鄧雪梅/編譯

百年物理學(xué)

鄧雪梅/編譯

諾獎(jiǎng)得主弗朗克·韋爾切克（Frank Wilczek），麻省理工學(xué)院赫爾曼·費(fèi)施巴赫物理學(xué)講座教授

● 未來(lái)的基本問(wèn)題是深遠(yuǎn)、復(fù)雜的，令人難以回答。而未來(lái)的偉大工程妙不可言。

未來(lái)100年物理學(xué)會(huì)給我們帶來(lái)什么？當(dāng)然，我不知道該如何作答，但這卻是個(gè)值得思考的開(kāi)放性問(wèn)題。實(shí)際上，本文中經(jīng)過(guò)深思熟慮的猜想僅僅反映了我的興趣、知識(shí)，甚至是我的局限性以及偏見(jiàn)。為了讓大家更容易閱讀，我不得不對(duì)文章的內(nèi)容精挑細(xì)選。希望這些猜想能夠激發(fā)你思考，甚至最后你會(huì)得到不同的答案。

為了獲得全新的視角，讓我們?cè)谡雇磥?lái)之前先回顧一下過(guò)去。

100年以前，物理學(xué)處于混亂中。當(dāng)時(shí)愛(ài)因斯坦才剛剛發(fā)表了具有革命性的理論：廣義相對(duì)論。盧瑟福發(fā)現(xiàn)了物質(zhì)中心的原子核，它極其微小、致密，并經(jīng)受各種各樣令人眼花繚亂的偶然轉(zhuǎn)換。以玻爾原子模型為特征的量子理論是一整套單憑猜測(cè)所進(jìn)行的工作。超導(dǎo)僅是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)事實(shí)，無(wú)法從理論上進(jìn)行解釋。化學(xué)鍵的本質(zhì)和恒星的能量來(lái)源問(wèn)題——物質(zhì)世界極為重要的方面——使得當(dāng)時(shí)的物理學(xué)處于兩難境地。

隨后的50年里，物理學(xué)的景象已經(jīng)變得完全不同。廣義相對(duì)論是大量文獻(xiàn)和實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的基礎(chǔ)。同哈勃發(fā)現(xiàn)的宇宙膨脹一起，廣義相對(duì)論已經(jīng)開(kāi)啟了科學(xué)宇宙學(xué)的新篇章。隨后發(fā)現(xiàn)的宇宙微波背景輻射，連同宇宙核合成的半定量理論一起，清晰地表明了宇宙創(chuàng)生于大爆炸。雖然量子力學(xué)的表達(dá)方式和行為似乎令很多人感到奇怪和困惑，但是從數(shù)學(xué)角度上講，量子力學(xué)在當(dāng)時(shí)已經(jīng)是一個(gè)精確、自洽且非常成功的理論了。

此時(shí)，原子物理、化學(xué)以及材料科學(xué)已經(jīng)有著牢固的基礎(chǔ)。超導(dǎo)已經(jīng)通過(guò)極其美麗和豐饒的理論予以解釋。在許多其他值得注意的技術(shù)中，激光、晶體三極管以及核磁共振令人印象深刻，并呈現(xiàn)了這些新物理學(xué)的可靠性。通過(guò)最大程度地連接許多晶體管，集成電路在當(dāng)時(shí)是一個(gè)非常有前途的新想法。基于量子理論的核物理已經(jīng)發(fā)展成為一門強(qiáng)大的學(xué)科。從較為寬泛的角度上講，物理學(xué)家已經(jīng)了解了恒星閃閃發(fā)光的原因，并且他們知道該如何使用核能去制作炸彈以及發(fā)電。另一方面，弱相互作用和強(qiáng)相互作用的描述依然是零碎、唯象的，在宇宙射線和加速器中高能物理實(shí)驗(yàn)研究仍然存在許多令人無(wú)法理解的現(xiàn)象。

又過(guò)去了 25年，物理學(xué)進(jìn)一步得到了發(fā)展。兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型已經(jīng)被確定下來(lái)，一個(gè)用來(lái)解釋基本相互作用，一個(gè)用來(lái)解釋宇宙學(xué)。嚴(yán)格的定量實(shí)驗(yàn)才剛剛開(kāi)始。（這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型獲得了極大的成功，直到今天仍然是粒子物理學(xué)和宇宙學(xué)的基石。）對(duì)材料的深刻理解，特別是半導(dǎo)體量子理論的發(fā)展，引發(fā)了計(jì)算機(jī)革命。正如我下面所討論的一樣，計(jì)算機(jī)對(duì)于物理學(xué)來(lái)說(shuō)含義深遠(yuǎn)。

過(guò)去的100年中，基礎(chǔ)物理學(xué)改變的步伐是緩慢的。然而，由物理學(xué)帶來(lái)的創(chuàng)新步伐卻是加速的。這些變化反映了可靠且廣泛的標(biāo)準(zhǔn)模型的成功。

