■ 邁克爾·S. 特納 / 著，諶俊謀 / 譯，李學(xué)潛 / 校
邁克爾·S. 特納(Michael S.Turner)是芝加哥大學(xué)布魯斯和戴安娜·勞耐爾講座杰出貢獻(xiàn)教授，芝加哥大學(xué)卡弗里宇宙物理研究所創(chuàng)始會(huì)員。他將物理百年（1950～2050）總結(jié)為“前50年8項(xiàng)偉大成就，后50年8個(gè)難逢機(jī)遇”。他說(shuō)：我真的看好物理學(xué)的將來(lái)，除非你瘋了，否則你絕不敢小看物理學(xué)的。
物理學(xué)剛剛經(jīng)歷了一個(gè)偉大的世紀(jì)量子力學(xué)、核能與核武器、大型粒子加速器、晶體管和隨之而來(lái)的各種量子器件，以及從夸克到暗能量的各種重大發(fā)現(xiàn)。物理學(xué)統(tǒng)治了整個(gè)20世紀(jì)。在《時(shí)代》雜志將愛因斯坦評(píng)為世紀(jì)人物后，對(duì)這一事實(shí)的最后一點(diǎn)疑慮也被消除了。而在1950 ~ 2000年間，美國(guó)擁-有了大部分的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者，最大的粒子加速器和最一流的學(xué)術(shù)期刊，是無(wú)可爭(zhēng)議的物理學(xué)的圣地。
過去10年世界發(fā)生了深刻的變化。生物學(xué)成為21世紀(jì)最受矚目的學(xué)科。從基因組測(cè)序到功能性核磁共振成像、生物和生命科學(xué)的突破(有許多借助了物理工具)非常了不起，走在了時(shí)代的前面。而同時(shí)，美國(guó)將不可能再像過去50年那樣主導(dǎo)物理學(xué)或世界經(jīng)濟(jì)了。所有這些不能不讓美國(guó)和世界各地的物理學(xué)家們思考：21世紀(jì)，物理將向何處去？
我認(rèn)為科學(xué)本身不是，或者不應(yīng)該是讓我們煩惱的東西。前人給我們的遺產(chǎn)為未來(lái)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，擺在前面的機(jī)會(huì)激動(dòng)人心。而我們表現(xiàn)得這么大驚小怪，不過是因?yàn)楝F(xiàn)狀的改變和未來(lái)的不確定：坐在王座的感覺當(dāng)然好，但被趕下去的滋味就不那么容易接受了。
受到這種焦慮的驅(qū)使，我將以當(dāng)代為基點(diǎn)，盤點(diǎn)前后一個(gè)世紀(jì)的物理學(xué)。選當(dāng)代為時(shí)間參照點(diǎn)可以讓我既回顧過去的成就又展望未來(lái)的機(jī)會(huì)，從而完成我對(duì)物理學(xué)正如何變化和將向何處去的思考。
偉大的成就：1950～2000
過去50年產(chǎn)生了這么多重要的進(jìn)步，要選擇這個(gè)讓人激動(dòng)的時(shí)代的主題實(shí)在是很難。我將重點(diǎn)論述那些改變了物理學(xué)和開拓了研究新方向的成就。盡管我認(rèn)識(shí)到，這個(gè)清單展示出的物理學(xué)的變遷(一個(gè)粒子物理學(xué)家可能變成天文學(xué)家和宇宙學(xué)家)可能和物理學(xué)本身一樣多。
核子和其他強(qiáng)相互作用有關(guān)的粒子由六種帶分?jǐn)?shù)電子電荷的夸克構(gòu)成。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)物理學(xué)產(chǎn)生了深刻影響：導(dǎo)致了粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的誕生，改變了核物質(zhì)內(nèi)在運(yùn)作模式的圖像，為重離子碰撞中夸克-強(qiáng)子轉(zhuǎn)變的研究打開了大門，并為關(guān)于宇宙大爆炸后一微秒以內(nèi)物理圖像富有成果的研究提供了基礎(chǔ)。
