判別，還是其目的在于達到“更高”層次的了解，它可以只注意于確定的數學模型的解，而不顧及這樣的模型在現實世界中的是否可以實現.

在對復雜系統的所有細節的描繪的能力中，理論的簡潔性和數學的優雅性我們給以多大的價值.

(25)大物理工程的危險性：在未來25年里，我們可以看到傳統的“大”物理(包括天體物理)項目成為不可實現的.我們現對之應當如何考慮其新的處理，對此理論物理學家的作用是什么？

格羅斯在其演講結束時，又提出了一個補充的問題：物理學有未來嗎？KITP理論物理研究所仍然是重要的嗎？他給出“yes“的答復！

以上列舉的并非包括了當前物理學所關心的研究方向的全部內容，其他應用的和實驗的方面，如可控熱核反應和納米物理學等方面的研究并未列入.這也許是因為格羅斯他們另有所考慮？

所列中21～25方面，應該說并非是屬于物理學本體方面的內容，而主要是關于物理學的思想和方法方面新提出來的問題.這些問題的研究顯然也是極為重要的，它有其自身的研究價值，也影響著物理學今后發展的方向及其進程.

所列的18～20的問題，按通常的理解應屬于生命科學的范疇，是當前生命科學中的核心問題.這是上世紀末期以來，物理學的研究愈來愈深入和拓寬

到其他各門學科的應用.物理學與其他學科的交叉性學科日益增長，這極大地推進了相應的其他學科的發展.歷史表明，現代生命科學靠物理學而創立，似乎也可以說，生命科學的未來可能仍將最終決定于物理學的未來.

當年KITP研討會只是給未來25年作了物理學研究方向的設置，這僅是對四分之一個世紀的時間,物理學不可能對整個世紀的未來作出預測.當今物理學雖然身處困境，但她始終會以自己在人類文明社會中所占的地位和所起的作用，一如既往地作為科學的先驅，為一切科學向前開辟前進的道路，為之開創未來.20世紀的歷史表明，物理學家當初對物理學的期望，就是能獲得量子論的滿意的解釋和探求其背后的深層次的“決定論性”規律，而百年后的結果是對此并未能取得實質性的進展，卻是完全意外地在其應用上完成了人類科技史中的革命性變革——使人類進入了信息化時代，從而使物理學出色地完成了它的歷史使命.如今的21世紀如何，還可能給出的是使人們更多的意想不到的結果嗎？這就讓生活在這新世紀末的人們去做結論吧！

引用網頁

1 http://www.engineeringservicesoutsourcing.com/b/fe/2008/04/future-of-physics-trends-and-issues.html

2 http://www.guardian.co.uk/education/mortarboard/ 2006/ oct/03/ ableakfutureforphysicsl

3 http://www.unesco.org/science/wcs/meetings/ eur_debrecen_99.htm#contact

4 http://qd.typepad.com/24/2005/01/the_future_of_p.html

5 http://indico.cern.ch/getFile.py/access?resId=0&materialId=2&confId=a05302