百年物理學

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

● 未來的基本問題是深遠、複雜的，令人難以回答。而未來的偉大工程妙不可言。

未來100年物理學會給我們帶來什麼？當然，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容精挑細選。希望這些猜想能夠激發你思考，甚至最後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，物理學處於混亂中。當時愛因斯坦才剛剛發表了具有革命性的理論：廣義相對論。盧瑟福發現了物質中心的原子核，它極其微小、緻密，並經受各種各樣令人眼花繚亂的偶然轉換。以玻爾原子模型為特徵的量子理論是一整套單憑猜測所進行的工作。超導僅是一個經驗事實，無法從理論上進行解釋。化學鍵的本質和恆星的能量來源問題——物質世界極為重要的方面——使得當時的物理學處於兩難境地。

隨後的50年里，物理學的景象已經變得完全不同。廣義相對論是大量文獻和實驗觀測的基礎。同哈勃發現的宇宙膨脹一起，廣義相對論已經開啟了科學宇宙學的新篇章。隨後發現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生於大爆炸。雖然量子力學的表達方式和行為似乎令很多人感到奇怪和困惑，但是從數學角度上講，量子力學在當時已經是一個精確、自洽且非常成功的理論了。

此時，原子物理、化學以及材料科學已經有著牢固的基礎。超導已經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中，激光、晶體三極體以及核磁共振令人印象深刻，並呈現了這些新物理學的可靠性。通過最大程度地連接許多晶體管，集成電路在當時是一個非常有前途的新想法。基於量子理論的核物理已經發展成為一門強大的學科。從較為寬泛的角度上講，物理學家已經了解了恆星閃閃發光的原因，並且他們知道該如何使用核能去製作炸彈以及發電。另一方面，弱相互作用和強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象。

又過去了25年，物理學進一步得到了發展。兩個標準模型已經被確定下來，一個用來解釋基本相互作用，一個用來解釋宇宙學。嚴格的定量實驗才剛剛開始。（這兩個標準模型獲得了極大的成功，直到今天仍然是粒子物理學和宇宙學的基石。）對材料的深刻理解，特別是半導體量子理論的發展，引發了計算機革命。正如我下面所討論的一樣，計算機對於物理學來說含義深遠。

過去的100年中，基礎物理學改變的步伐是緩慢的。然而，由物理學帶來的創新步伐卻是加速的。這些變化反映了可靠且廣泛的標準模型的成功。

圖1 統一圖景：在粒子物理標準模型中，強、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，並且這些相互作用都擁有著各種各樣的相應電荷。作為分裂的結果，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構並展現了這些粒子在一個更大對稱群的保護下如何讓自身變得更融洽。

圖a的右側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），左右螺旋是根據它們自旋和動量是平行還是反平行來區分的。例如，左螺旋粒子成對出現。圖a中呈現了6組不同的存在形式。圖a的左側顯示了這些不同存在形式的特性，並導致了它們強、弱以及電磁相互作用的不同。負責傳遞強相互作用的膠子，具有三種強色荷。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），通過一個數字來描述並按照質子電荷|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一模型推導而來。圖b的右側給出了這些粒子的名稱。這裡，每個粒子都是左螺旋的；在較早描述中的右螺旋現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的左側表格給出了不同顏色實心和空心圓，並且滿足實心圓的個數為偶數的限制。實心圓用來解釋正的相應電荷的一半，空心圓用來解釋負的相應電荷的一半。根據圖片b左側上面的公式，其出現的超荷值產生於弱和強色荷。

為了尋找圖a中所顯示的特性，我使用了一條規則：增加相同數量的強色荷或弱色荷並不影響強或弱相互作用。這使得我可以把圖b左側表格的配色方案轉換成圖b右側的表格方案。注意現在色荷具有單位並且其顏色和超荷同圖a的內容相匹配，這裡假設了反粒子有著與相應粒子相反的色荷和超荷

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、弱和電磁相互作用的規範理論見證了物理學一路走來。現在，我們已經精確地用公式表達出經得住時間推敲的方程，這些方程為化學、工程的合理形式、所有可觀測天體的描述和大量宇宙學提供了可靠基礎。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。在基於對稱性的標準模型中，似乎看上去基本物理學最接近實現畢達哥拉斯和柏拉圖的設想：物理現實和數學想像之間的一個完美契合。

然而，我們希望能做得更好。由標準模型的局部對稱性所支撐的變換無法連接「應當」被連接的許多事情，並留給我們關於物質的一個雜亂描述。然而，依賴於標準模型的想法，儘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。

這個誘人的結果對未來的發現具有深遠含義。如圖2中所解釋的那樣，引力並不享有任何特權，它應當同其他三種力一起作為自然界的基本作用力。它激勵我們要進一步地引入新的對稱性以及觀察新的具體現象。

