物理學2016年十大突破與百年展望 | ?SCIENCE公布的125個科學前沿問題

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2016年物理學十大突破

來源：原理（ID：principia1687）

世界頂級科學雜誌《物理世界》12日公布了評選出的2016年度物理學領域十大突破，其評判標準包括

激光干涉引力波天文台（LIGO）團隊因「革命性地首次直接探測到引力波」而獲得年度突破大獎。

合併的黑洞輻射出引力波。（? LIGO）

今年2月，LIGO團隊宣布，在愛因斯坦預言的100年後，人類首次直接探測到了引力波。該引力波是由13億光年之外的兩個黑洞合併產生，被LIGO位於漢福德和利文斯頓的兩台探測器於2015年9月探測到。

《物理世界》編輯Hamish Johnston表示：「LIGO在較短的時間內取得如此成就是非常不可思議的。這一發現也是證明黑洞存在的第一個直接證據，因此LIGO其實是改變了我們對宇宙的認知。」

然而，LIGO探測到引力波只是故事的開始，它真正的貢獻是開啟了一個新的天文學時代，為基礎研究提供了許多可能性。比如通過LIGO可以驗證為什麼時間旅行也許是不可行的，或檢驗愛因斯坦的廣義相對論的有效性等。

除了引力波的發現，另外9項重大突破包括（排名不分先後）：

量子雙模式貓態。（? Michael S Helfenbein）

薛定諤貓：這隻貓一直以它即死又活的狀態而出名。它是量子疊加態的一個著名例子。所謂的疊加態就是粒子可以同時處於不同的態。一個美法研究團隊通過設計兩個超導空腔（盒子）， 在空腔里可以釋放微波（即光子），首次在實驗中創建量子雙模式貓態（薛定諤貓同時存在於兩個盒子之中）。

離子糾纏器。（? Blakestad/NIST）

離子糾纏：牛津大學和美國NIST的兩個研究團隊各自獨立地將兩種不同的離子糾纏在一起，並對其進行測量。這是邁入創造基於離子的量子計算機的重要一步。這樣的混合系統的好處在於，不同離子在進行特定的量子計算任務上都有各自的優勢。

藝術描繪的比鄰星b的表面，圍繞著一顆紅矮星——比鄰星轉。（? ESO/M Kornmesser）

比鄰星：天文學家在離太陽系最近一顆恆星（距離太陽4.2光年）比鄰星的宜居帶發現了一顆岩石行星——比鄰星b，大小是地球的1.3倍。理論上，在它的表面可以維持水的存在，甚至有可能擁有大氣層。

負折射：科學家首次在石墨烯中觀測到電子負折射現象。負折射是一些人造超材料的一個性質，可以用來製造新型光學器件，比如完美透鏡。材料中的電子可以表現的像波，負折射也會發生在n型和p型半導體的交界面。

新型重力儀。（? Giles Hammond）

重力儀：英國格拉斯哥大學的科學家研發出成本相當低並且小巧的重力儀，可以用來精確地測量地球的重力場。由於其敏感度非常高，這個儀器可以用來礦產勘探、土木工程和監測火山活動等。

核子鍾：德國科學家探測到釷-229原子核中的低能躍遷，可以用來製作核子鍾。相比今天被廣泛使用的原子鐘，核子鍾只關注原子核而不涉及外圍的電子，因此核子鐘不容易受到外界干擾（比如電場），從而更加的穩定。

利用Mesolens拍攝的老鼠胚胎。（? Gail McConnell/University of Strathclyde）

神奇的透鏡：蘇格蘭斯特拉斯克萊德的大學的科學家研發出擁有大視場、高解析度的新型纖維鏡頭——Mesolens。該設備允許共聚焦顯微鏡，可以製造大量生物樣本的3D圖像。在一張圖像就可以觀測整個樣本的能力可以幫助研究許多的生物過程，並確保一些重要的細節不會被忽視。

真空室，困住鈣離子的實驗裝置。（? Johannes Ro?nagel）

最小的發動機：德國美因茨大學的科學家用一個原子建造了一個熱機。他們把一個鈣離子困在一個漏斗狀的陷進中，將溫差轉換為機械功。

更快的計算：量子計算機的發明無疑會引領一場技術革命，但是為了實現這個目標，科學家還需要克服許多的障礙。今年，奧地利的科學家利用量子計算機成功的模擬了亞原子粒子之間的基本相互作用。

