李学生 （lixueshenglxs@21cn.com）　2007.05

二、现代物理学的辉煌成就及其困难

1、现代物理学辉煌的成就

科学研究来源于科学问题，科学问题产生于社会实践，社会实践的不断发展就会产生不断的科学问题，故尔科学的发展实际上也就是问题的产生和问题解决的过程，科学问题的提出、确认以及解决就构成了科学发展的内在动力。Francis Bacon〔1561-1626，文艺复兴时期的英国作者，演绎推理的创立者〕1605年启蒙运动中，将综合性科学的这个原则形象地预示为∶“没有一种完善的发现能够在一个平面或一个水平上做出∶如果你站在相同科学同一水平上而不是更高层的科学水平上，不可能发现任何科学更遥远或更深层次的部分。”早在1964～1965年间，张文裕、朱洪元、汪容、何祚庥等人曾经分析物理学发展的历史过程，指出在物理学的发展史上有三次大突破。第一次是宏观低速运动领域的大突破，这集中表现为牛顿力学以及牛顿力学基础上所建立的各种应用科学；第二次是在宏观高速运动领域的大突破，这就是法拉第和麦克斯韦的电磁方程式以及狭义相对论的建立，随之而是电和光的技术的发展和各方面的广泛应用；第三次大突破是在微观低速运动领域，这就是量子力学的建立，伴随而来的是原子物理、分子物理、各种凝聚态物理、原子核物理的建立，原子能、半导体、激光、电脑等技术的出现和它们的广泛的应用。霍金宣称：“我们可能已经接近于探索自然的终极定律的终点”。

2、现代物理学的困难

阿兰 ∙ 杉德基在《起源》中说：“科学是唯一的自动纠错的人类系统，不过，科学也是只有通过证明自己错误才得以进步的过程。” 物理学最基本的目的是寻求自然界物质运动的统一规律，然而现代物理学拥有一个支离破碎的物理理念世界:超宏观的有天文学的"黑洞"，"宇宙大爆炸";微观的有微观粒子的波粒二象性;介于其间的有狭义和广义相对论。量子力学的不确定原理，使真空中充满虚实粒子对，它们具有无限大的能量，按照相对论就应该有无限大的质量，进而产生无限大的引力，宇宙就会坍塌成一个点，但实际宇宙并未坍塌。我们的科学被划分成了一个个相对孤立的体系，并不断地进行继续的分化，看起来科学之树越来越枝繁叶茂，但同时也越来越繁琐，越来越孤立。实验和理论的对立统一作为科学发展的内在动力是根本的，也是显而易见的。但是，世纪之交的物理学革命表明，各理论体系之间的对立统一也是科学发展的一种不可忽视的内在动力，它有时也会导致新概念或新理论的提出。客观世界是统一的，作为反映客观世界运动规律的理论必然具有某种内在的联系。这是从表面上的对立入手，追求本质上统一的理论的客观基础。作为演绎前提的基本概念和基本假设变得愈来愈抽象，愈来愈远离感觉经验。仅仅通过实验，用构造性的努力去发现真实定律是相当困难的，甚至是不可能的。着眼于各理论体系之间的对立统一，往往能创出新路。由于种种条件的限制，有关实验在一定的历史时期内不可能实现或一时难以完成。如果要等实验与现有科学理论发生尖锐矛盾时再立足于实验事实进行研究，势必大大延缓科学发展的进程。在这种情况下，从旧有理论体系之间的矛盾入手，往往能取得突破。实验由于设备复杂、要求精度很高等原因，其他人往往难以重复，这样便难于及时得到科学界的公认和受到应有的重视。科学家(包括实验者本人)对新实验的认识有一个曲折的过程，特别是那些触及传统观念的实验，其深刻意义往往需要很久才能被揭示出来。

