未來百年的物理學

(中國科學院國家天文台鄒振隆編譯自Frank Wilczek. Physics Today，2016，（4）：32)

為了探討這個問題，讓我們先回顧一下過去。100 年前，物理學正處於動蕩時期。愛因斯坦剛發表了革命性的引力理論。盧瑟福發現了物質原子的有核結構。以玻爾原子模型為特徵的量子論還是一組假設。超導現象之謎在理論上還未得到破解。化學鍵的本質和恆星的能源這些自然界的重要問題，仍令當時的物理學感到困擾。

50 年前的情景已經變得完全不同。廣義相對論在理論和實驗方面日漸成熟。同哈勃發現宇宙膨脹一起，它開啟了科學宇宙論的新時代。微波背景輻射的發現，加上輕核宇宙學起源的證實，成為大爆炸學說最有力的證據。量子力學作為一個數學精密、邏輯自洽和非常成功的理論，儘管讓很多人感到困惑，但已成為我們與自然界對話的語言。

原子物理學、化學和材料科學有了堅實的基礎。超導現象藉助BCS 理論得到了全面解釋。激光、晶體管和核磁共振等新技術，令人印象深刻地展示了新物理學的深度和可靠性。物理學家理解了恆星何以發光，學會了如何製作核彈和使用核能。另一方面，弱力特別是強力的描述仍然是零碎和唯象的，宇宙線和加速器中高能事件的研究產生了許多意外的驚喜。

25 年前，物理學得到進一步發展。兩個標準模型已經建立，一個用於基本相互作用，一個用於宇宙學。面對嚴格的定量檢驗，這些模型至今表現優異。歸因於對物質，特別是半導體的量子理論的深刻理解，計算機革命方興未艾。這對物理學來說意義深遠。

經歷百年之後，物理學基礎變化的步伐放慢，而它所支持的創新步伐加快。這些變化反映了可靠而全面的標準模型的成就。

擴展對稱

物理學家早已熟知相對論性量子場論的原理，和嵌入我們的核心理論(廣義相對論和強力、弱力和電磁力規範理論)中的局域對稱性。我們現在有表述精確、久經考驗的方程，為化學、工程學、天體物理和宇宙學眾多現象的描述提供了可靠的基礎。然而，還有不少可以改進的空間。

引力子、膠子、W和Z玻色子及光子都是局域對稱性的化身。它們的耦合，乃至其存在都是那個深刻原理的反映。在基於對稱性的標準模型中，基礎物理學看起來最接近實現畢達哥拉斯和柏拉圖的願景:真實和數學理想之間存在著完美的對應。

在粒子物理學標準模型中，強、弱和電磁相互作用都有自己的對稱性，並且都有各自相關的荷。這種切分的結果使組織基本粒子的方式稍顯複雜。從一個較大的對稱群來看，這種組織方式會變得更為優美。它提示我們也應該將引力與其他力平等看待，鼓勵我們進一步引進新型對稱性。

為了把所有的粒子攏到一起，我們需要關聯不同自旋粒子的對稱變換。將狹義相對論的洛倫茲對稱性擴展到更大的超對稱性就可能跨越這個鴻溝。該擴展的對稱性要求我們熟悉的粒子有其夥伴粒子，它們有不同的自旋，但有等值的電荷、強色荷和弱色荷。

完整的超對稱性要求夥伴粒子也有相等的質量。沒有觀察到這種簡併的原因可能是：超對稱性存在於基本方程中，而不是在方程的解中。換句話說，超對稱性自發破缺了。值得注意的是，如果超對稱破缺不是太大，即已知粒子的夥伴粒子質量不太大，耦合的定量統一就可以完成。

藉助超對稱來實現統一的原則性思考內涵非常深刻。20 世紀物理學的偉大成就，是超越了物質表面上不同的兩種性狀：波動性和粒子性。在個別量子的水平上，光子和電子都是波—粒子。然而，在系綜水平上，它們的描述仍然非常不同，分別涉及玻色統計和費米統計。