諾獎得主維爾切克：物理學百年展望

本文由賽先生（iscientists）授權轉載

作者：Frank Wilczek，翻譯：梁丁當

未來一百年會給物理學帶來什麼？我當然不知道，但這是一個令人思緒飛揚的問題。下面這些經過深思熟慮的猜想既反映了我的興趣和學識，也暴露了我的局限和偏見。另外，為保證文章在可接受的長度內，我對內容不得不精挑細選。如果這些猜想激發了你對未來一百年的思考，它們的目的就達到了，即使你的答案和我不一樣。

為了更好地展望未來，我們先回顧一下過去。

一個世紀前的物理學一片混亂。愛因斯坦剛剛發表了革命性的引力新理論。盧瑟福發現了原子核，它們是物質的核心，但卻神秘而古怪——非常小，非常密，會毫無理由地進行各種令人困惑的轉變。以玻爾的原子模型為基礎的量子理論還毫無章法。超導已是一個實驗事實，卻是一個理論的謎團。化學鍵的本質和恆星能量的來源——自然界里極其重要兩個的環節——挑戰著當時物理學家們的自尊。

五十年前物理學的面貌已經很不一樣。經過大量的理論研究和一些實驗觀測，廣義相對論成為了一門成熟的學科。它和哈勃發現的宇宙膨脹一起為科學地研究宇宙提供了許多新的可能。人們發現了微波背景輻射，發展了半定量的宇宙元素起源理論，最後建立了大爆炸理論。儘管很多人覺得量子力學奇怪和令人頭疼，量子力學已經發展為一個數學上非常嚴格自洽並且極其成功的理論，直到現在依然是我們和自然對話的語言。

原子物理、化學和材料科學有了堅實的基礎。超導得到了解釋，它的理論不但漂亮而且非常有用。激光、三極體，和核磁共振等許多令人矚目的技術充分展示了新物理的深度和可靠性。集成電路雖然最多還只有幾十個三極體，但前途無量。建立在量子力學基礎上的核物理髮展成了一個強大的學科。物理學家基本理解了恆星為什麼會發光，學會了利用核能來做炸彈和發電。在另外一面，對弱作用和強作用的描述還很散亂和唯象，利用宇宙射線和加速器進行的高能物理實驗產生了很多一時無法理解的驚訝。

二十五年前物理學又往前走了一大步。兩個標準模型已經形成：一個是關於基本作用力的，另一個是關於宇宙學的。但對它們的嚴格實驗驗證那時剛剛開始。（這些模型當然最後都被完美驗證，今天依然是最基本的理論。）對材料更深刻的理解，特別是半導體量子理論的發展，帶來了計算機革命。我後面還要討論，這個革命對物理學的影響是非常深刻的。

過去一百年里，物理學基礎理論變革的步伐放慢了，但由物理學帶來的技術革命的步伐則加快了。這些步伐的變化反映了可靠而全面的標準模型取得的成就。

更多對稱性

局域對稱性和相對論量子場論里的原理已經指引物理學家們走了很長一段路。這些原理和對稱性深植於廣義相對論和關於強、弱和電磁作用的規範理論里。我們現在已經建立了一套經過千錘百鍊的方程，它們為化學、各類工程技術提供了堅實的基礎，能夠描述所有已經觀察到的天文體系，和大部分宇宙。但是，進一步提升的空間仍然很大。

引力子、膠子、W-和Z玻色子和光子都是局域對稱性的化身。這些粒子的耦合和存在反映了這個深刻的原理。建立在對稱性上的標準模型昭示著基礎物理已經非常接近畢達哥拉斯和柏拉圖的聖殿：物理現實和數學理想之間的完美對應。

我們依然希望做得更好。我們對物質的描述還是支離破碎的，因為標準模型里的局域對稱變換不能連接很多「應該」連接的基本粒子。但標準模型里的這些基本原理是強大的，會繼續發展；我們非常有希望看到現在尷尬而不成熟的對稱性逐漸變得成熟和完美。Box 1里描述了如何將已知的基本粒子漂亮地納入一個更大的對稱性。

BOX 1. 圖解統一理論

在粒子物理的標準模型里，強、弱和電磁相互作用都有它們各自的對稱性；每個相互作用有它自己的荷。這種不統一的後果是基本粒子的排列顯得有些冗笨。這裡我們用圖來展示粒子的組織排列；同時演示如果把它們歸於一個更大的對稱群，它們的排列就會變得更優美。