诺贝尔奖获得者海森伯（W.Heisenberg）说过：“在人类思想发展史上，最高成果的发展几乎总是发生在两种不同思维方法的交会点上。它们可能起源于人类文化中十分不同的部分……。因此，如果它们真正地汇合，也就是说，如果它们之间至少关联到这样的程度，以致于发生真正的相互作用，那么我们就可以预期将继之以新颖有趣的发展。”近10多年来，关于非平衡统计物理学的研究前景也十分诱人，非平衡相变、耗散结构、协同学等就是其中比较活跃的研究领地。这几年，人们注意到，远离平衡的系统可能经过突变进入混沌(chaos)状态，而且混沌态可能并不比时空有序的状态更“无序”，混沌态和耗散结构还可能交替出现。现在，人们大体上已了解到，混沌是非常普遍的自然现象，在一定的意义上讲，混沌状态比无理数要多得多，而且混沌序(内在随机性)比自然界存在的有理序(周期性)、无理序(准周期性)更“高级”，即使在通常认为由决定论统治的牛顿力学中，也普遍地存在着内在随机性，完全确定论的描述在牛顿力学中倒是少如风毛麟角。但是，混沌决不是简单的无序，而更像是不具备周期性和其他明显对称特征的有序态。在理想情况下，混沌状态具有无穷的内部结构，只要有足够精密的观察手段，就可以在混沌态之间发现周期和准周期运动，以及在更小的尺度上重复出现的混沌运动。正因为如此，我国学者才从古汉语中引用“混沌”一词(气似质具而未相离，谓之混沌)来描述这种奇特的现象。混沌转变和非平衡相变都是经过突变而不是渐变实现的，这说明混沌状态的出现也与对称破缺有关。现在重整化技术已经成功地用于混沌转变的研究，已有一批反映通向混沌道路的数学模型，而且新的实验报道也在不断涌现。这个成为80年代重要研究课题的进展，也许不仅会导致数理科学中基本观念的又一次革新，而且可能导致对偶然性和必然性、确定论和概率论等哲学范畴以及自然科学方法论的更深刻的认识。

美籍华人著名的物理学家、诺贝尔奖金获得者李政道把“一些物理现象理论上对称，但实验结果不对称”、“暗物质问题、暗能量问题”、"类星体的发能远远超过核能，每个类星体的能量竟然是太阳能量的10¹⁵倍"、“夸克禁闭”称为是21世纪科技界所面临的四大难题。无论是现存理论间或理论与事实间的微妙冲突都会引导代表人类的思维拓展科学发现的新疆界。

2000年弦理论会议上，弦理论家提出了跨世纪的十大理论问题： （1） 表征物理宇宙的所有（可测量的）无量纲参数是否原则上都是可计算的，或其中某些仅仅是由历史或量子力学等偶然因素所确定，因而是不可计算的？这是由超弦会议组织者之一，因夸克渐进自由研究后来获得2004年诺贝尔奖。物理学奖的戴维.格罗斯所命题的。《纽约时报》知名的科学记者乔治.约翰逊在报道中对这第一个问题进一步作了展开说明：“Einstein的表述更为清楚：上帝在创造宇宙时是否有选择？想象上帝坐在控制台前，准备引发宇宙大爆炸。‘我该把光速定在多少？’ ‘我该让这种叫电子的小粒子带多少电荷？’ ‘我该把决定量子大小的普朗克常数定在多大？’ ‘上帝是不是为了赶时间而胡乱抓来几个数字？抑或这些数值必须如此，因为其中深蕴着某种逻辑？”（2） 量子引力如何有助于解释宇宙起源问题？ （3） 什么是质子的寿命？理论上如何解释？（4） 自然是超对称的吗？若是，超对称怎样破缺？ （5） 为什么宇宙看来只有一维时间和三维空间？（6） 为何宇宙学常数会有其值？是零吗？是常数吗?（7） 何为M理论基本自由度？果真描述自然吗？（8） 如何解决黑洞的信息佯谬？（9） 引力尺度和基本粒子的典型质量尺度之间的差异如此巨大，什么物理可予以解释？（10） 如何定量解释量子色动力学中的夸克胶子的禁闭，以及质量间隙的存在？

