王一鵬

(華北電力大學(xué)物理系 河北 保定 071003)

20世紀物理學(xué)創(chuàng)造了輝煌的業(yè)績，極大地推進了人類的文明和社會的進步.它是20世紀領(lǐng)頭的學(xué)科，是科學(xué)的先驅(qū).由現(xiàn)代物理學(xué)開創(chuàng)的芯片計算機科學(xué)技術(shù)，使人類進入信息化時代.由物理學(xué)的思想方法和所發(fā)展的高新檢測技術(shù)，開啟了現(xiàn)代生物工程，建立了現(xiàn)代生命科學(xué).然而物理學(xué)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(xué)特別是其經(jīng)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(shù)和生物工程已成為對世界經(jīng)濟起主要影響而首先引人關(guān)注的科技領(lǐng)域，可是物理學(xué)卻沒有直接聯(lián)系于經(jīng)濟的以自身命名的“工程”或“產(chǎn)業(yè)”，從而受到了人們的冷落.

物理學(xué)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(xiàn).當時美國《今日物理》雜志就曾邀請了八位著名的科學(xué)家開座談會來討論這一“籠罩著物理學(xué)和物理學(xué)家的困境”，其結(jié)果發(fā)表于該雜志上，題為“座談會，沉重壓力下的科學(xué)”.編者在按語中指出：“美國的物理學(xué)正被二種相悖的情況所困擾，對物理學(xué)領(lǐng)域內(nèi)更多的人和視界來說，物理學(xué)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(xiàn)的后果就是物理學(xué)的教育科研經(jīng)費遭受大量的削減，科研院所和大學(xué)中的物理學(xué)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(xué)大師牛頓和麥克斯韋的故鄉(xiāng)英國，幾年前《衛(wèi)視》網(wǎng)上就有文，稱之為“物理學(xué)黯淡的未來”.文中說：“物理學(xué)大學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)校如雷丁(Reading)大學(xué)和紐卡斯爾(Newcastle)大學(xué)的物理系.

說到我國，以中國傳統(tǒng)的“缺乏科學(xué)”(林語堂語)和時尚的功利務(wù)實，物理學(xué)在社會中的境遇也不可能會更好一些.現(xiàn)實中明顯地可以看到的一點是：現(xiàn)在的年輕人普遍以經(jīng)濟管理專業(yè)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(xué)失去了最優(yōu)秀的人才資源.此僅是社會上最顯見的一例.

現(xiàn)今物理學(xué)在社會上看似黯淡的前景，是由于社會經(jīng)濟方面的原因和相應(yīng)的社會觀念方面的原因造成的，而并非是因為物理學(xué)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(lián)合國教科文組織(UNESCO)的支持下，由歐洲物理學(xué)會等組織召開了名為“物理學(xué)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(xué)大會的報告中，著重指出了物理學(xué)在社會特別是在各學(xué)科中的地位和作用：

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

物理學(xué)作為20世紀的領(lǐng)頭學(xué)科，是世紀末期公認的對現(xiàn)實作出的結(jié)論，這是有目共睹的.有人說21世紀生命科學(xué)將成為領(lǐng)頭的學(xué)科，雖似乎也有其對當今社會的某些觀察的依據(jù).但是，我們且不說所謂“領(lǐng)頭”要有其內(nèi)在的先決條件——決定于它在人類社會的各學(xué)科中所處的地位和所起的作用，實際是我們不可能預(yù)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(fā)現(xiàn).對社會的這么一個復(fù)雜系統(tǒng)中的復(fù)雜事件，要作出預(yù)測，實在是不可能的！

就21世紀物理學(xué)的自身的發(fā)展，物理學(xué)家則顯然無意于做出，也不可能做出其預(yù)測.因此，只能是根據(jù)當前物理學(xué)各領(lǐng)域存在的具體問題，提出某種預(yù)想和期望.這也只能是物理學(xué)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(xué)各個領(lǐng)域的知識和其當前的進展.數(shù)年前正好有一群物理學(xué)家做了這一工作.那是在2004年10月間，美國加利福尼亞大學(xué)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(xué)家，包括數(shù)位諾貝爾獎得主，他們都是物理學(xué)各領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物，聚集一起作了《物理學(xué)與未來》的研討會.會上討論了過去25年物理學(xué)的發(fā)展，評估了物理學(xué)各領(lǐng)域的現(xiàn)狀，預(yù)想了未來25年物理學(xué)的進程，提出了眾多的對未來25年中可能引導(dǎo)物理學(xué)研究的問題.最后由KITP主任戴維·格羅斯(Dvaid Gross)歸結(jié)為25個最重要的問題，作了總結(jié)發(fā)言.戴維·格羅斯因發(fā)現(xiàn)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(xué)與未來”為題對以上所提的總結(jié)性問題作了專題演講.以下我們就其內(nèi)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(xiàn)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(huán)的？