圖a最右一列顯示的是上夸克(u)和下夸克(d)，電子(e)和電子型中微子(ν)。根據它們的自旋和動量是平行還是反平行，這些粒子可以有左(L)或右(R)的手征性。左手粒子以二重態的形式列出，所以這列共有6個不同的實體。圖a的左邊展示了傳遞強、弱和電磁相互作用的粒子的性質。傳遞強相互作用的膠子耦合三種強色荷，分別標記為紅色、綠色和藍色。弱作用只作用於左手粒子，有兩種弱色荷，標記為黃色和紫色。電磁相互作用會和電荷耦合。每個粒子的平均荷通常被叫做超荷，用數字下標標記，單位是質子的電荷|e|。

這些已經被觀測的粒子的排列有些散亂。圖b展示的是如何從更高的對稱性和統一的模板推演出這些粒子。右邊列出了粒子的名字。這裡每個粒子手征性都是左手；右手粒子現在被表示成左手粒子的反粒子，用負號標記，比如uR變成了-u。左邊顯示了攜帶強弱色荷的實心圓或空心圓的所有可能分配；唯一的限制是實心圓必須是偶數個。實心圓表示半個正荷；空心圓表示半個負荷。超荷的大小列在最左邊，它們現在是按照表格頂上的公式從強弱色荷得到的。

為了得到圖a中的粒子性質，我採用如下規則：把所有強色荷或弱色荷等權重加起來不會影響強或弱相互作用。這樣我就可以把圖b左邊的顏色樣式和右邊的對應起來。注意色荷現在都是整數單位，色荷和超荷和圖a是吻合的，因為反粒子具有和它們對應的粒子相反的色荷和超荷。

這個令人嚮往的結果對未來的研究有深刻的含義。按照Box 2里的解釋，它意味著引力不是自成一體的，應該和其他力統一考慮。它激勵我們去思考如何引入新的對稱性和預想具體的新的物理現象。

BOX 2. 基本力的統一

Box 1里展示的非常成功的分類方案可以被嵌入一個普遍的理論框架。這個框架的一個核心預言是不同的基本相互作用的強度是一樣的。而實際觀測到的作用強度是不一樣的，但我們知道基本強度只有相互作用能非常高時才顯現出來。為了找到基本強度，我們必須考慮虛粒子的真空極化效應，因為它們會屏蔽或反屏蔽相互作用。考慮了所有已知粒子的貢獻以後，我們發現基本相互作用強度確實會趨於一致，但如左圖所示，定量上還是失敗了。如果我們根據超對稱性加上超對稱粒子的貢獻，如右圖所示，我們得到了精確的統一。

當引力作用於能量不是特別高的粒子上時，它比其他力弱很多。在其他力達到統一的能量尺度上，引力同等強大。換個角度說，如果我們假設所有的力會在規範耦合統一的能量尺度下統一，我們就可以定量解釋觀測到的引力為什麼很弱。

為了統一所有的基本粒子，我們需要連接不同自旋粒子的對稱性。狹義相對論中洛倫茲對稱性的一個擴展，超對稱性，正好補上這個缺口。這個更大的對稱性要求我們熟悉的每個粒子具有一個超夥伴：它們有不同的自旋但相同的電荷，強色荷和弱色荷。

不破缺的超對稱性還要求這些夥伴粒子具有相同的質量，但是人們並沒有觀測到這樣的夥伴粒子。我們不得不滿足於這樣的補救：基本方程具有超對稱，但它們描述自然的解卻不具有這個對稱性。換句話說，超對稱自發破缺了。重要的是，如果超對稱破缺尺度不是很大，也就是說已知粒子的超對稱夥伴不是很重，我們就能如Box 2里演示的，完美地定量統一基本耦合參數。

拋開技術細節，超對稱帶來的統一是非常深刻的。二十世紀物理的偉大成就之一就是超越了物質表面上完全不同的兩種性質：以經典光為代表的波動性和以經典粒子為代表的粒子性。作為量子的個體，光子和電子都具有波粒二象性。作為一個集合，它們則非常不一樣，分別遵從玻色或費米統計。超對稱向我們展示了這個不同也可以被超越。

上面描述的關於統一和超對稱的想法很有希望，它們已經發展了幾十年了，但真正的榮耀之日還在前頭。除了重組我們核心理論的量子數和耦合常數，這些想法的主要成就是預言了現在已經被觀測到的中微子的很小的質量。它們還有兩個激動人心的預言：重子數不守恆過程，比如質子衰變，和超對稱粒子的存在。如果被證偽，超對稱就是錯的。如果被證實，它們將打開一個全新的世界讓人去探索。根據我們最好的估算，質子衰變和超對稱粒子的探測並沒有超越技術的極限。一百年內實驗會探測到它們。