圖2 四種基本作用力的統一

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言是不同相互作用的基本強度相等。被觀測到的強度卻是不同的，但是我們了解到它們的基本強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——這種效應被稱為真空極化。當我們考慮到所有已知粒子的貢獻時，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，當我們考慮來自於超對稱粒子的額外貢獻時，正如超對稱所建議的一樣，我們找到了精確的統一。

在可接近的能量尺度下，當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一的能量尺度下，引力的強度卻是相容的。從另一個角度來看，由規範耦合統一所設定的四種作用力的統一假設解釋了為什麼觀測到的引力如此微弱

為了把所有的粒子統一起來，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範圍：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夥伴粒子，這個夥伴粒子帶有不同的自旋，但是其電荷、強色荷、弱色荷的值同粒子本身相同。

完整的超對稱需要粒子同其夥伴粒子有著相同的質量，但是，我們並沒有觀測到這種夥伴粒子。令人滿意的是：並不需要其解，我們單單使用基本方程中的超對稱就能模型化它們的特徵。換句話說，超對稱是自發性破缺。引人注目的是，如果超對稱破缺的尺度並不是很大——即，如果已知粒子的夥伴粒子並不是很重的話——那麼耦合的定量統一可以完美地結合，正如圖2中所示那樣。

通俗意義上講，超對稱所提供的大統一理論顯示出它的深遠特點。20世紀物理學的一個巨大成功就是超越兩種表面上看似不同物質的差異：由經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，涉及到是量子統計學中的玻色子還是費米子。超對稱向我們展現了這些不同是不可超越的。

上面所概述的大統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和耦合強度外，它們主要的成功就是期望現在被觀測到的小且非零質量的中微子。包含質子衰變在內的重子數不守恆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言。

我們核心理論的其他方面並不那麼完善。在圖1中所介紹的基本實體以三種形式出現在自然界中——e、μ、τ。我們缺乏對這三種物質的合理理解，更加缺乏對這三種物質混合的複雜模式的認知。我們的觀測粗略地藉助於24個獨立參數，這些參數描述了希格斯場是如何同夸克及輕子（例如，電子和中微子）發生耦合的。儘管這個數字是相當平穩的——例如，遠低於元素周期表中的數目——但是成功讓我們變得雄心勃勃，並且我們想要做得更好。

然而，我們能做得更好嗎？雖然現有的觀測同核心理論結構以及它們所包含的參數值的想法一致，邏輯上卻存在事實並非如此的可能性。的確，暴脹宇宙學可以在空間多個區域進行，每個暴脹區域是均勻的，但在一個更大的範圍內卻是不均勻的，並且弦理論提供了實現這種非均勻的多種可能性。為了描述這種狀態，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宇宙中的一個樣本，我們的太陽系也僅僅是多個行星系統中的一個。

當計算多重宇宙中觀測到的一個已知結構或參數集時，我們必須要使用一個選擇標準。那些不允許出現觀測者的宇宙不應當納入到觀測宇宙中。在使用這樣的選擇標準後，如果我們發現大多數或所有可能的宇宙分享著同樣的特性，那麼我們可以聲稱其特徵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，那麼我們應當把它們看做蘊含著多重宇宙假設的證據。如此一來，多重宇宙的幽靈赫然顯現。

相應地，迄今無法解釋的參數值可能是環境事件，它們不能被理論所解釋。這種有誘惑力的結論——大致上理解為「如果我們已經足夠的聰明，但是我們還是不理解其原因，那麼它就不可能被了解」——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。

質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θ的存在，該參數在強相互作用的空間反演和時間反演變換中引起對稱性破缺。實驗上給出該參數的最強限制為|θ|<>

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（Helen Quinn）發現的。這個新的對稱性引起了不尋常的物理結果。它預言了一種新的超輕、超弱粒子——軸子——的存在。如果軸子存在的話，那麼它們或許在宇宙的早期就大量的存在。軸子是暗物質的一個絕佳候選者，天文學家想要觀測到軸子，但直到現在仍然沒有觀測到它。精巧的挑戰性實驗正在通過宇宙背景或者一些效應來搜尋著軸子。在未來100年里——或許要花費更長的時間——應當會探測到它們。

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密以至於僅有兩個自由參數出現在該理論中：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所有實驗檢驗。然而，我們仍然有理由來檢驗它的有效性。

首先，引力的強度與其他力的強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一理論，那麼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，缺乏物質的空間質量密度測量值——宇宙學常數，經常稱之為暗能量——同理論的合理估計值不相容。為什麼宇宙學常數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生的方程在極端條件下就會失效。它的後果是什麼？在物理學發展的未來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。

