物理学的未来

王一鹏

(华北电力大学物理系 河北 保定 071003)

20世纪物理学创造了辉煌的业绩，极大地推进了人类的文明和社会的进步.它是20世纪领头的学科，是科学的先驱.由现代物理学开创的芯片计算机科学技术，使人类进入信息化时代.由物理学的思想方法和所发展的高新检测技术，开启了现代生物工程，建立了现代生命科学.然而物理学自身在21世纪前后走向了被冷落的困境.究其原因，大概不外乎两个方面：一是物理学特别是其经典部分，已相对完善，要作出重大的突破已是越来越困难；再是芯片计算机技术和生物工程已成为对世界经济起主要影响而首先引人关注的科技领域，可是物理学却没有直接联系于经济的以自身命名的“工程”或“产业”，从而受到了人们的冷落.

物理学所遭遇的这一困境，具有世界的普遍性.这一情况在20世纪90年代即已出现.当时美国《今日物理》杂志就曾邀请了八位著名的科学家开座谈会来讨论这一“笼罩着物理学和物理学家的困境”，其结果发表于该杂志上，题为“座谈会，沉重压力下的科学”.编者在按语中指出：“美国的物理学正被二种相悖的情况所困扰，对物理学领域内更多的人和视界来说，物理学比过去更有活力和更有成效时，但是它的实践者却在遭到抛弃，……”这情况在社会上直接表现的后果就是物理学的教育科研经费遭受大量的削减，科研院所和大学中的物理学人员大量减少和人才的大量的流失.

当今，即如在世界最著名的物理学大师牛顿和麦克斯韦的故乡英国，几年前《卫视》网上就有文，称之为“物理学黯淡的未来”.文中说：“物理学大学生正在很快成为消失的一族”，说在过去的十余年中，在英国就大约已有19所大学的物理系被合并或停办了.其中有些即使曾有过很强的物理学研究的成绩记录的系也不能幸免，这包括某些颇为知名的学校如雷丁(Reading)大学和纽卡斯尔(Newcastle)大学的物理系.

说到我国，以中国传统的“缺乏科学”(林语堂语)和时尚的功利务实，物理学在社会中的境遇也不可能会更好一些.现实中明显地可以看到的一点是：现在的年轻人普遍以经济管理专业作为自己选择的方向，最终以“钱途”作为自己的前途，这使物理学失去了最优秀的人才资源.此仅是社会上最显见的一例.

现今物理学在社会上看似黯淡的前景，是由于社会经济方面的原因和相应的社会观念方面的原因造成的，而并非是因为物理学本身在人类社会中所占的地位和所起的作用有所改变而致.20世纪末的1999年3月间，在匈牙利的德布勒森(Debrecen),在联合国教科文组织(UNESCO)的支持下，由欧洲物理学会等组织召开了名为“物理学与社会的未来”研讨会. 在它递交给同期在布达佩斯召开(1999年6～7月)的世界科学大会的报告中，着重指出了物理学在社会特别是在各学科中的地位和作用：

研讨会报告的结论指出，即使人类进入了21世纪，物理学对社会生活的各个方面，无论是物质的还是非物质的，在可见的未来，仍然一如既往地是极为重要的，是实质性的.社会对物理学的当前的认识和态度，虽然极大地影响着物理学自身的发展的进程和物理学家对其研究的方向，但物理学自身的未来的发展，毕竟主要决定于自身的这些内在的因素.社会对物理学的任何忽视，终究是要付出代价的.物理学永远有她光明的前景.