多宇宙的幽靈

我們核心理論的其他方面就沒有那麼優美了。Box 1介紹的基本粒子在自然界其實共有三套——電子、繆(μ)子和陶(τ)子三個家族系列。我們不清楚為什麼物質要這樣重複三次，同樣也不理解這些基本成員展現的無章可循的質量和混合角。為解釋實驗觀測，我們需要二十多個自由參數；這些參數描述希格斯場是如何與夸克和輕子（比如電子和中微子）耦合的。儘管個數不是很多，至少比元素周期表中的原子個數少很多，但已有的成功讓我們雄心萬丈，我們渴望做得更好。

但是我們能嗎？現有的觀測表明我們核心理論的結構和參數不隨空間和時間變化，但邏輯上事情可以不是這樣的。事實上，暴脹宇宙論里有一個機制，可以在一個整體非常不均勻的宇宙里產生一個均勻的大區域。超弦理論則提供了很多產生不均勻宇宙的可能。這種情況可以被方便地描述成在一個更大的不均勻的宇宙里有一些均勻的宇宙。在這樣一個多宇宙框架內，我們觀測到的宇宙只是很多性質非常不同的宇宙之一，就像我們的太陽系只是各種性質非常不同的行星系統中的一個。

如果想計算觀測到某個特定宇宙的幾率，我們必須有一個挑選的標準。不允許觀測者出現的宇宙不應該是可觀測的宇宙。在應用這個標準之後，如果我們發現大多數或所有可能的宇宙都具有某個特徵，我們就宣稱那個特徵可以用人擇原理來解釋。反過來，如果我們找到了令人信服的人擇解釋，我們應該把它們當做多宇宙假設的證據。許多學者曾指出，如果標準模型里的參數發生小的變化，智慧生命的出現就會非常成問題。多宇宙的幽靈因此赫然聳立。

相應地，迄今無法理解的那些參數可能只是一個環境的偶然，無法用理論澄清。這個結論是誘人的同時也是危險的。因為它似乎在說：「如果我們如此聰明還不能理解它，它就是不能被理解的。」 這其實是在投降後宣告勝利。在未來的100年里，我們會更好地了解抗拒人擇原理是否是徒勞的，和在什麼方面是徒勞的。

軸粒子

質量和混合角參數也有啟發性的一面。標準模型里允許引入一個參數θ，它會破壞強相互作用里的空間和時間反演對稱性。根據實驗數據，這個破壞很小，結論是 |θ| < 10-10;="">

對θ值的強烈限制意味著我們需要一個新原理來解釋這個參數為什麼這麼小。最佳候選者是由Roberto Peccei和Helen Quinn發現的一種新對稱性，Peccei-Quinn對稱性。這個新對稱性會導致重要的物理後果。它預言存在一種新的、非常輕和耦合很弱的粒子，軸粒子。軸粒子如果存在，它們會在早期宇宙里大量產生。它們是暗物質的絕佳候選者。天文學家觀測到了暗物質但卻一直未能確認它的組分。人們正在開展精巧而富有挑戰性的實驗，作為宇宙的背景或者通過它們帶來的效應，來探測軸粒子。一百年內——非常可能很快——他們會成功的。

引力問題

愛因斯坦的廣義相對論是一個概念上非常緊密的引力的理論，它只允許兩個自由參數：牛頓引力常數和宇宙學常數。它已經通過了物理學家和天文學家設計的每個測試；但理論仍然不盡如人意。

首先，引力的強度和其他基本力完全不成比例。如果我們相信自然有一個統一運行機制，這怎麼可能呢？第二，觀測到的無物質空間的質量密度——宇宙學常數，也經常被叫做暗能量——和合理的理論預期相差很遠。為什麼比理論值小那麼多，但又不是零？第三，將廣義相對論直接量子化以後得到的方程在極端條件下會崩潰。它的後果是什麼？這些都是未來一百年物理學裡的重要問題。在兩個Box里，我已經指出了一個頗有希望解決引力弱小問題的方案。這裡我簡要評述一下其他兩個問題。

理論學家們估算了宇宙學常數的幾個來源，有正貢獻也有負貢獻，但每個貢獻的絕對值都遠遠超過觀測值。這個常數的觀測值很小表明這些貢獻可能正好微妙地抵消了。我們的核心理論無法解釋這種抵消。或許正如溫伯格建議的，我們只能用人擇原理解釋。如果宇宙學常數太大，宇宙就會快速膨脹以致沒有結構可以形成。星系、恆星、行星都不會形成，從而智慧觀測者也不會出現。最好的物理就是這個人擇解釋了？抗拒它是徒勞的？後面沒有隱藏某個更深刻的原理？