圖1 統(tǒng)一圖景：在粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中，強(qiáng)、弱以及電磁相互作用可能通過(guò)它們自身的對(duì)稱性予以描述，并且這些相互作用都擁有著各種各樣的相應(yīng)電荷。作為分裂的結(jié)果，基本粒子以某種笨拙的方式組織起來(lái)。本圖描繪了它們的組織結(jié)構(gòu)并展現(xiàn)了這些粒子在一個(gè)更大對(duì)稱群的保護(hù)下如何讓自身變得更融洽。

圖a的右側(cè)一列中顯示了上夸克（u）和下夸克（d）、電子（e）、電子中微子（ν）。這些粒子本身都擁有著左螺旋（L）或右螺旋（R），左右螺旋是根據(jù)它們自旋和動(dòng)量是平行還是反平行來(lái)區(qū)分的。例如，左螺旋粒子成對(duì)出現(xiàn)。圖a中呈現(xiàn)了6組不同的存在形式。圖a的左側(cè)顯示了這些不同存在形式的特性，并導(dǎo)致了它們強(qiáng)、弱以及電磁相互作用的不同。負(fù)責(zé)傳遞強(qiáng)相互作用的膠子，具有三種強(qiáng)色荷。弱相互作用僅對(duì)左旋粒子起作用，它具有兩種弱色荷。電磁相互作用通過(guò)與電荷的耦合起作用。每種存在形式的平均電荷，又稱為超荷（Y），通過(guò)一個(gè)數(shù)字來(lái)描述并按照質(zhì)子電荷|e|的單位給出。

圖b顯示了觀測(cè)到的粒子散射模型可以從源自高階對(duì)稱性的統(tǒng)一模型推導(dǎo)而來(lái)。圖b的右側(cè)給出了這些粒子的名稱。這里，每個(gè)粒子都是左螺旋的；在較早描述中的右螺旋現(xiàn)在由它們的左螺旋反粒子所描述，這些反粒子由一個(gè)符號(hào)所表示，因此uR變成了-u，依次類推。圖b的左側(cè)表格給出了不同顏色實(shí)心和空心圓，并且滿足實(shí)心圓的個(gè)數(shù)為偶數(shù)的限制。實(shí)心圓用來(lái)解釋正的相應(yīng)電荷的一半，空心圓用來(lái)解釋負(fù)的相應(yīng)電荷的一半。根據(jù)圖片b左側(cè)上面的公式，其出現(xiàn)的超荷值產(chǎn)生于弱和強(qiáng)色荷。

為了尋找圖a中所顯示的特性，我使用了一條規(guī)則：增加相同數(shù)量的強(qiáng)色荷或弱色荷并不影響強(qiáng)或弱相互作用。這使得我可以把圖b左側(cè)表格的配色方案轉(zhuǎn)換成圖b右側(cè)的表格方案。注意現(xiàn)在色荷具有單位并且其顏色和超荷同圖a的內(nèi)容相匹配，這里假設(shè)了反粒子有著與相應(yīng)粒子相反的色荷和超荷

更多對(duì)稱性

嵌入廣義相對(duì)論核心的相對(duì)論量子場(chǎng)論和局部對(duì)稱性原理以及強(qiáng)、弱和電磁相互作用的規(guī)范理論見(jiàn)證了物理學(xué)一路走來(lái)?，F(xiàn)在，我們已經(jīng)精確地用公式表達(dá)出經(jīng)得住時(shí)間推敲的方程，這些方程為化學(xué)、工程的合理形式、所有可觀測(cè)天體的描述和大量宇宙學(xué)提供了可靠基礎(chǔ)。然而，還有很大的空間有待提升。

引力子、膠子、W和Z玻色子、光子都是局部對(duì)稱性的化身。它們的耦合甚至存在是這個(gè)深刻原理的反映。在基于對(duì)稱性的標(biāo)準(zhǔn)模型中，似乎看上去基本物理學(xué)最接近實(shí)現(xiàn)畢達(dá)哥拉斯和柏拉圖的設(shè)想：物理現(xiàn)實(shí)和數(shù)學(xué)想象之間的一個(gè)完美契合。

然而，我們希望能做得更好。由標(biāo)準(zhǔn)模型的局部對(duì)稱性所支撐的變換無(wú)法連接“應(yīng)當(dāng)”被連接的許多事情，并留給我們關(guān)于物質(zhì)的一個(gè)雜亂描述。然而，依賴于標(biāo)準(zhǔn)模型的想法，盡管有一些不匹配的地方，但是我們或許能看到對(duì)稱性會(huì)最終取得成功：正如圖1所描述的那樣，已知粒子完美地符合一個(gè)大的對(duì)稱方案。