理論學家們已經對宇宙學常數做出了大量的估算——有正值有負值——但這些估計值的絕對值仍然同觀測值相差太多。因此，宇宙學的觀測結果顯示了我們核心理論不能解釋的東西。或許，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。如果宇宙學常數的值過大的話，那麼宇宙會膨脹得過快，這樣就會抑制宇宙的結構形成。如此一來，星系和恆星甚至行星都不會形成，觀測者也不會出現。人擇原理是物理學最合理的解釋嗎？對它的質疑是徒勞的嗎？又或者是否存在一些更深層次的有效原理？

統一廣義相對論和量子力學是一個難題。因此，我認為這是當前急需解決的最重要問題。

圖3 由離心力來抵禦引力的太空電梯能夠在地球表面和外太空可到達處之間鑄造一段橋樑

在實踐層面上，不存在任何問題。天體物理學家和宇宙學家使用引力和量子力學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，並沒有出現顯著的模糊或奇異性。

如果我們企圖把這些方程應用到諸如大爆炸早期或黑洞的內部深處等極端條件下，那麼問題就會顯現。關於小黑洞行為的思維實驗也會出現概念上的難題。然而，具體的可觀測現象會帶來決定性的成功和重大進展，這樣的觀測能夠真正特性化超越半經典近似的量子引力。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構。在這個對稱性結構中，不但能夠容納規範對稱性，而且還包含了超對稱和軸子。目前，弦理論對於宇宙模型的應用是無固定形式的。如果弦理論能夠被塑造成一個更加確定的理論時，那麼它或許會最大程度地解釋上面指出的許多問題。未來100年的時間應當足夠了。

在過去的幾十年里，物理宇宙學已經十分完善。我們已經搜集了非常明確的證據顯示宇宙創生於一個極其特殊且簡單的初始狀態。在極高溫度下，非引力處於熱平衡之中。然而，物質的分布並不是完美的均勻。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，這就需要同物質混合在一起。來自宇宙起點的引力不穩定性形成了星系團、星系、恆星以及行星——今天我們所看到的宇宙結構。

宇宙的大致輪廓是毋庸置疑的，但是其中的許多細節卻是不完整的。在宇宙學的前沿領域中，多條證據顯示了宇宙的早期經歷了暴脹——一個超光速膨脹的時期。這個非同一般的現象由基本物理學中的觀點所支持；事實上，暴脹就是由基本物理學提出的。然而，目前我們對暴脹的理解仍然是一種設想而不是一種物理理論。例如，並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構形成的種子，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果。我期望未來的100年里，在經歷理論和觀測進步之後，暴脹將會從一個設想進化到一個確鑿的事實。

自然哲學中反覆出現的主題是上帝眼中的現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，牛頓世界便主導著基本物理學，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定律和許多這些定律起作用的初始條件。這些動力學定律並不能決定用來描述現實世界的初始條件。這種方法在當時非常有用和成功，然而它距離我們所認識的科學世界還遠遠不夠。這種情形——事物之所以是這樣是因為它們就是這樣——便引發了疑問，為什麼事物是以這種方式而非其他方式存在呢？

根據相對論，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歷分割成不同的時間片段，那麼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《數學和自然科學的哲學》一書中闡述了這個有機論（普林斯頓大學出版社，第116頁）：

客觀世界實際上並沒有發生什麼。然而，沿著我的世界線並從我的視角來看，隨著時間的演化卻發生了許多事情。」

對我而言，想從螞蟻的視角上升到上帝的視角來認識物理實體是未來100年里基本物理學中最深刻的挑戰。

圖4 激光干涉空間天線（LISA）能夠探測頻率範圍從0.1mHz到100mHz的引力波。相比較而言，由激光干涉引力波天文台所發現的引力波頻率為100Hz。橫跨數百萬公里，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、抱負和創造性的永恆光輝和榮耀

按照摩爾定律，集成電路的速度和密度歷經25次翻番——給人類和物理學家呈現了演算法的非凡能力。儘管指數增長步伐放慢，但是我們至少能夠預期在未來幾十年中還會有幾個翻番。可行的量子計算機也即將要上線。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。最後，但並非最不重要，這將會改變研究者的本質：「我們物理學家」工作的實質是什麼。

強相互作用理論量子色動力學（QCD）的近期發展已經預示著一些未來可能性。這個理論的初步驗證已經獲得了成功，例如在涉及大量能量和動量轉換的過程中，QCD給出了準確的定量描述。那些所謂的硬過程要經得起複雜微擾理論的考驗，然而它們僅是我們所關注現象的一小部分。例如，它們並不包含核物理，這使得人們首先來研究強相互作用。通過分析方法，物理學家想要求解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《英國皇家學會院刊》（123卷第714頁）上指出：

