鄧雪梅/編譯

百年物理學(xué)

鄧雪梅/編譯

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

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

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

為了獲得全新的視角，讓我們在展望未來之前先回顧一下過去。

100年以前，物理學(xué)處于混亂中。當(dāng)時愛因斯坦才剛剛發(fā)表了具有革命性的理論：廣義相對論。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所進(jìn)行的工作。超導(dǎo)僅是一個經(jīng)驗事實，無法從理論上進(jìn)行解釋?；瘜W(xué)鍵的本質(zhì)和恒星的能量來源問題——物質(zhì)世界極為重要的方面——使得當(dāng)時的物理學(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。廣義相對論是大量文獻(xiàn)和實驗觀測的基礎(chǔ)。同哈勃發(fā)現(xiàn)的宇宙膨脹一起，廣義相對論已經(jīng)開啟了科學(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)時已經(jīng)是一個精確、自洽且非常成功的理論了。

此時，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。通過最大程度地連接許多晶體管，集成電路在當(dāng)時是一個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驗研究仍然存在許多令人無法理解的現(xiàn)象。

又過去了 25年，物理學(xué)進(jìn)一步得到了發(fā)展。兩個標(biāo)準(zhǔn)模型已經(jīng)被確定下來，一個用來解釋基本相互作用，一個用來解釋宇宙學(xué)。嚴(yán)格的定量實驗才剛剛開始。（這兩個標(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)了計算機(jī)革命。正如我下面所討論的一樣，計算機(jī)對于物理學(xué)來說含義深遠(yuǎn)。

過去的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它們自身的對稱性予以描述，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。本圖描繪了它們的組織結(jié)構(gòu)并展現(xiàn)了這些粒子在一個更大對稱群的保護(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)它們自旋和動量是平行還是反平行來區(qū)分的。例如，左螺旋粒子成對出現(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。弱相互作用僅對左旋粒子起作用，它具有兩種弱色荷。電磁相互作用通過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），通過一個數(shù)字來描述并按照質(zhì)子電荷|e|的單位給出。

圖b顯示了觀測到的粒子散射模型可以從源自高階對稱性的統(tǒng)一模型推導(dǎo)而來。圖b的右側(cè)給出了這些粒子的名稱。這里，每個粒子都是左螺旋的；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，這些反粒子由一個符號所表示，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心和空心圓，并且滿足實心圓的個數(shù)為偶數(shù)的限制。實心圓用來解釋正的相應(yīng)電荷的一半，空心圓用來解釋負(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

更多對稱性

嵌入廣義相對論核心的相對論量子場論和局部對稱性原理以及強(qiáng)、弱和電磁相互作用的規(guī)范理論見證了物理學(xué)一路走來?，F(xiàn)在，我們已經(jīng)精確地用公式表達(dá)出經(jīng)得住時間推敲的方程，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、光子都是局部對稱性的化身。它們的耦合甚至存在是這個深刻原理的反映。在基于對稱性的標(biāo)準(zhǔn)模型中，似乎看上去基本物理學(xué)最接近實現(xiàn)畢達(dá)哥拉斯和柏拉圖的設(shè)想：物理現(xiàn)實和數(shù)學(xué)想象之間的一個完美契合。

然而，我們希望能做得更好。由標(biāo)準(zhǔn)模型的局部對稱性所支撐的變換無法連接“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稱性會最終取得成功：正如圖1所描述的那樣，已知粒子完美地符合一個大的對稱方案。

這個誘人的結(jié)果對未來的發(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。它激勵我們要進(jìn)一步地引入新的對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。該框架的一個重要預(yù)言是不同相互作用的基本強(qiáng)度相等。被觀測到的強(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)測實際虛粒子，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，我們找到了一種平衡的可能方式，然而卻不能定量描述，見左圖。然而正如右圖所示，當(dāng)我們考慮來自于超對稱粒子的額外貢獻(xiàn)時，正如超對稱所建議的一樣，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。從另一個角度來看，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)解釋了為什么觀測到的引力如此微弱