物理学作为20世纪的领头学科，是世纪末期公认的对现实作出的结论，这是有目共睹的.有人说21世纪生命科学将成为领头的学科，虽似乎也有其对当今社会的某些观察的依据.但是，我们且不说所谓“领头”要有其内在的先决条件——决定于它在人类社会的各学科中所处的地位和所起的作用，实际是我们不可能预测，在未来的百年中，它究竟会不会有从理论到实践上的重大突破、重大发现.对社会的这么一个复杂系统中的复杂事件，要作出预测，实在是不可能的！

就21世纪物理学的自身的发展，物理学家则显然无意于做出，也不可能做出其预测.因此，只能是根据当前物理学各领域存在的具体问题，提出某种预想和期望.这也只能是物理学家集体的工作，而不可能由任何个人独立地来完成.因为当今任何个人都不可能全面地深入地了解和掌握物理学各个领域的知识和其当前的进展.数年前正好有一群物理学家做了这一工作.那是在2004年10月间，美国加利福尼亚大学的卡维利理论物理研究所(KITP)在其25周年庆祝会上，邀请了150余位当今世界顶级物理学家，包括数位诺贝尔奖得主，他们都是物理学各领域的领军人物，聚集一起作了《物理学与未来》的研讨会.会上讨论了过去25年物理学的发展，评估了物理学各领域的现状，预想了未来25年物理学的进程，提出了众多的对未来25年中可能引导物理学研究的问题.最后由KITP主任戴维·格罗斯(Dvaid Gross)归结为25个最重要的问题，作了总结发言.戴维·格罗斯因发现夸克强相互作用理论中的渐近自由性而成为2004年诺贝尔奖得主.他于次年(2005年)初，又在欧洲核子物理研究所(CERN)上，以“物理学与未来”为题对以上所提的总结性问题作了专题演讲.以下我们就其内容作一提纲式的介绍.

(1)宇宙的起源：宇宙是如何开始的？我们能往回探测多远？时间是个突现的概念吗？是从“大爆炸”开始，其前有一个“大塌缩”，还是两者是循环的？

(2)暗物质的性质：它是否组成于某种未知的基本粒子，与通常的重子物质是如何相互作用的？它能否在实验室中探测到？它对宇宙中的结构的形成起到什么作用？

(3)暗能量的性质：什么是其微观物理的起源？它是常态的还是变化的？还是它仅仅是一个Λ(爱因斯坦引力场方程中的一个参数——宇宙常量)？

(4)宇宙中结构的形成：星体是如何形成的，如何了解其质谱、双星的频率和星团，行星是如何形成的？宜居行星的频率等等问题.

(5)广义相对论的有效性：它在所有尺度上，在强场中均成立吗？强引力可通过引力波天文学得到可观测的检测吗？通过天文观测可确定Kerr度规描写了黑洞附近的几何吗？

(6)量子力学的有效性:量子力学是否是自然的最终描写？它在极小的距离上，或对大型的复杂系统均能成立吗？它可否描写整个宇宙？宇宙波函数是什么意思？它在意识的系统中有效吗？

(7)粒子物理：基本粒子标准模型中的未解之谜，夸克和轻子的质量和混合，重子和质子的起源，寿命等.

(8)超对称性：存在低能超对称性吗？它是如何破缺的？

(9)量子色动力学(QCD)：QCD可以用解析的方式来解吗？例如，通过对偶弦(dual string)的模型等等.

(10)弦理论的性质：什么是弦理论？弦论真能统一所有的相互作用吗？

(11)空间和时间的本质：空间和时间是基本的，还是突现的现象？我们能想象时间是突现的吗？

(12)物理学是一门环境科学吗？即物理定律是否是唯一的？所有表征物理宇宙的参数和定律在原则上是可计算的，还是由历史的或量子力学的偶然性所决定的,或者是由人择原理来确定的？

(13)传统物理学区别运动学和动力学：运动学、动力学和初始条件是可以相互分离的吗？前者给出物理学的描写和解释的框架，后者给出自然的特殊定律和物质的形式.在弦论中两者的区分变得模糊了.量子力学的神秘性也须与此有关.

(14)凝聚态物理：是否存在新的凝聚态物质？在自然界是否会有非费米液体行为的凝聚态物质？

(15)复杂性：什么是极大的复杂动力学系统的理论？它们通常都有混沌的行为，但是不能断定，系统究竟是一个复杂的难以计算的系统，还是一个具有混沌行为的动力学系统.必须开发工具去分析这些复杂性的计算机模拟.