在泡利1930年為挽救能量守恒提出中微子理論的26年后，其微弱的相互作用才被探測(cè)到。中微子是電子、μ、τ輕子的中性伴隨子，此6個(gè)粒子統(tǒng)稱為輕子。輕子和夸克是物質(zhì)組成的基本成分。盡管中微子是基本粒子中最輕的和最惰性的(在四種基本相互作用中，中微子只參加弱相互作用)粒子，但它們是產(chǎn)生重元素的大型恒星爆炸的關(guān)鍵因素，它們貢獻(xiàn)給宇宙的質(zhì)量就相當(dāng)于恒星的貢獻(xiàn)；此外，中微子也很可能對(duì)建立夸克和反夸克的不對(duì)稱性上是決定性的，從而成為原子能夠存在的關(guān)鍵。
曾幾何時(shí)場(chǎng)論的課題被一些人認(rèn)為是數(shù)學(xué)而非物理，現(xiàn)在卻在物理學(xué)里取得了偉大的成就。它不僅提供了粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模的SU(3)×SU(2)×U(1)規(guī)范場(chǎng)理論和統(tǒng)一所有基本力的框架，還為超導(dǎo)的標(biāo)準(zhǔn)理論，重整化群和描述凝聚物質(zhì)系統(tǒng)的共型場(chǎng)理論提供了基礎(chǔ)。讓我們把廣義相對(duì)論也算進(jìn)來(lái)吧，在場(chǎng)論框架下，它從原本深?yuàn)W的數(shù)學(xué)變成了理解宇宙演化和宇宙中各種事物的基礎(chǔ)。
1966年，神秘的類星體被發(fā)現(xiàn)，轟動(dòng)一時(shí)?，F(xiàn)在我們知道它們有由銀河星系中央的超大黑洞供給的能量。各種發(fā)現(xiàn)接踵而至，恒星大小的黑洞，中子以及能量高達(dá)1020 eV的宇宙射線，這些發(fā)現(xiàn)揭示出：宇宙并不像我們想象的那樣平靜，它要有趣得多，是一個(gè)有著極強(qiáng)能量、密度和重力場(chǎng)的地方。這些發(fā)現(xiàn)不但使更多的物理學(xué)家進(jìn)入天文學(xué)領(lǐng)域，而且把天空變成了一個(gè)物理實(shí)驗(yàn)室。
宇宙微波背景的發(fā)現(xiàn)，隨后出現(xiàn)的大量數(shù)據(jù)，以及由此產(chǎn)生的驚人的想法：非常巨大的宇宙要與粒子理論描述的非常小的實(shí)體匯合，使宇宙學(xué)這個(gè)讓物理學(xué)家皺眉的死水成為所有科學(xué)中最熱門的學(xué)科之一(參見Physics Today, December 2008, page 8)。宇宙的外部空間與基本粒子和核子的內(nèi)部空間之間的深層聯(lián)系被揭示了出來(lái)，它們存在于暗能量和暗物質(zhì)、膨脹子、中子星和中微子之中。
物理學(xué)家們馴服了量子力學(xué)原理制約下的原子世界，制造實(shí)用的設(shè)備：包括晶體管、集成電路、激光和超導(dǎo)導(dǎo)線等。這些發(fā)明改變了我們的生活方式，使信息時(shí)代成為了可能，無(wú)疑這是由好奇心推動(dòng)的基礎(chǔ)研究產(chǎn)生巨大回報(bào)令人驚奇的范例。
摩爾定律在過去50年間跨越了12個(gè)數(shù)量級(jí)，計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)量從千字節(jié)(kilo-bytes)發(fā)展到10億兆字節(jié)(petabytes，1015)，運(yùn)算速度從每秒千次浮點(diǎn)數(shù)(killoflops)到每秒億兆次(petaflops)，催生了一門新的學(xué)科——數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)。復(fù)雜如量子色動(dòng)力學(xué)(QCD)和廣義相對(duì)論的理論現(xiàn)在能夠精確得到數(shù)值了；基本粒子的性質(zhì)也可以從第一原理出發(fā)進(jìn)行計(jì)算了；黑洞撞擊的后果變得可以預(yù)見，甚至宇宙本身都能模擬了。