為了把所有的粒子統(tǒng)一起來，我們需要能夠連接不同自旋粒子的對稱性變換。這條鴻溝可以通過狹義相對論的洛倫茲變換拓展到更大的范圍：超對稱。這種拓展的對稱性要求我們所熟知的粒子都要擁有它的伙伴粒子，這個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，我們并沒有觀測到這種伙伴粒子。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稱就能模型化它們的特征。換句話說，超對稱是自發(fā)性破缺。引人注目的是，如果超對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，超對稱所提供的大統(tǒng)一理論顯示出它的深遠(yuǎn)特點。20世紀(jì)物理學(xué)的一個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性，以及由原子所描述的粒子性。在單個層面上，光子和電子具有波粒二象性。然而，從整體層面上來看，它們的描述仍然非常不同，涉及到是量子統(tǒng)計學(xué)中的玻色子還是費米子。超對稱向我們展現(xiàn)了這些不同是不可超越的。

上面所概述的大統(tǒng)一和超對稱之間的可行想法在幾十年里變得越來越成熟，它們的輝煌歲月即將來臨。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)在被觀測到的小且非零質(zhì)量的中微子。包含質(zhì)子衰變在內(nèi)的重子數(shù)不守恒過程和超對稱粒子的存在是引人注目的，這是對上面所描述的觀點孤注一擲的預(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中所介紹的基本實體以三種形式出現(xiàn)在自然界中——e、μ、τ。我們?nèi)狈@三種物質(zhì)的合理理解，更加缺乏對這三種物質(zhì)混合的復(fù)雜模式的認(rèn)知。我們的觀測粗略地借助于24個獨立參數(shù)，這些參數(shù)描述了希格斯場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，邏輯上卻存在事實并非如此的可能性。的確，暴脹宇宙學(xué)可以在空間多個區(qū)域進(jìn)行，每個暴脹區(qū)域是均勻的，但在一個更大的范圍內(nèi)卻是不均勻的，并且弦理論提供了實現(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，我們所觀測到的宇宙僅僅是多個具有不同性質(zhì)宇宙中的一個樣本，我們的太陽系也僅僅是多個行星系統(tǒng)中的一個。

當(dāng)計算多重宇宙中觀測到的一個已知結(jié)構(gòu)或參數(shù)集時，我們必須要使用一個選擇標(biāo)準(zhǔn)。那些不允許出現(xiàn)觀測者的宇宙不應(yīng)當(dāng)納入到觀測宇宙中。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)把它們看做蘊含著多重宇宙假設(shè)的證據(jù)。如此一來，多重宇宙的幽靈赫然顯現(xiàn)。

相應(yīng)地，迄今無法解釋的參數(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”——有著顯而易見的危險。這是絕對借口投降的勝利宣言。在未來100年里，我們或許會找到更好的理解。

軸子

質(zhì)量和混合的一個方面提供了一個更加鼓舞人心的展望。核心理論的一般原理允許一個參數(shù)θ的存在，該參數(shù)在強(qiáng)相互作用的空間反演和時間反演變換中引起對稱性破缺。實驗上給出該參數(shù)的最強(qiáng)限制為|θ|＜10－10；我們所期望的先驗結(jié)論為 θ接近1。人擇原理在解決這個難題上無能為力，因為觀測實驗決定了任何θ接近1的可能性都是不合理的。

實驗對 θ的精密限制暗示著存在一個新的原則來解釋參數(shù)θ小的原因。最好的候選者是一種被稱為佩西－奎恩的新對稱性，該對稱性是由羅伯特·佩西（Roberto Peccei）和海倫·奎恩（He len Quinn）發(fā)現(xiàn)的。這個新的對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)的一個絕佳候選者，天文學(xué)家想要觀測到軸子，但直到現(xiàn)在仍然沒有觀測到它。精巧的挑戰(zhàn)性實驗正在通過宇宙背景或者一些效應(yīng)來搜尋著軸子。在未來100年里——或許要花費更長的時間——應(yīng)當(dāng)會探測到它們。