理论物理学家、2004年诺贝尔物理学奖获得者、美国凯乌利理论物理研究所所长大卫•格罗斯教授，于2005年3月在中国科学院理论物理研究所“前沿科学论坛”做了题为《物理学的将来》的演讲，讨论当前物理学面临的25个问题，及它们如何引导物理学未来25年的发展。（注：《引领物理学发展的25个问题》摘自2005-3-15 [国际数学动态] 科学时报 2005年3月7日 作者：黎明）

问1.宇宙起源：宇宙学观测表明宇宙是膨胀着的。通过对微波背景辐射和宇宙大尺度结构等的观测，宇宙的历史可以追溯到极早期发生的大爆炸。我们所知的基本物理，比如广义相对论和粒子物理标准模型，在那里都不适用。为理解宇宙起源，需要了解大爆炸时期的基本物理。问2.暗物质的本质：现代宇宙学观测表明宇宙中存在暗物质和暗能量。但是它们的起源仍然是个谜。问3.暗能量的本质。问4.恒星、行星的形成：天体的形成是天体物理学中的重要问题。适合生物存在的行星，在银河系中出现的几率到底是多少？ 问5.广义相对论：广义相对论在所有尺度上都是正确的吗？　问6.量子力学：量子力学取得了巨大成功，但它描述的是自然的最终理论吗？也许它会在很小的距离上和非常复杂的系统中失效，是否可用来描绘整个宇宙也还值得探讨。　问7.标准模型：粒子物理标准模型无疑极为成功，但人们并没有理解夸克和轻子的质量混合的物理起源和中微子的质量等。问8.超对称：存在低能超对称吗？超对称伴子的质量谱是什么？问9.量子色动力学（QCD）：量子色动力学可以完全求解吗？　问10.弦论：超弦理论是一个有望成功地统一自然相互作用的理论，但它到底是什么？问11.时空的观念：时空是什么？超弦理论最终可能会放弃时间和空间这两个概念。问12.物理理论是否与环境相关：物理的基本参数和规律都可以计算，还是仅由历史的或量子的偶然性决定，或者是由人择原理来确定？景观的图像是对的吗？问13.新物态：存在常规实验可探查的一般非费米流体行为吗?问14.复杂性：对一般的复杂大系统而言，其内在的混沌特性决定了系统的不可预测性。如何运用计算手段来分析这类系统、鉴别哪些特征？问15.量子计算机：如何防止量子计算中的“退相干”？如何实际制造量子计算机？问16.物理学的应用：如何得到室温甚至室温以上的超导材料？如何用电子材料（如半导体）制造室温铁磁体？ 问17.理论生物学：生物学的理论是什么？理论物理学有助于生物学研究吗？需要新的数学吗？如何描述生物体这样呈现出多时间尺度动力学的体系？问18.基因组学：物理学家如何参与基因组的“解密”？可能拥有一个定量的、可预测的进化理论吗？甚至能否直接从基因组出发“计算”有机体的形状？问19.意识的研究：记忆和意识后面的自组织原则是什么？有可能在幼儿期测量到意识的发生吗？什么时候？如何发生？如何测量？能否制造一个具有“自由意志” 的机器？问20.计算物理学：计算机能代替解析计算吗？如果是，那么将来物理学家所受的训练该如何相应改变？问21.物理学的分化：物理学自身发展日益分化，如何面对这种状况？　问22.还原论：是否应该怀疑这个物理学的根本逻辑？是否保持一个开放的态度？问23.“理论”应该扮演何种角色：“理论”是否应仅仅靠实验来判断正误，或者应该是由基本物理原理发展出来的对自然“更高”层次的理解，而可以不顾及是否能在实际中实现？在对复杂系统的细节描述中，如何估价物理学家一贯坚持的“简洁性”和数学“优美性”等原则？问24.物理学未来发展中潜在的危险：如何面对越来越大、越来越难以实现的物理学实验计划？在这种形式下，新的研究途径该是怎样的？理论在探索自然方面应该起什么作用？问25.物理学是否仍将是最重要的科学？

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