把我們的引力理論，廣義相對論，和量子力學融合起來有概念上的困難，但這個困難被吹上了天。我認為重要的是把它拉回地面。

在實踐中其實沒有什麼問題。天體物理學家和宇宙學家經常並且成功地計算了很多同時涉及引力和量子力學的物理問題。這些工作里人們沒有碰到什麼模稜兩可或奇怪的東西。

只有當我們試圖考慮一些極端情況時，比如大爆炸的最早時刻或黑洞的最裡層，問題才會出現。另外，思索小黑洞的行為時會碰到一些概念上的難題。如果我們能夠圈定一些具體的可以被實驗驗證的現象，這些現象無法用熟悉的半經典近似而必須用完全的量子引力來解釋，那將是令人振奮的成就和重大進展。嘗試觀測這些現象的實踐會把這個問題帶到另外一個的層次。

超弦理論是一個宏大的框架，可以把廣義相對論和量子物理緊密聯繫起來。它支撐一個豐富但沒有完全被理解的對稱結構。這個對稱結構不但可以包括規範變換也可以包含超對稱和軸粒子。但現在應用超弦理論來描述世界像一個無形的泥塊。如果它能被雕琢得更有形一些，它可能會大大澄清我討論過的這些問題。一百年足夠了。

螞蟻視角的升華

物理宇宙學已經成熟地發展了幾十年。我們已經掌握了精確和具有說服力的證據，表明宇宙是從一個非常特殊，概念上簡單的初態開始的。最初時引力以外的力處於一個極高溫平衡態，物質的分布非常均勻但不完全均勻，空間按照廣義相對論在快速膨脹。注意，對於引力而言，均勻是個極端非平衡態，因為引力總想把物質聚在一起。因此起點在引力作用下失穩，孕育形成了星系團、星系、恆星和行星——這就是我們現在看到和生活的宇宙。

這樣的宇宙演化輪廓已經沒有任何疑問，但它的許多細節仍然非常粗略。在宇宙學的前沿，有多條證據顯示宇宙在早期上演過一次宇宙爆脹——在幾分之一秒里，空間超光速膨脹了十幾個數量級。這個不同尋常的暴脹得到了基礎物理里很多想法的廣泛支持；事實上，也正是這些想法指向了暴脹。但是公平地說，暴脹現在還只是一個方案而不是一個物理理論。比如，無人能令人信服地確認暴脹的物理根源。這個方案里的疑問都是有物理後果的：暴脹中的量子漲落可能會導致小的不均勻性，從而埋下結構形成的種子；量子漲落也可能產生可觀測到的引力波。我預計未來一百年里，理論和觀測的進步會讓暴脹從方案變成教條。

自然哲學經常討論上帝視角(God』s-eye view)和螞蟻視角(ant』s-eye view)的競爭。上帝視角是指從整體來理解現實；螞蟻視角是指人在感知身邊事件隨時間流動時獲得的觀念。從牛頓開始，螞蟻視角就主宰了基礎物理。我們把對世界的描述分割為兩部分：動力學方程（荒謬的是，方程自身存在時間之外）和它們的初始條件。動力學方程不能決定哪個初始條件描述現實。這種分割在實際應用中非常有用和極其成功，但是這個方法遠遠不能給我們一個對世界的完整科學描述。它給出的描述——現實是這樣是因為現實在過去是那樣——會受到這樣的質疑：為什麼過去是那樣呢？

從相對論來看，上帝視角顯得更自然。相對論教導我們應該把時空當做一個有機整體來考慮。因為時空的不同側面可以通過對稱性相互轉換。如果我們堅持把經歷分割成時間的序列，時空整體就會變得很彆扭。赫爾曼·外爾(Hermann Weyl)在他1949年的書《數學和自然科學的哲學》（普林斯頓大學出版社，116頁）里，曾寫下這段令人難忘的關於有機整體的文字：

現實的世界簡單地存在著，它不是發生的。只是在我感知的注視下，伴隨著身體沿生命軌跡向前的爬行，世界的一個截面才獲得了活力，變成空間里隨時間不斷飛逝的畫面。

對我來說，未來一百年基礎物理面臨的最深刻挑戰是，將對現實的描述從螞蟻視角上升到上帝視角。

演算法崛起

按照摩爾定律集成電路的速度和密度已經翻番了25次，這是人類在深刻理解材料的性質後迸發出的創造力。這個技術飛躍給了人類，尤其是物理學家，非同尋常的計算力。儘管指數增長的步伐已經放慢，我們預計在未來幾十年里還會有幾個翻番。實用的量子計算機也很快就會到來。這種計算能力的增長將改變我們提問的角度，我們尋求的答案的類型，和我們研究的方式。最後但同樣重要的是，它將改變研究者本身：我們物理學家是誰。