眾所周知，基本物理學定律需要很大一部分物理和整個化學中的數學理論，唯一的難題是這些定律的具體應用，由於這些方程太過複雜以至於根本無法解決實際問題。因此，理想的方式是研發量子力學的實際近似方法，這種方法無需太多計算便會給出複雜原子系統主要特點的解釋。」

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、材料科學或任何其他現實問題相關的任何物理過程。然而，定義「太過複雜」和「太多計算」的界限已經發生了根本性的變化。現代計算機的計算能力要比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，計算機的計算能力會有更多數量級的提高。

會存在支持太空電梯的材料（圖3中給出了藝術家想像的太空電梯）嗎？會存在室溫超導現象嗎？這些以及其他的一些問題將在核物理、恆星物理、材料科學以及化學的基礎上通過計算來獲得，因為計算機在基礎理論的基礎上已經用于飛行器的設計：通過計算給出補充以及最終替代的實驗室實驗。

逐漸地，計算機演算法的發展將成為理論物理的核心。計算機能夠運行的概念和方程將會被強有力地使用；不能轉變成計算機演算法的概念和方程將被視為是有缺陷的。這並不意味著不用動腦的數值計算會取代具有創造性的洞察力。相反：諸如普適性（不相關細節的忽略）、對稱性（有根據的迭代）和拓撲學（連續和離散的出現）的創造性理解就是要用計算機的演算法思維來描述。

設計演算法的工作被認為是教學的特殊形式，其目的在於培養那些聰明絕頂且沒有任何計算機經驗的學生。目前，這些學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，隨著適合這些學生天分的獨特思維風格的培養，他們將成為我們的同行以及最終成為他們老師的繼承者。

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。這張照片是作者在紅外頻段拍攝的

埃及金字塔、雅典帕台農神廟、西班牙的阿爾罕布拉宮、中世紀歐洲大教堂、埃菲爾鐵塔——這些還有其他的一些都是偉大的工程，通過它們可以展現一個國家民族的文化。現在，非同尋常的機會就擺在我們面前，但要說清楚這些問題，需要大量資金的投入。

引力波天文學

已經開啟了宇宙的新窗口，一個可以進入宇宙隱藏區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台報告了首次直接觀測到了引力波。為了充分開發引力波天文學的潛能，我們將配置精密儀器陣列，這個陣列在太空中橫跨數百萬公里。激光干涉空間天線的一個候選者如圖4所示。

將會系統地搜尋我們的銀河系，並收集數以百萬計行星的質量、軌道、地質和氣候等信息。作為一個副產品，我們將會了解到生命的罕見及其所需要的生存條件。我們所發現的或許會支持人擇原理的檢驗和完善。

將更加快速地發展。脆弱的人類無法適應外太空，觸覺天文學將會把機器人探測器、虛擬遠程呈現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。

將會在大型加速器項目中接觸更短的距離和更高的能量。

將會尋求並啟用計算機演算法來解決越來越多的複雜量子過程。在未來的100年里，量子計算會成為化學和材料科學的核心方法。

在接下來的100年里，物理儀器和頭腦中的觀念都將會承擔新的任務。兩方面的發展將會變化：移植人工智慧和擴展感官系統。

現代的主流計算機本質上是二進位的。它們由晶元構成，這些晶元在高度潔凈的條件下生產，這是因為任何故障都會導致計算機運行的錯誤。如果計算機被損壞了，幾乎不可能修復。在這些方面，人類的大腦是不同的。它們是三維的；是在雜亂、鬆散條件下生成的；並且大腦在出故障或受傷後還會運轉。所以有必要去實現半導體技術在密度、速度以及可伸縮性方面的這些特性，並且這樣做並不存在明顯的障礙。具有容錯系統且能自我修復的良好三維計算機即將研發。在設計這些特性的過程中，我們將會了解到與神經生物學相關的信息。

同樣地，我們會渴望可以同時研製類人體機器和類人腦計算機。自我裝配、自我複製以及自主創意機器將會被研發。它們的設計將會根據生物界來改編一些概念和物理模塊。

人類的感知是很有限的。以色覺為例，到達我們眼睛的電磁信號是極化的並且包含了大範圍的連續頻率，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並忽略了極化。當然，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範圍。我們不能感知的東西還包括了關於自然環境的許多重要信息，更不必說數據可視化和數據藝術的可能性。

現代的微電子學和計算機信息處理技術為獲取上述這些信息提供了頗具吸引力的可能性。通過合適的轉換，我們能夠在某些共同感覺的現有通道中對它們進行編碼。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並能夠感受這個世界的真實模樣。

前景可期

宣告物理學的終結還為時尚早，我們無法估計它未來的發展。我們能夠並且也將會在很多方面取得進步。我們也定會深入探索具體的真實物理現象，並最終征服整個物理學。物理學發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展可能性而已。

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