(16)量子计算机的构造：我们能建造一个现实的量子计算机(>10 000 Qubits)吗？它的主要障碍在于退耦，外部的扰动将使量子计算机约归为一个经典的计算机.

(17)高温超导体：能否制造出室温以至室温以上的超导体材料？至今还未有一个有关于此的好的理论.能否用电子(半导体)材料制造出一种室温铁磁体.

(18)理论生物学：能否建立一种像物理学那样的有基础性概念结构的生物学理论？理论物理学能否给出其帮助？这需要新的数学吗？

(19)基因组学：可从基因组DNA序列推断出一个有机体的形态吗？进化的理论能是定量的和可测的吗？

(20)意识的物理基础：什么是奠定了负责记忆和意识的自组织的原理？能否测量婴儿中意识的开始？人们可以建造具有自由意志和具有目的行为的机器吗？

(21)计算物理学：计算机将替代解析的计算技术吗？如果这样的话，我们应如何改变对物理学家的训练呢？何时计算机会成为具创造性的物理学家？我们要如何来训练它们呢？

(22)物理学的巴尔干化(Balkanization)：物理学将会分裂成从弦论到湿生物学(Wet Biology)的确定的不同学科吗？希望物理学不会分裂成各自独立的领域.

(23)还原论：“我们倾向于理所当然地认为，既然大物体是由小物体组成的，所以大物体的行为，至少在原则上，必定整个地为小物体的行为所决定.”还是对此我们应该保持一种开放的态度,在复杂系统中会不会呈现新的规律？

(24)理论的作用：什么是物理学中或一般科学中理论固有的作用？理论仅是实验的附庸，它首先靠对实际实验结果的预言能力来判别，还是其目的在于达到“更高”层次的了解，它可以只注意于确定的数学模型的解，而不顾及这样的模型在现实世界中的是否可以实现.

在对复杂系统的所有细节的描绘的能力中，理论的简洁性和数学的优雅性我们给以多大的价值.

(25)大物理工程的危险性：在未来25年里，我们可以看到传统的“大”物理(包括天体物理)项目成为不可实现的.我们现对之应当如何考虑其新的处理，对此理论物理学家的作用是什么？

格罗斯在其演讲结束时，又提出了一个补充的问题：物理学有未来吗？KITP理论物理研究所仍然是重要的吗？他给出“yes“的答复！

以上列举的并非包括了当前物理学所关心的研究方向的全部内容，其他应用的和实验的方面，如可控热核反应和纳米物理学等方面的研究并未列入.这也许是因为格罗斯他们另有所考虑？

所列中21～25方面，应该说并非是属于物理学本体方面的内容，而主要是关于物理学的思想和方法方面新提出来的问题.这些问题的研究显然也是极为重要的，它有其自身的研究价值，也影响着物理学今后发展的方向及其进程.

所列的18～20的问题，按通常的理解应属于生命科学的范畴，是当前生命科学中的核心问题.这是上世纪末期以来，物理学的研究愈来愈深入和拓宽

到其他各门学科的应用.物理学与其他学科的交叉性学科日益增长，这极大地推进了相应的其他学科的发展.历史表明，现代生命科学靠物理学而创立，似乎也可以说，生命科学的未来可能仍将最终决定于物理学的未来.

当年KITP研讨会只是给未来25年作了物理学研究方向的设置，这仅是对四分之一个世纪的时间,物理学不可能对整个世纪的未来作出预测.当今物理学虽然身处困境，但她始终会以自己在人类文明社会中所占的地位和所起的作用，一如既往地作为科学的先驱，为一切科学向前开辟前进的道路，为之开创未来.20世纪的历史表明，物理学家当初对物理学的期望，就是能获得量子论的满意的解释和探求其背后的深层次的“决定论性”规律，而百年后的结果是对此并未能取得实质性的进展，却是完全意外地在其应用上完成了人类科技史中的革命性变革——使人类进入了信息化时代，从而使物理学出色地完成了它的历史使命.如今的21世纪如何，还可能给出的是使人们更多的意想不到的结果吗？这就让生活在这新世纪末的人们去做结论吧！

引用网页

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