量子色動力學(QCD)是我們關於強相互作用的理論。它的最新進展預示了未來的發展前景。這個理論的最初驗證來自它對高能量和動量轉移過程的定量描述，因為這些所謂的硬過程可以用強大的微擾論計算。但是這些過程只是眾多有趣現象中的一小部分。比如，它們不包含核物理，這其實是人們最初研究強相互作用的動力。大量的創造力被用來解析地求解QCD方程。但是迄今最成功的方法是改寫QCD方程讓它們適用於計算機，然後讓計算機跑起來。

早在1929年，狄拉克在發表於《英國皇家學會院刊》（123卷714頁）的一篇文章里寫道：

已知的物理定律為大部分物理和所有化學提供了數學的描述；僅有的困難是這些定律的直接應用會導致許多方程，它們太複雜以致無法求解。因此應該發展一些實用的應用量子力學的近似方法，它們能在不做大量運算的情況下解釋複雜原子系統的主要現象。

現在狄拉克的斷言更加正確：已知的基本定律完全能讓我們對所有和化學、材料科學等實際系統相關的物理過程開展計算。但是「太複雜」和「大量計算」之間的界限已經發生了極大的改變，因為和1929年相比，現代計算機的能力強大了很多個數量級。有理由相信未來一百年里機器的計算能力同樣會增強很多個數量級。

有能用於建造太空電梯的材料嗎？（圖1是藝術家眼中的太空電梯）有室溫超導體嗎？這些問題，以及一些其他問題，完全可能由計算機來回答。現代計算機在飛機設計中已經可以取代風洞實驗。未來的計算機在核物理、恆星物理、材料物理和化學裡會取得同等的地位：用計算輔助並最後取代實驗。

圖1 太空電梯靠離心力克服重力得到支撐，可以建立聯接地球表面和外層空間的便捷通道。為實現這一概念所需的新型堅固材質，幾乎肯定可以藉助電腦設計出來。

逐漸地，演算法的發展會成為理論物理的核心。能夠用於計算機的概念和方程將取得優勢；不能被轉換成演算法的概念和方程會被看成先天不足。當然這不是說毫無目的地搗鼓數據會取代具有創意的洞察。而是完全相反：創意思考所得到的成果，比如一般性（去掉無關的細節）、對稱性（有根據的循環），和拓撲（源於連續的離散）會被事先揉進演算法的思路里。

設計演算法的工作可以被看作一種特殊的教學方式，它的對象是很聰明但缺乏想像力並且毫無經驗的學生——那些憎惡模糊的計算機。現在這些學生動力不足，沒有好奇心，但這些缺點是可以克服的。一百年之內，計算機將獲得和它們的天分匹配的特別思維方式，成為它們人類老師的同事並最後完全取代他們。

大工程

文化總是通過一些宏大的工程來表達它的抱負和建立它的個性，比如埃及的金字塔、雅典的萬神廟、西班牙的阿爾罕布拉宮、中世紀歐洲的大教堂。許多非凡的大工程就擺在我們面前，完成它們需要投入巨大的人力物力。自信而雄心勃勃的團體會自豪地承擔起它們。

引力波天文學已經為我們打開了一個新的觀測宇宙的窗口，讓我們能夠探測隱秘的區域和劇烈的天文現象。今年二月，LIGO第一次直接探測到了引力波。為了充分利用引力波和發展引力波天文學，我們將在太空幾百萬公里範圍內安置一個精密探測器陣列。圖2展示了一個候選者：激光干涉太空天線。

圖2 太空激光干涉儀(LISA)可以探測頻率範圍0.1—100mHz的引力波，由3艘彼此相距數百萬公里的飛船組成一個等邊三角形圍繞太陽運行，它將是有史以來最大的人造結構，是人類好奇心、進取心和創造性的永恆紀念碑。

系外行星天文學將系統地掃描我們的銀河系，收集幾百萬個行星的信息：它們的質量、軌道、地質和大氣。通過這些數據，我們將了解生命的稀有程度，生命存在的條件是什麼。作為一個副產品，這些發現可能會驗證和優化人擇原理。

觸覺天文學將得到巨大的發展。人體是脆弱的，不適合深太空環境，但我們可以利用大量的機器人探測器、虛擬遠程呈現，和合適的生物種子來探索太空。儘管人類的殖民很難超越太陽系，人類文明將會超越它。