這個(gè)誘人的結(jié)果對(duì)未來(lái)的發(fā)現(xiàn)具有深遠(yuǎn)含義。如圖2中所解釋的那樣，引力并不享有任何特權(quán)，它應(yīng)當(dāng)同其他三種力一起作為自然界的基本作用力。它激勵(lì)我們要進(jìn)一步地引入新的對(duì)稱性以及觀察新的具體現(xiàn)象。

圖2 四種基本作用力的統(tǒng)一

圖1所示的令人印象深刻的成功分類方案嵌入在綜合理論框架之中。該框架的一個(gè)重要預(yù)言是不同相互作用的基本強(qiáng)度相等。被觀測(cè)到的強(qiáng)度卻是不同的，但是我們了解到它們的基本強(qiáng)度僅在極高相互作用能量上有所顯示。為了找到它們，我們必須正確預(yù)測(cè)實(shí)際虛粒子，這些虛粒子能夠屏蔽或反屏蔽一種相互作用——這種效應(yīng)被稱為真空極化。當(dāng)我們考慮到所有已知粒子的貢獻(xiàn)時(shí)，我們找到了一種平衡的可能方式，然而卻不能定量描述，見(jiàn)左圖。然而正如右圖所示，當(dāng)我們考慮來(lái)自于超對(duì)稱粒子的額外貢獻(xiàn)時(shí)，正如超對(duì)稱所建議的一樣，我們找到了精確的統(tǒng)一。

在可接近的能量尺度下，當(dāng)引力在基本粒子中起作用的時(shí)候，引力要比其他三種基本作用力弱很多。然而在其他三種基本作用力統(tǒng)一的能量尺度下，引力的強(qiáng)度卻是相容的。從另一個(gè)角度來(lái)看，由規(guī)范耦合統(tǒng)一所設(shè)定的四種作用力的統(tǒng)一假設(shè)解釋了為什么觀測(cè)到的引力如此微弱

為了把所有的粒子統(tǒng)一起來(lái)，我們需要能夠連接不同自旋粒子的對(duì)稱性變換。這條鴻溝可以通過(guò)狹義相對(duì)論的洛倫茲變換拓展到更大的范圍：超對(duì)稱。這種拓展的對(duì)稱性要求我們所熟知的粒子都要擁有它的伙伴粒子，這個(gè)伙伴粒子帶有不同的自旋，但是其電荷、強(qiáng)色荷、弱色荷的值同粒子本身相同。

完整的超對(duì)稱需要粒子同其伙伴粒子有著相同的質(zhì)量，但是，我們并沒(méi)有觀測(cè)到這種伙伴粒子。令人滿意的是：并不需要其解，我們單單使用基本方程中的超對(duì)稱就能模型化它們的特征。換句話說(shuō)，超對(duì)稱是自發(fā)性破缺。引人注目的是，如果超對(duì)稱破缺的尺度并不是很大——即，如果已知粒子的伙伴粒子并不是很重的話——那么耦合的定量統(tǒng)一可以完美地結(jié)合，正如圖2中所示那樣。

通俗意義上講，超對(duì)稱所提供的大統(tǒng)一理論顯示出它的深遠(yuǎn)特點(diǎn)。20世紀(jì)物理學(xué)的一個(gè)巨大成功就是超越兩種表面上看似不同物質(zhì)的差異：由經(jīng)典光線所描述的波動(dòng)性，以及由原子所描述的粒子性。在單個(gè)層面上，光子和電子具有波粒二象性。然而，從整體層面上來(lái)看，它們的描述仍然非常不同，涉及到是量子統(tǒng)計(jì)學(xué)中的玻色子還是費(fèi)米子。超對(duì)稱向我們展現(xiàn)了這些不同是不可超越的。

上面所概述的大統(tǒng)一和超對(duì)稱之間的可行想法在幾十年里變得越來(lái)越成熟，它們的輝煌歲月即將來(lái)臨。除了要整理我們核心理論的量子數(shù)和耦合強(qiáng)度外，它們主要的成功就是期望現(xiàn)在被觀測(cè)到的小且非零質(zhì)量的中微子。包含質(zhì)子衰變?cè)趦?nèi)的重子數(shù)不守恒過(guò)程和超對(duì)稱粒子的存在是引人注目的，這是對(duì)上面所描述的觀點(diǎn)孤注一擲的預(yù)言。

多重宇宙的幽靈

我們核心理論的其他方面并不那么完善。在圖1中所介紹的基本實(shí)體以三種形式出現(xiàn)在自然界中——e、μ、τ。我們?nèi)狈?duì)這三種物質(zhì)的合理理解，更加缺乏對(duì)這三種物質(zhì)混合的復(fù)雜模式的認(rèn)知。我們的觀測(cè)粗略地借助于24個(gè)獨(dú)立參數(shù)，這些參數(shù)描述了希格斯場(chǎng)是如何同夸克及輕子（例如，電子和中微子）發(fā)生耦合的。盡管這個(gè)數(shù)字是相當(dāng)平穩(wěn)的——例如，遠(yuǎn)低于元素周期表中的數(shù)目——但是成功讓我們變得雄心勃勃，并且我們想要做得更好。