物理學(xué)家制造出來(lái)的工具沖擊了科學(xué)的每個(gè)方面。加速器不止使我們能夠觀察夸克和輕子的世界，還提供了用來(lái)觀測(cè)和研究生物和材料樣品的強(qiáng)X射線束。探測(cè)微波，紅外線，紫外線，X射線和γ射線光子，也許很快還要加上探測(cè)引力波的探測(cè)器，這些都為天文學(xué)家觀察宇宙提供了新的手段。人們能夠很容易地把單個(gè)原子限制在特定的位置，并進(jìn)行操作和研究，這使得我們可以采用各種技術(shù)手段來(lái)觀察原子世界。
機(jī)遇：2000～2050
過去50年我們研究方式的改進(jìn)，為很多問題的答案提供了線索，解答它們的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟；也指出了極有前途的物理領(lǐng)域供人們開拓。過去的輝煌很難復(fù)制，但我認(rèn)為下一個(gè)50年也許能創(chuàng)造出更偉大的成就和發(fā)現(xiàn)。下面是我的預(yù)測(cè)。
我們已經(jīng)能夠觀察原子的形象并開始操縱它們。下一個(gè)挑戰(zhàn)將是在原子水平做真正的工作：制造新材料和新機(jī)器，制作物理-生物雜交型材料，以及更廣泛地認(rèn)識(shí)納米世界的潛力。這一工作對(duì)社會(huì)的沖擊將可與量子力學(xué)比肩。
這兩大20世紀(jì)的物理學(xué)支柱是不相容的。弦理論試圖統(tǒng)一它們，現(xiàn)在還難言成敗，但統(tǒng)一的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟。當(dāng)它成功時(shí)，我們對(duì)物質(zhì)、能量、空間、時(shí)間以及宇宙的起源和演化的認(rèn)識(shí)都會(huì)深化。而且誰(shuí)知道它會(huì)最終帶給我們什么現(xiàn)實(shí)的收獲呢，就像量子力學(xué)曾經(jīng)做到的那樣。
宇宙學(xué)家正努力把宇宙演化的時(shí)間順序全都弄清楚，從大爆炸發(fā)生之前，經(jīng)過星系、恒星、行星和生命的產(chǎn)生，直至?xí)r間的終點(diǎn)。有了這些雄心勃勃的想法，再加上以后幾十年里的功能強(qiáng)大的地球和太空電子望遠(yuǎn)鏡，我們似乎正沉浸在宇宙學(xué)的黃金時(shí)期。
這個(gè)世界在接下來(lái)40來(lái)年中需要從10萬(wàn)億瓦的能量消耗增加到40萬(wàn)億瓦，這個(gè)增加應(yīng)該是以可持續(xù)的方式實(shí)現(xiàn)并對(duì)地球產(chǎn)生盡可能小的影響。盡管備選方案似乎很多：從太陽(yáng)能到核能，從生物能源到碳截存礦物燃料，最佳解決方案卻還沒有出現(xiàn)。在為解決這一人類大難題而進(jìn)行的基礎(chǔ)研究中，物理學(xué)家將是關(guān)鍵參與者。如果我們成功，其成果應(yīng)該比核武器更令人難忘。
我們已經(jīng)具有物理測(cè)量和操作原子、分子和細(xì)胞的能力，也許我們離回答一些重大問題的時(shí)候已經(jīng)不遠(yuǎn)了：大腦是如何運(yùn)行的？基因組的信息是什么？生命體是怎樣運(yùn)作的？它們能被模擬甚至重新編排嗎？新的工具是關(guān)鍵，但偉大的創(chuàng)意以及理解和描述生命復(fù)雜系統(tǒng)的組織原則也同樣重要。
現(xiàn)在已知有超過350個(gè)軌道接近其恒星的行星，還有我們自己太陽(yáng)系的幾個(gè)可能存在生命的地方，發(fā)現(xiàn)地球外的生命應(yīng)該不是問題。而它們一旦真被發(fā)現(xiàn)，將對(duì)生物學(xué)、天文學(xué)和人類對(duì)自身的看法產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響?，F(xiàn)在想象一下我們找到了智慧生物吧!