反演天文學將利用巨型加速器了解更短的尺度和更高的能量。

量子計算將為越來越精緻的量子機器設計和執行演算法。在未來的一百年里，量子計算將是化學和材料科學的核心方法。

在未來的一百年里，不但物理儀器而且思維的方式都將在前所未有的方向發展。以下兩個進展將帶來翻天覆地的變化：模擬人腦的人工智慧和擴展的感知系統。

現在主流計算機實質上是二維的。它們的晶元需要在非常高的超凈室里生產，因為任何小的缺陷都是致命的。而且晶元損壞後是無法修復的。人腦則完全不同。它們是三維的，是在雜亂而控制鬆散的環境下生長的，可以容忍缺陷或損傷。我們有強大的動力去發展新一代計算機技術，它不但能媲美現代半導體技術的集成密度、速度和規模，而且具有人腦的上述優點。沒有明顯的障礙阻止我們做到這點。強大的三維、容錯、自修復計算機將會出現。在實現這些功能的過程中，我們將會獲得許多和腦神經科學有關的知識。

類似地，我們也渴望造出模擬人體的機器和模擬人腦的計算機。自組裝、自繁衍，和能創新的機器將會出現。他們的設計將需要借鑒生物世界的概念和肢體構造。

人類的感知有極大的發展空間。比如，考慮一下視覺。儘管到達我們眼睛的電磁波是極化的，而且含有一段連續的頻率，但我們的色覺是一種對電磁波粗略而碎塊化的編碼：它將光的頻譜馬虎地揉成三團並且忽略極化。當然，我們還看不到很多可見光以外的頻率，比如紫外和紅外。可是我們看不到的部分包含著很多自然環境里的有用信息，也會給數據可視化和藝術提供更多的可能。

現代微電子和計算機技術為我們提供了很多值得嘗試的獲取這些信息的手段。經過適當的變換，我們可以將這些信息和我們已有的感知編碼在一起，實現共同感覺。通過大大擴展人的感覺器官，我們將打開感知之門，真正看清現實的世界。

路還遠

宣告物理學已經終結毫無疑問是太早了；後實證物理*的主張同樣是草率的。我們有能力也一定會在多個方向取得巨大的進步。我們有能力也一定會對具體的、真實的物理現象取得新的領悟和控制能力。前面有很多美景，我只是介紹了幾個。

* 後實證物理(postempirical physics)是一種新的哲學觀點：一個理論只要足夠優美和能定性解釋一些現象，這個理論就應該被接受，不需要得到實驗的驗證。比如超弦理論和多宇宙理論。

本文經Wilczek教授授權翻譯。原文為Physics in 100 years,Frank Wilczek,Physics Today,2016,(4):32.

SCIENCE公布的125個科學前沿問題

在慶祝SCIENCE創刊125周年之際，該刊雜誌社公布了125個最具挑戰性的科學問題。在今後1／4個世紀的時間裡，人們將致力於研究解決這些問題。其中，前25個被認為是最重要的問題。

簡單歸納統計這125個問題，其中涉及生命科學的問題佔46%，關係宇宙和地球的問題佔16%，與物質科學相關的問題佔14%以上，認知科學問題佔9%。其餘問題分別涉及數學與計算機科學、政治與經濟、能源、環境和人口等。

這125個問題如下：

1宇宙由什麼構成?2意識的生物學基礎是什麼?3為什麼人類基因會如此之少?4遺傳變異與人類健康的相關程度如何?5物理定律能否統一?6人類壽命到底可以延長多久?7是什麼控制著器官再生?8皮膚細胞如何成為神經細胞?9單個體細胞怎樣成為整株植物?10地球內部如何運行?11地球人類在宇宙中是否獨一無二?12地球生命在何處產生、如何產生?13什麼決定了物種的多樣性?14什麼基因的改變造就了獨特的人類?15記憶如何存儲和恢復?16人類合作行為如何發展?17怎樣從海量生物數據中產生大的可視圖片?18化學自組織的發展程度如何?19什麼是傳統計算的極限?20我們能否有選擇地切斷某些免疫反應?