然而，我們能做得更好嗎？雖然現(xiàn)有的觀測(cè)同核心理論結(jié)構(gòu)以及它們所包含的參數(shù)值的想法一致，邏輯上卻存在事實(shí)并非如此的可能性。的確，暴脹宇宙學(xué)可以在空間多個(gè)區(qū)域進(jìn)行，每個(gè)暴脹區(qū)域是均勻的，但在一個(gè)更大的范圍內(nèi)卻是不均勻的，并且弦理論提供了實(shí)現(xiàn)這種非均勻的多種可能性。為了描述這種狀態(tài)，我們才提及在一個(gè)更大、非均勻多重宇宙中的許多均勻宇宙。在多重宇宙框架中，我們所觀測(cè)到的宇宙僅僅是多個(gè)具有不同性質(zhì)宇宙中的一個(gè)樣本，我們的太陽(yáng)系也僅僅是多個(gè)行星系統(tǒng)中的一個(gè)。

當(dāng)計(jì)算多重宇宙中觀測(cè)到的一個(gè)已知結(jié)構(gòu)或參數(shù)集時(shí)，我們必須要使用一個(gè)選擇標(biāo)準(zhǔn)。那些不允許出現(xiàn)觀測(cè)者的宇宙不應(yīng)當(dāng)納入到觀測(cè)宇宙中。在使用這樣的選擇標(biāo)準(zhǔn)后，如果我們發(fā)現(xiàn)大多數(shù)或所有可能的宇宙分享著同樣的特性，那么我們可以聲稱其特征可以用人擇原理來(lái)解釋。相反，如果我們找到了令人印象印刻的人擇解釋，那么我們應(yīng)當(dāng)把它們看做蘊(yùn)含著多重宇宙假設(shè)的證據(jù)。如此一來(lái)，多重宇宙的幽靈赫然顯現(xiàn)。

相應(yīng)地，迄今無(wú)法解釋的參數(shù)值可能是環(huán)境事件，它們不能被理論所解釋。這種有誘惑力的結(jié)論——大致上理解為 “如果我們已經(jīng)足夠的聰明，但是我們還是不理解其原因，那么它就不可能被了解”——有著顯而易見(jiàn)的危險(xiǎn)。這是絕對(duì)借口投降的勝利宣言。在未來(lái)100年里，我們或許會(huì)找到更好的理解。

軸子

質(zhì)量和混合的一個(gè)方面提供了一個(gè)更加鼓舞人心的展望。核心理論的一般原理允許一個(gè)參數(shù)θ的存在，該參數(shù)在強(qiáng)相互作用的空間反演和時(shí)間反演變換中引起對(duì)稱性破缺。實(shí)驗(yàn)上給出該參數(shù)的最強(qiáng)限制為|θ|＜10－10；我們所期望的先驗(yàn)結(jié)論為 θ接近1。人擇原理在解決這個(gè)難題上無(wú)能為力，因?yàn)橛^測(cè)實(shí)驗(yàn)決定了任何θ接近1的可能性都是不合理的。

實(shí)驗(yàn)對(duì) θ的精密限制暗示著存在一個(gè)新的原則來(lái)解釋參數(shù)θ小的原因。最好的候選者是一種被稱為佩西－奎恩的新對(duì)稱性，該對(duì)稱性是由羅伯特·佩西（Roberto Peccei）和海倫·奎恩（He len Quinn）發(fā)現(xiàn)的。這個(gè)新的對(duì)稱性引起了不尋常的物理結(jié)果。它預(yù)言了一種新的超輕、超弱粒子——軸子——的存在。如果軸子存在的話，那么它們或許在宇宙的早期就大量的存在。軸子是暗物質(zhì)的一個(gè)絕佳候選者，天文學(xué)家想要觀測(cè)到軸子，但直到現(xiàn)在仍然沒(méi)有觀測(cè)到它。精巧的挑戰(zhàn)性實(shí)驗(yàn)正在通過(guò)宇宙背景或者一些效應(yīng)來(lái)搜尋著軸子。在未來(lái)100年里——或許要花費(fèi)更長(zhǎng)的時(shí)間——應(yīng)當(dāng)會(huì)探測(cè)到它們。

引力問(wèn)題

作為引力的理論，愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論概念上是如此的嚴(yán)密以至于僅有兩個(gè)自由參數(shù)出現(xiàn)在該理論中：牛頓引力常數(shù)和宇宙學(xué)常數(shù)。它已經(jīng)通過(guò)了物理學(xué)家和天文學(xué)家設(shè)計(jì)的所有實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。然而，我們?nèi)匀挥欣碛蓙?lái)檢驗(yàn)它的有效性。