引力問題

作為引力的理論，愛因斯坦的廣義相對論概念上是如此的嚴(yán)密以至于僅有兩個自由參數(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)通過了物理學(xué)家和天文學(xué)家設(shè)計的所有實驗檢驗。然而，我們?nèi)匀挥欣碛蓙頇z驗它的有效性。

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——同理論的合理估計值不相容。為什么宇宙學(xué)常數(shù)的觀測值要比理論估計的小很多？第三，由廣義相對論簡單的量子化所產(chǎn)生的方程在極端條件下就會失效。它的后果是什么？在物理學(xué)發(fā)展的未來100年里，這些是重要的議題。在圖1和圖2中，我給出了一個有前途的方法來處理引力太弱的問題。本文中我提出了對這些問題的評論。

理論學(xué)家們已經(jīng)對宇宙學(xué)常數(shù)做出了大量的估算——有正值有負(fù)值——但這些估計值的絕對值仍然同觀測值相差太多。因此，宇宙學(xué)的觀測結(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，對該問題的解釋就是人擇原理。如果宇宙學(xué)常數(shù)的值過大的話，那么宇宙會膨脹得過快，這樣就會抑制宇宙的結(jié)構(gòu)形成。如此一來，星系和恒星甚至行星都不會形成，觀測者也不會出現(xiàn)。人擇原理是物理學(xué)最合理的解釋嗎？對它的質(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)一廣義相對論和量子力學(xué)是一個難題。因此，我認(rèn)為這是當(dāng)前急需解決的最重要問題。

在實踐層面上，不存在任何問題。天體物理學(xué)家和宇宙學(xué)家使用引力和量子力學(xué)成功計算了在兩個理論同時作用下的物理行為。通過這個工作，并沒有出現(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，那么問題就會顯現(xiàn)。關(guān)于小黑洞行為的思維實驗也會出現(xiàn)概念上的難題。然而，具體的可觀測現(xiàn)象會帶來決定性的成功和重大進(jìn)展，這樣的觀測能夠真正特性化超越半經(jīng)典近似的量子引力。實際觀測會把這個課題帶向另一個高度。

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

上帝視角

在過去的幾十年里，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)生于一個極其特殊且簡單的初始狀態(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。按照廣義相對論的場方程，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。來自宇宙起點的引力不穩(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——一個超光速膨脹的時期。這個非同一般的現(xiàn)象由基本物理學(xué)中的觀點所支持；事實上，暴脹就是由基本物理學(xué)提出的。然而，目前我們對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量的引力波。暴脹令人無法解決的問題不能缺少實證結(jié)果。我期望未來的100年里，在經(jīng)歷理論和觀測進(jìn)步之后，暴脹將會從一個設(shè)想進(jìn)化到一個確鑿的事實。

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

根據(jù)相對論，從上帝的角度來看似乎再自然不過了。相對論告訴我們將時空看做一個有機(jī)整體，其中的各個方面通過對稱性相連。如果我們堅持將自己的經(jīng)歷分割成不同的時間片段，那么這些對稱性就很難被描述。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)》一書中闡述了這個有機(jī)論（普林斯頓大學(xué)出版社，第116頁）：

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

對我而言，想從螞蟻的視角上升到上帝的視角來認(rèn)識物理實體是未來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)增長步伐放慢，但是我們至少能夠預(yù)期在未來幾十年中還會有幾個翻番?？尚械牧孔佑嬎銠C(jī)也即將要上線。增長的計算能力將會改變我們的問題、答案以及我們所追尋的研究。最后，但并非最不重要，這將會改變研究者的本質(zhì)：“我們物理學(xué)家”工作的實質(zhì)是什么。

強(qiáng)相互作用理論量子色動力學(xué)（QCD）的近期發(fā)展已經(jīng)預(yù)示著一些未來可能性。這個理論的初步驗證已經(jīng)獲得了成功，例如在涉及大量能量和動量轉(zhuǎn)換的過程中，QCD給出了準(zhǔn)確的定量描述。那些所謂的硬過程要經(jīng)得起復(fù)雜微擾理論的考驗，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，這使得人們首先來研究強(qiáng)相互作用。通過分析方法，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算機(jī)來運行這些方程。