(2)暗物質(zhì)的性質(zhì)：它是否組成于某種未知的基本粒子，與通常的重子物質(zhì)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(jié)構(gòu)的形成起到什么作用？

(3)暗能量的性質(zhì)：什么是其微觀物理的起源？它是常態(tài)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(shù)——宇宙常量)？

(4)宇宙中結(jié)構(gòu)的形成：星體是如何形成的，如何了解其質(zhì)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(xué)得到可觀測的檢測嗎？通過天文觀測可確定Kerr度規(guī)描寫了黑洞附近的幾何嗎？

(6)量子力學(xué)的有效性:量子力學(xué)是否是自然的最終描寫？它在極小的距離上，或?qū)Υ笮偷膹?fù)雜系統(tǒng)均能成立嗎？它可否描寫整個宇宙？宇宙波函數(shù)是什么意思？它在意識的系統(tǒng)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(zhì)量和混合，重子和質(zhì)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(xué)(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(zhì)：什么是弦理論？弦論真能統(tǒng)一所有的相互作用嗎？

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

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

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

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

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

(16)量子計算機的構(gòu)造：我們能建造一個現(xiàn)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(jīng)典的計算機.

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

(18)理論生物學(xué)：能否建立一種像物理學(xué)那樣的有基礎(chǔ)性概念結(jié)構(gòu)的生物學(xué)理論？理論物理學(xué)能否給出其幫助？這需要新的數(shù)學(xué)嗎？

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

(20)意識的物理基礎(chǔ)：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(xué)：計算機將替代解析的計算技術(shù)嗎？如果這樣的話，我們應(yīng)如何改變對物理學(xué)家的訓(xùn)練呢？何時計算機會成為具創(chuàng)造性的物理學(xué)家？我們要如何來訓(xùn)練它們呢？

(22)物理學(xué)的巴爾干化(Balkanization)：物理學(xué)將會分裂成從弦論到濕生物學(xué)(Wet Biology)的確定的不同學(xué)科嗎？希望物理學(xué)不會分裂成各自獨立的領(lǐng)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(yīng)該保持一種開放的態(tài)度,在復(fù)雜系統(tǒng)中會不會呈現(xiàn)新的規(guī)律？

(24)理論的作用：什么是物理學(xué)中或一般科學(xué)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(jié)果的預(yù)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(shù)學(xué)模型的解，而不顧及這樣的模型在現(xiàn)實世界中的是否可以實現(xiàn).

在對復(fù)雜系統(tǒng)的所有細節(jié)的描繪的能力中，理論的簡潔性和數(shù)學(xué)的優(yōu)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(tǒng)的“大”物理(包括天體物理)項目成為不可實現(xiàn)的.我們現(xiàn)對之應(yīng)當如何考慮其新的處理，對此理論物理學(xué)家的作用是什么？

格羅斯在其演講結(jié)束時，又提出了一個補充的問題：物理學(xué)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(fù)！

以上列舉的并非包括了當前物理學(xué)所關(guān)心的研究方向的全部內(nèi)容，其他應(yīng)用的和實驗的方面，如可控熱核反應(yīng)和納米物理學(xué)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(yīng)該說并非是屬于物理學(xué)本體方面的內(nèi)容，而主要是關(guān)于物理學(xué)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(xué)今后發(fā)展的方向及其進程.

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

到其他各門學(xué)科的應(yīng)用.物理學(xué)與其他學(xué)科的交叉性學(xué)科日益增長，這極大地推進了相應(yīng)的其他學(xué)科的發(fā)展.歷史表明，現(xiàn)代生命科學(xué)靠物理學(xué)而創(chuàng)立，似乎也可以說，生命科學(xué)的未來可能仍將最終決定于物理學(xué)的未來.

當年KITP研討會只是給未來25年作了物理學(xué)研究方向的設(shè)置，這僅是對四分之一個世紀的時間,物理學(xué)不可能對整個世紀的未來作出預(yù)測.當今物理學(xué)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(xué)的先驅(qū)，為一切科學(xué)向前開辟前進的道路，為之開創(chuàng)未來.20世紀的歷史表明，物理學(xué)家當初對物理學(xué)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(guī)律，而百年后的結(jié)果是對此并未能取得實質(zhì)性的進展，卻是完全意外地在其應(yīng)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(xué)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(jié)果嗎？這就讓生活在這新世紀末的人們?nèi)プ鼋Y(jié)論吧！

引用網(wǎng)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