我一直很喜歡用小孩觀察象棋比賽來(lái)比喻物理學(xué)的任務(wù)，意思是我們通過仔細(xì)觀察自然以發(fā)現(xiàn)它潛在的規(guī)則。當(dāng)然，學(xué)會(huì)了規(guī)則并不意味著我們就學(xué)會(huì)了下棋。在像湍流和生命組織這樣的復(fù)雜系統(tǒng)里更是如此。理解復(fù)雜系統(tǒng)和大尺度行為的突變一直是巨大的挑戰(zhàn)。
沒有人在創(chuàng)新儀器工具和改進(jìn)方法上比物理學(xué)家做得更好，這樣所有科學(xué)領(lǐng)域的前途當(dāng)然就掌握在我們手里。
物理學(xué)向何處去
有人也許會(huì)想，有著一系列前所未有的成就和未來(lái)巨大的機(jī)遇，物理學(xué)家們應(yīng)該是一貫地自信滿滿。相反，他們身上閃現(xiàn)的卻是對(duì)自身的懷疑。生命科學(xué)和生物學(xué)的崛起讓賽場(chǎng)中游戲各方扯平了：物理學(xué)家不再占據(jù)科學(xué)和學(xué)術(shù)上頭號(hào)的領(lǐng)軍人的位置，不再是所有最好和最聰明的學(xué)生部渴望成為物理學(xué)家了?？茖W(xué)內(nèi)部有著對(duì)資源、下一代的科學(xué)家以及榮譽(yù)的激烈競(jìng)爭(zhēng)。此外，在更大的背景下看，科學(xué)正經(jīng)歷著劇烈的轉(zhuǎn)變：它更強(qiáng)調(diào)合作和跨學(xué)科研究，更國(guó)際化和數(shù)字化，更強(qiáng)調(diào)經(jīng)驗(yàn)，節(jié)奏更加快速。
為了繼續(xù)繁榮，物理學(xué)家必須有信心重新改造物理學(xué)，就像我們?cè)?jīng)做到的那樣。很多最令人激動(dòng)的機(jī)會(huì)部存在于和其他學(xué)科的交界處。物理學(xué)必須能巧妙地容納下更加多種多樣的研究方向。很容易想象分割成小塊的物理學(xué)，有宇宙物理學(xué)、生物物理學(xué)、計(jì)算物理學(xué)、應(yīng)用物理學(xué)等等，但就是沒有物理學(xué)本身。這是生物學(xué)甚至化學(xué)所經(jīng)歷過的，但我認(rèn)為這種學(xué)科分化并不能最好地發(fā)展物理學(xué)。
物理學(xué)家研究問題有一個(gè)重要的統(tǒng)一的原則。物理學(xué)家使用嚴(yán)格和定量的方法，尋找內(nèi)在的規(guī)律和基本法則，他們從簡(jiǎn)單的模型開始，增加復(fù)雜性，他們依賴還原論，并且不斷進(jìn)行儀器工具和方法的創(chuàng)新。雖然物理學(xué)的名字一直不變，它的內(nèi)容卻一直在變，改變得太多了，以至于唯一不變的定義是：物理學(xué)就是物理學(xué)家所做的工作。
物理學(xué)從400年前的力學(xué)和天體力學(xué)到18和19世紀(jì)的電學(xué)、磁學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理，到了今天它包含了材料、原子、原子核、基本粒子、宇宙和生物學(xué)里越來(lái)越多的領(lǐng)域。而從事研究的物理學(xué)家們?yōu)榱藨?yīng)對(duì)他們所處時(shí)代最緊迫的問題，創(chuàng)造了數(shù)學(xué)上、概念上和儀器上的新工具。從最樂觀的角度看，物理學(xué)家曾經(jīng)是，并且將繼續(xù)是科學(xué)上機(jī)會(huì)的敏銳發(fā)現(xiàn)者。
在我任教的芝加哥大學(xué)曾經(jīng)有一個(gè)叫做阿爾伯特·邁克爾遜的物理學(xué)家，因?yàn)樵谝粋€(gè)世紀(jì)以前宣布物理學(xué)的死亡而聲名狼藉。我不會(huì)重復(fù)他的失誤，我真的看好物理學(xué)的將來(lái)，除非你瘋了，否則你絕不敢小看物理學(xué)的。
原文：'A century ofphysics: 1950 to 2050', Physics Today, vol. 62, issue 9
來(lái)源：《現(xiàn)代物理知識(shí)》第22 卷第1 期，原文題為“物理百年：1950～2050”
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