早在1929年的時候，保羅·狄拉克就曾在《英國皇家學(xué)會院刊》（123卷第714頁）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，由于這些方程太過復(fù)雜以至于根本無法解決實際問題。因此，理想的方式是研發(fā)量子力學(xué)的實際近似方法，這種方法無需太多計算便會給出復(fù)雜原子系統(tǒng)主要特點的解釋?！?/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)實問題相關(guān)的任何物理過程。然而，定義“太過復(fù)雜”和“太多計算”的界限已經(jīng)發(fā)生了根本性的變化?，F(xiàn)代計算機(jī)的計算能力要比1929年的高出很多量級，我們有充分的理由相信：在未來的100年里，計算機(jī)的計算能力會有更多數(shù)量級的提高。

會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？會存在室溫超導(dǎo)現(xiàn)象嗎？這些以及其他的一些問題將在核物理、恒星物理、材料科學(xué)以及化學(xué)的基礎(chǔ)上通過計算來獲得，因為計算機(jī)在基礎(chǔ)理論的基礎(chǔ)上已經(jīng)用于飛行器的設(shè)計：通過計算給出補充以及最終替代的實驗室實驗。

逐漸地，計算機(jī)算法的發(fā)展將成為理論物理的核心。計算機(jī)能夠運行的概念和方程將會被強(qiáng)有力地使用；不能轉(zhuǎn)變成計算機(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腦的數(shù)值計算會取代具有創(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算機(jī)的算法思維來描述。

設(shè)計算法的工作被認(rèn)為是教學(xué)的特殊形式，其目的在于培養(yǎng)那些聰明絕頂且沒有任何計算機(jī)經(jīng)驗的學(xué)生。目前，這些學(xué)生缺乏動力和好奇心，然而這些問題是可以解決的。在未來100年里，隨著適合這些學(xué)生天分的獨特思維風(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所發(fā)現(xiàn)的引力波頻率為 100Hz。橫跨數(shù)百萬公里，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，通過它們可以展現(xiàn)一個國家民族的文化。現(xiàn)在，非同尋常的機(jī)會就擺在我們面前，但要說清楚這些問題，需要大量資金的投入。

引力波天文學(xué) 已經(jīng)開啟了宇宙的新窗口，一個可以進(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報告了首次直接觀測到了引力波。為了充分開發(fā)引力波天文學(xué)的潛能，我們將配置精密儀器陣列，這個陣列在太空中橫跨數(shù)百萬公里。激光干涉空間天線的一個候選者如圖4所示。

系外行星天文學(xué) 將會系統(tǒng)地搜尋我們的銀河系，并收集數(shù)以百萬計行星的質(zhì)量、軌道、地質(zhì)和氣候等信息。作為一個副產(chǎn)品，我們將會了解到生命的罕見及其所需要的生存條件。我們所發(fā)現(xiàn)的或許會支持人擇原理的檢驗和完善。

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

反向天文學(xué) 將會在大型加速器項目中接觸更短的距離和更高的能量。

量子計算 將會尋求并啟用計算機(jī)算法來解決越來越多的復(fù)雜量子過程。在未來的100年里，量子計算會成為化學(xué)和材料科學(xué)的核心方法。

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

現(xiàn)代的主流計算機(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)，這是因為任何故障都會導(dǎo)致計算機(jī)運行的錯誤。如果計算機(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運轉(zhuǎn)。所以有必要去實現(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。具有容錯系統(tǒng)且能自我修復(fù)的良好三維計算機(jī)即將研發(fā)。在設(shè)計這些特性的過程中，我們將會了解到與神經(jīng)生物學(xué)相關(guān)的信息。

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

圖5 通過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。以色覺為例，到達(dá)我們眼睛的電磁信號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。通過合適的轉(zhuǎn)換，我們能夠在某些共同感覺的現(xiàn)有通道中對它們進(jìn)行編碼。通過極大地拓展人類的感覺器官，我們將會開啟人類感知的大門并能夠感受這個世界的真實模樣。

前景可期

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

[資料來源：Physics Today][責(zé)任編輯：彥 隱]