21量子不確定性和非局部性背後是否有更深刻的原理?22能否研製出有效的HIV疫苗?23溫室效應會使地球溫度達到多高?24什麼時間用什麼能源可以替代石油?25地球到底能負擔多少人口?26宇宙是否唯一?27是什麼驅動宇宙膨脹?28第一顆恆星與星系何時產生、怎樣產生?29超高能宇宙射線來自何處?30是什麼給類星體提供動力?31黑洞的本質是什麼?32正物質為何多於反物質?33質子會衰減嗎?34重力的本質是什麼?35時間為何不同於其他維度?36是否存在比夸克更小的基本粒子?37中微子是其自己的反粒子嗎?38是否有解釋所有相關電子系統的統一理論?

39人類能夠製造最強的激光嗎?40能否製造完美的光學透鏡?41是否可能製造出室溫下的磁性半導體?42什麼是高溫超導性之後的成對機制?43能否發展關於湍流動力學和顆粒材料運動學的綜合理論?44是否存在穩定的高原子量元素?45固體中是否有超流動性?如果有，如何解釋?46水的結構如何?47玻璃態物質的本質是什麼?48是否存在合理化學合成的極限?49光電電池的最終效率如何?50核聚變將最終成為未來的能源嗎?51驅動太陽磁周期的原因是什麼?52行星怎樣形成?53是什麼引發了冰期?54使地球磁場逆轉的原因是什麼?55是否存在有助於預報的地震先兆?56太陽系的其他星球上現在和過去是否存在生命?57自然界中手性原則的起源是什麼?58能否預測蛋白質摺疊?59人體中的蛋白質有多少存在方式?60蛋白質如何發現其作用對象?61細胞死亡有多少種形式?62是什麼保持了細胞內的通行順暢?63為什麼細胞的成分可以獨立於DNA而自行複製?64基因組中功能不同於RNA的角色是什麼?65基因組中端粒和絲粒的作用是什麼?66為什麼一些基因組很大，另一些又相當緊湊?67基因組中的「垃圾」(「junk」)有何作用?68新技術能使DNA測序的成本降低多少?69器官和整個有機體如何了解停止生長的時間?70除了繼承突變，基因組如何改變?71在胚胎期，不對稱現象是如何確定的?72翼、鰭和面孔如何發育進化?73是什麼引發了青春期?74幹細胞是否位於所有腫瘤的中心?75腫瘤更容易通過免疫進行控制嗎?76腫瘤的控制比治癒是否更容易?77炎症是所有慢性疾病的主要原因嗎?78瘋牛病會怎樣發展?79脊椎動物在多大程度上依賴先天免疫系統來抵抗傳染病?80對抗原而言，免疫記憶需要延長暴露嗎?81為什麼孕婦的免疫系統不拒絕其胎兒?82什麼與有機體的生物鐘同步?83遷徙生物怎樣發現其遷移路線?84為什麼要睡眠?85人類為什麼會做夢?86語言學習為什麼存在臨界期?87信息素影響人類行為嗎?88一般麻醉劑如何發揮作用?89導致精神分裂症的原因是什麼?90引發孤獨症的原因是什麼?91阿茲海默症患者的生命能夠延續多久?92致癮的生物學基礎是什麼?93大腦如何建立道德觀念?94通過計算機進行學習的極限是什麼?95有多少個性源於遺傳?96性別傾向的生物學根源是什麼?97生命樹是生命之間系統關係最好的表達方式嗎?98地球上有多少物種? 99什麼是物種?100橫向轉移為什麼會發生在眾多的物種中以及如何發生?101誰是世界的共同祖先?102植物的花朵如何進化?103植物怎樣製造細胞壁?104如何控制植物生長?105為什麼所有的植物不能免疫一切疾病?106外界壓力環境下，植物的變異基礎是什麼?107是什麼引起物質消失?108能否避免物種消亡?109一些恐龍為什麼如此龐大?110生態系統對全球變暖的反應如何?

111至今共有多少人種，他們之間有何關聯?112是什麼提升了現代人類的行為?113什麼是人類文化的根源?114語言和音樂演化的根源是什麼?115什麼是人種，人種如何進化?116為什麼一些國家向前發展，而有些國家的發展停滯?117政府高額赤字對國家利益和經濟增長速度有什麼影響?118政治與經濟自由密切相關嗎?119為什麼改變撒哈拉地區貧困狀態的努力幾乎全部失敗?120有沒有簡單的方法確定橢圓曲線是否存在無窮多解?121霍奇閉鏈是代數閉鏈的和嗎?122數學家將會最終給出Navier-Stokes方程的解嗎?123龐加萊實驗能否確定4維空間的球?124黎曼zeta函數的零解都有a+bi形式嗎?125對粒子物理標準模型的研究是否會停止在量子Yahg-Mills理論上?

註：最後6個數學問題選自Clay數學研究所提出的新千年問題

（來源：科學網）

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