首先，引力的強(qiáng)度與其他力的強(qiáng)度相比極其不成比例。如果我們相信自然界四種基本作用力的大統(tǒng)一理論，那么引力同其他三種力又如何變成了今天我們所看到的樣子？第二，缺乏物質(zhì)的空間質(zhì)量密度測(cè)量值——宇宙學(xué)常數(shù)，經(jīng)常稱之為暗能量——同理論的合理估計(jì)值不相容。為什么宇宙學(xué)常數(shù)的觀測(cè)值要比理論估計(jì)的小很多？第三，由廣義相對(duì)論簡(jiǎn)單的量子化所產(chǎn)生的方程在極端條件下就會(huì)失效。它的后果是什么？在物理學(xué)發(fā)展的未來(lái)100年里，這些是重要的議題。在圖1和圖2中，我給出了一個(gè)有前途的方法來(lái)處理引力太弱的問(wèn)題。本文中我提出了對(duì)這些問(wèn)題的評(píng)論。

理論學(xué)家們已經(jīng)對(duì)宇宙學(xué)常數(shù)做出了大量的估算——有正值有負(fù)值——但這些估計(jì)值的絕對(duì)值仍然同觀測(cè)值相差太多。因此，宇宙學(xué)的觀測(cè)結(jié)果顯示了我們核心理論不能解釋的東西?；蛟S，正如史蒂文·溫伯格所建議的一樣，對(duì)該問(wèn)題的解釋就是人擇原理。如果宇宙學(xué)常數(shù)的值過(guò)大的話，那么宇宙會(huì)膨脹得過(guò)快，這樣就會(huì)抑制宇宙的結(jié)構(gòu)形成。如此一來(lái)，星系和恒星甚至行星都不會(huì)形成，觀測(cè)者也不會(huì)出現(xiàn)。人擇原理是物理學(xué)最合理的解釋嗎？對(duì)它的質(zhì)疑是徒勞的嗎？又或者是否存在一些更深層次的有效原理？

統(tǒng)一廣義相對(duì)論和量子力學(xué)是一個(gè)難題。因此，我認(rèn)為這是當(dāng)前急需解決的最重要問(wèn)題。

在實(shí)踐層面上，不存在任何問(wèn)題。天體物理學(xué)家和宇宙學(xué)家使用引力和量子力學(xué)成功計(jì)算了在兩個(gè)理論同時(shí)作用下的物理行為。通過(guò)這個(gè)工作，并沒(méi)有出現(xiàn)顯著的模糊或奇異性。

如果我們企圖把這些方程應(yīng)用到諸如大爆炸早期或黑洞的內(nèi)部深處等極端條件下，那么問(wèn)題就會(huì)顯現(xiàn)。關(guān)于小黑洞行為的思維實(shí)驗(yàn)也會(huì)出現(xiàn)概念上的難題。然而，具體的可觀測(cè)現(xiàn)象會(huì)帶來(lái)決定性的成功和重大進(jìn)展，這樣的觀測(cè)能夠真正特性化超越半經(jīng)典近似的量子引力。實(shí)際觀測(cè)會(huì)把這個(gè)課題帶向另一個(gè)高度。

弦理論是一個(gè)生機(jī)勃勃的理論，在它的框架中廣義相對(duì)論和量子理論是密切相連的。它支持一個(gè)豐富且部分被理解的對(duì)稱性結(jié)構(gòu)。在這個(gè)對(duì)稱性結(jié)構(gòu)中，不但能夠容納規(guī)范對(duì)稱性，而且還包含了超對(duì)稱和軸子。目前，弦理論對(duì)于宇宙模型的應(yīng)用是無(wú)固定形式的。如果弦理論能夠被塑造成一個(gè)更加確定的理論時(shí)，那么它或許會(huì)最大程度地解釋上面指出的許多問(wèn)題。未來(lái)100年的時(shí)間應(yīng)當(dāng)足夠了。

上帝視角

在過(guò)去的幾十年里，物理宇宙學(xué)已經(jīng)十分完善。我們已經(jīng)搜集了非常明確的證據(jù)顯示宇宙創(chuàng)生于一個(gè)極其特殊且簡(jiǎn)單的初始狀態(tài)。在極高溫度下，非引力處于熱平衡之中。然而，物質(zhì)的分布并不是完美的均勻。按照廣義相對(duì)論的場(chǎng)方程，空間急劇膨脹。要注意的是均勻性代表引力極端不平衡，這就需要同物質(zhì)混合在一起。來(lái)自宇宙起點(diǎn)的引力不穩(wěn)定性形成了星系團(tuán)、星系、恒星以及行星——今天我們所看到的宇宙結(jié)構(gòu)。

宇宙的大致輪廓是毋庸置疑的，但是其中的許多細(xì)節(jié)卻是不完整的。在宇宙學(xué)的前沿領(lǐng)域中，多條證據(jù)顯示了宇宙的早期經(jīng)歷了暴脹——一個(gè)超光速膨脹的時(shí)期。這個(gè)非同一般的現(xiàn)象由基本物理學(xué)中的觀點(diǎn)所支持；事實(shí)上，暴脹就是由基本物理學(xué)提出的。然而，目前我們對(duì)暴脹的理解仍然是一種設(shè)想而不是一種物理理論。例如，并不存在令人信服的方法來(lái)鑒別它的物理起源。在暴脹期間的量子漲落能夠引起小的不均勻性，而這些不均勻正是宇宙結(jié)構(gòu)形成的種子，此外這種不均性還能夠形成可以測(cè)量的引力波。暴脹令人無(wú)法解決的問(wèn)題不能缺少實(shí)證結(jié)果。我期望未來(lái)的100年里，在經(jīng)歷理論和觀測(cè)進(jìn)步之后，暴脹將會(huì)從一個(gè)設(shè)想進(jìn)化到一個(gè)確鑿的事實(shí)。

自然哲學(xué)中反復(fù)出現(xiàn)的主題是上帝眼中的現(xiàn)實(shí)世界和人類意識(shí)里螞蟻眼中世界之間的較量。自從牛頓時(shí)期開(kāi)始，牛頓世界便主導(dǎo)著基本物理學(xué)，我們把對(duì)整個(gè)世界的描述分成了許多不依賴時(shí)間的動(dòng)力學(xué)定律和許多這些定律起作用的初始條件。這些動(dòng)力學(xué)定律并不能決定用來(lái)描述現(xiàn)實(shí)世界的初始條件。這種方法在當(dāng)時(shí)非常有用和成功，然而它距離我們所認(rèn)識(shí)的科學(xué)世界還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。這種情形——事物之所以是這樣是因?yàn)樗鼈兙褪沁@樣——便引發(fā)了疑問(wèn)，為什么事物是以這種方式而非其他方式存在呢？

根據(jù)相對(duì)論，從上帝的角度來(lái)看似乎再自然不過(guò)了。相對(duì)論告訴我們將時(shí)空看做一個(gè)有機(jī)整體，其中的各個(gè)方面通過(guò)對(duì)稱性相連。如果我們堅(jiān)持將自己的經(jīng)歷分割成不同的時(shí)間片段，那么這些對(duì)稱性就很難被描述。赫爾曼·外爾（Hermann Weyl）在他1949年出版的《數(shù)學(xué)和自然科學(xué)的哲學(xué)》一書中闡述了這個(gè)有機(jī)論（普林斯頓大學(xué)出版社，第116頁(yè)）：

“客觀世界實(shí)際上并沒(méi)有發(fā)生什么。然而，沿著我的世界線并從我的視角來(lái)看，隨著時(shí)間的演化卻發(fā)生了許多事情?！?/p>

對(duì)我而言，想從螞蟻的視角上升到上帝的視角來(lái)認(rèn)識(shí)物理實(shí)體是未來(lái)100年里基本物理學(xué)中最深刻的挑戰(zhàn)。

算法崛起

圖3 由離心力來(lái)抵御引力的太空電梯能夠在地球表面和外太空可到達(dá)處之間鑄造一段橋梁

按照摩爾定律，集成電路的速度和密度歷經(jīng)25次翻番——給人類和物理學(xué)家呈現(xiàn)了算法的非凡能力。盡管指數(shù)增長(zhǎng)步伐放慢，但是我們至少能夠預(yù)期在未來(lái)幾十年中還會(huì)有幾個(gè)翻番?？尚械牧孔佑?jì)算機(jī)也即將要上線。增長(zhǎng)的計(jì)算能力將會(huì)改變我們的問(wèn)題、答案以及我們所追尋的研究。最后，但并非最不重要，這將會(huì)改變研究者的本質(zhì)：“我們物理學(xué)家”工作的實(shí)質(zhì)是什么。

強(qiáng)相互作用理論量子色動(dòng)力學(xué)（QCD）的近期發(fā)展已經(jīng)預(yù)示著一些未來(lái)可能性。這個(gè)理論的初步驗(yàn)證已經(jīng)獲得了成功，例如在涉及大量能量和動(dòng)量轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，QCD給出了準(zhǔn)確的定量描述。那些所謂的硬過(guò)程要經(jīng)得起復(fù)雜微擾理論的考驗(yàn)，然而它們僅是我們所關(guān)注現(xiàn)象的一小部分。例如，它們并不包含核物理，這使得人們首先來(lái)研究強(qiáng)相互作用。通過(guò)分析方法，物理學(xué)家想要求解QCD的方程。但是，到目前為止最成功的方法就是讓計(jì)算機(jī)來(lái)運(yùn)行這些方程。

早在1929年的時(shí)候，保羅·狄拉克就曾在《英國(guó)皇家學(xué)會(huì)院刊》（123卷第714頁(yè)）上指出：

“眾所周知，基本物理學(xué)定律需要很大一部分物理和整個(gè)化學(xué)中的數(shù)學(xué)理論，唯一的難題是這些定律的具體應(yīng)用，由于這些方程太過(guò)復(fù)雜以至于根本無(wú)法解決實(shí)際問(wèn)題。因此，理想的方式是研發(fā)量子力學(xué)的實(shí)際近似方法，這種方法無(wú)需太多計(jì)算便會(huì)給出復(fù)雜原子系統(tǒng)主要特點(diǎn)的解釋?！?/p>

狄拉克的論述使我們了解到基本定律足以很好地解釋同化學(xué)、材料科學(xué)或任何其他現(xiàn)實(shí)問(wèn)題相關(guān)的任何物理過(guò)程。然而，定義“太過(guò)復(fù)雜”和“太多計(jì)算”的界限已經(jīng)發(fā)生了根本性的變化。現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力要比1929年的高出很多量級(jí)，我們有充分的理由相信：在未來(lái)的100年里，計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力會(huì)有更多數(shù)量級(jí)的提高。

會(huì)存在支持太空電梯的材料（圖3中給出了藝術(shù)家想象的太空電梯）嗎？會(huì)存在室溫超導(dǎo)現(xiàn)象嗎？這些以及其他的一些問(wèn)題將在核物理、恒星物理、材料科學(xué)以及化學(xué)的基礎(chǔ)上通過(guò)計(jì)算來(lái)獲得，因?yàn)橛?jì)算機(jī)在基礎(chǔ)理論的基礎(chǔ)上已經(jīng)用于飛行器的設(shè)計(jì)：通過(guò)計(jì)算給出補(bǔ)充以及最終替代的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)。

逐漸地，計(jì)算機(jī)算法的發(fā)展將成為理論物理的核心。計(jì)算機(jī)能夠運(yùn)行的概念和方程將會(huì)被強(qiáng)有力地使用；不能轉(zhuǎn)變成計(jì)算機(jī)算法的概念和方程將被視為是有缺陷的。這并不意味著不用動(dòng)腦的數(shù)值計(jì)算會(huì)取代具有創(chuàng)造性的洞察力。相反：諸如普適性（不相關(guān)細(xì)節(jié)的忽略）、對(duì)稱性（有根據(jù)的迭代）和拓?fù)鋵W(xué)（連續(xù)和離散的出現(xiàn)）的創(chuàng)造性理解就是要用計(jì)算機(jī)的算法思維來(lái)描述。

設(shè)計(jì)算法的工作被認(rèn)為是教學(xué)的特殊形式，其目的在于培養(yǎng)那些聰明絕頂且沒(méi)有任何計(jì)算機(jī)經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生。目前，這些學(xué)生缺乏動(dòng)力和好奇心，然而這些問(wèn)題是可以解決的。在未來(lái)100年里，隨著適合這些學(xué)生天分的獨(dú)特思維風(fēng)格的培養(yǎng)，他們將成為我們的同行以及最終成為他們老師的繼承者。

大科學(xué)

圖4 激光干涉空間天線（LISA）能夠探測(cè)頻率范圍從0.1mHz到 100mHz的引力波。相比較而言，由激光干涉引力波天文臺(tái)所發(fā)現(xiàn)的引力波頻率為 100Hz。橫跨數(shù)百萬(wàn)公里，LISA將是迄今為止人類建造的最偉大工程。它將是人類好奇心、抱負(fù)和創(chuàng)造性的永恒光輝和榮耀

埃及金字塔、雅典帕臺(tái)農(nóng)神廟、西班牙的阿爾罕布拉宮、中世紀(jì)歐洲大教堂、埃菲爾鐵塔——這些還有其他的一些都是偉大的工程，通過(guò)它們可以展現(xiàn)一個(gè)國(guó)家民族的文化?，F(xiàn)在，非同尋常的機(jī)會(huì)就擺在我們面前，但要說(shuō)清楚這些問(wèn)題，需要大量資金的投入。

引力波天文學(xué) 已經(jīng)開(kāi)啟了宇宙的新窗口，一個(gè)可以進(jìn)入宇宙隱藏區(qū)域和天體劇烈事件的新手段。今年2月，激光干涉引力波天文臺(tái)報(bào)告了首次直接觀測(cè)到了引力波。為了充分開(kāi)發(fā)引力波天文學(xué)的潛能，我們將配置精密儀器陣列，這個(gè)陣列在太空中橫跨數(shù)百萬(wàn)公里。激光干涉空間天線的一個(gè)候選者如圖4所示。

系外行星天文學(xué) 將會(huì)系統(tǒng)地搜尋我們的銀河系，并收集數(shù)以百萬(wàn)計(jì)行星的質(zhì)量、軌道、地質(zhì)和氣候等信息。作為一個(gè)副產(chǎn)品，我們將會(huì)了解到生命的罕見(jiàn)及其所需要的生存條件。我們所發(fā)現(xiàn)的或許會(huì)支持人擇原理的檢驗(yàn)和完善。

觸覺(jué)天文學(xué) 將更加快速地發(fā)展。脆弱的人類無(wú)法適應(yīng)外太空，觸覺(jué)天文學(xué)將會(huì)把機(jī)器人探測(cè)器、虛擬遠(yuǎn)程呈現(xiàn)和合適的生物種子送往外太空。人類文明將會(huì)延伸到太陽(yáng)系以外；更不用說(shuō)人類移民。

反向天文學(xué) 將會(huì)在大型加速器項(xiàng)目中接觸更短的距離和更高的能量。

量子計(jì)算 將會(huì)尋求并啟用計(jì)算機(jī)算法來(lái)解決越來(lái)越多的復(fù)雜量子過(guò)程。在未來(lái)的100年里，量子計(jì)算會(huì)成為化學(xué)和材料科學(xué)的核心方法。

在接下來(lái)的100年里，物理儀器和頭腦中的觀念都將會(huì)承擔(dān)新的任務(wù)。兩方面的發(fā)展將會(huì)變化：移植人工智能和擴(kuò)展感官系統(tǒng)。

現(xiàn)代的主流計(jì)算機(jī)本質(zhì)上是二進(jìn)制的。它們由芯片構(gòu)成，這些芯片在高度潔凈的條件下生產(chǎn)，這是因?yàn)槿魏喂收隙紩?huì)導(dǎo)致計(jì)算機(jī)運(yùn)行的錯(cuò)誤。如果計(jì)算機(jī)被損壞了，幾乎不可能修復(fù)。在這些方面，人類的大腦是不同的。它們是三維的；是在雜亂、松散條件下生成的；并且大腦在出故障或受傷后還會(huì)運(yùn)轉(zhuǎn)。所以有必要去實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體技術(shù)在密度、速度以及可伸縮性方面的這些特性，并且這樣做并不存在明顯的障礙。具有容錯(cuò)系統(tǒng)且能自我修復(fù)的良好三維計(jì)算機(jī)即將研發(fā)。在設(shè)計(jì)這些特性的過(guò)程中，我們將會(huì)了解到與神經(jīng)生物學(xué)相關(guān)的信息。

同樣地，我們會(huì)渴望可以同時(shí)研制類人體機(jī)器和類人腦計(jì)算機(jī)。自我裝配、自我復(fù)制以及自主創(chuàng)意機(jī)器將會(huì)被研發(fā)。它們的設(shè)計(jì)將會(huì)根據(jù)生物界來(lái)改編一些概念和物理模塊。

圖5 通過(guò)拓展的人類感知所看到的事物，能夠揭示出人類所不了解的事物本質(zhì)。這張照片是作者在紅外頻段拍攝的

人類的感知是很有限的。以色覺(jué)為例，到達(dá)我們眼睛的電磁信號(hào)是極化的并且包含了大范圍的連續(xù)頻率，我們看到的顏色是一個(gè)粗糙的散列編碼，它把功率譜混合成三原色并忽略了極化。當(dāng)然，我們不能看到包含紫外和紅外的頻率，它們超出了人眼的可視范圍。我們不能感知的東西還包括了關(guān)于自然環(huán)境的許多重要信息，更不必說(shuō)數(shù)據(jù)可視化和數(shù)據(jù)藝術(shù)的可能性。

現(xiàn)代的微電子學(xué)和計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)為獲取上述這些信息提供了頗具吸引力的可能性。通過(guò)合適的轉(zhuǎn)換，我們能夠在某些共同感覺(jué)的現(xiàn)有通道中對(duì)它們進(jìn)行編碼。通過(guò)極大地拓展人類的感覺(jué)器官，我們將會(huì)開(kāi)啟人類感知的大門并能夠感受這個(gè)世界的真實(shí)模樣。

前景可期

宣告物理學(xué)的終結(jié)還為時(shí)尚早，我們無(wú)法估計(jì)它未來(lái)的發(fā)展。我們能夠并且也將會(huì)在很多方面取得進(jìn)步。我們也定會(huì)深入探索具體的真實(shí)物理現(xiàn)象，并最終征服整個(gè)物理學(xué)。物理學(xué)發(fā)展的廣闊前景即將來(lái)臨。以上只是我僅僅列舉的未來(lái)的一些發(fā)展可能性而已。

[資料來(lái)源：Physics Today][責(zé)任編輯：彥 隱]