超對稱性向我們展示，這種差別也可能被超越。其主要的成功，除了整合核心理論的量子數和耦合強度以外，還預言了(現已觀察到的)非零但很小的中微子質量。重子數破壞過程，包括質子衰變和超伴子的存在，也是上述想法激動人心的判決性預言。按我的最佳估計，它們應該在百年之內被發現。

探測軸子

粒子的質量和混合角問題提供了更加鼓舞人心的前景。我們核心理論的一般原則允許參數θ的存在，它將導致強相互作用中空間反射和時間反演變換對稱性的破壞。實驗有力地約束了這類破壞，得出的結論是：|θ| <>^-10；而我們先驗地預期θ接近1。人擇論證無力解決這個疑難，因為難以置信θ近於1 帶來的任何影響會阻止智能觀察者的出現。

對θ極嚴的限定表明，必須有個新的原則來解釋該參數何以如此之小。最佳選項是一種新型的對稱性，它預言存在一種質量超輕、相互作用極弱的新粒子——軸子。如果它們存在，就可以在早期宇宙中大量產生。這為暗物質(其效應已被天文學家觀察到但其本質尚未確定)提供了一個優秀候選者。若干檢測軸子的巧妙而困難的實驗正在進行，應在百年之內甚至更早取得成功。

統一引力

作為引力理論的愛因斯坦廣義相對論在概念上非常嚴謹，只允許牛頓引力常數和宇宙學常數這兩個自由參數。它通過了物理學家和天文學家設計的所有檢驗，然而還是不能完全令人滿意。

首先，引力與其他力在強度上相差非常懸殊。如果我們相信自然界有統一的運作方式，那情況怎麼可能如此？其次，真空質量密度(即宇宙項，通常被稱為暗能量)的測量值同合理預期極不相稱。為什麼它遠小於理論預期，卻不為零？第三，將廣義相對論直接量子化得到的方程在極端條件下失效，其後果是什麼？這些都是未來百年物理學的重要課題。

理論家估計宇宙項來自幾個量的貢獻(有正有負)，其中單個量的絕對值遠遠超過總額。因此，這個項的觀測值極小，表明存在精妙的相消，而這是我們的核心理論所不能解釋的。或許正如溫伯格建議的那樣，需要訴諸人擇論證：宇宙項太大會使宇宙膨脹過快，從而抑制宇宙中的結構形成。不能形成星系、恆星和行星，那觀察者也就不可能出現了。人擇論證是物理學能做的最佳選擇嗎？還是有某種更深層次的原理在起作用呢？

廣義相對論同量子力學的原理儘管從概念上難以調和，在實踐層面並沒有什麼問題：天體物理學家和宇宙學家在兩者同時有效的物理條件下進行的計算通常都很成功，並沒有明顯的模稜兩可或奇性出現。

問題出現在我們試圖將方程應用於宇宙大爆炸最早時刻或黑洞內部等極端條件的時候。在有關小黑洞行為的思想實驗中也會出現概念上的疑難。除了常用的半經典近似之外，識別真正量子引力產生的可觀察現象，將是令人振奮的重大進展。

弦理論是將廣義相對論和量子理論緊密聯繫起來的一個宏偉框架。它支持一個豐富的對稱性結構，不僅容納規範對稱性，還有超對稱和軸子。目前，弦理論對構建宇宙模型的應用尚未定形。如果可以將它打造成更確定的形式，可能極大地澄清我討論的許多問題。一百年時間應當足夠了。

提升視角

物理宇宙學在過去幾十年日益成熟。我們積累的大量精確證據表明，宇宙開始於一個非常特殊的、概念上簡單的初始狀態。引力之外的各種力在極高溫度下處於熱平衡中，空間遵循廣義相對論方程迅速膨脹。隨後，微弱不勻的物質分布通過引力不穩定性增長，形成了星系團、星系、恆星、行星這些我們生活於其中的宇宙結構。

這幅宏觀圖景毋容置疑，但許多細節還有待推敲。有證據表明，宇宙在其早年歷史中曾經歷一個暴脹時期，空間在幾分之一秒內增長數十個量級。這種非凡的可能性得到源於基礎物理學一些考慮的支持。儘管其物理起源目前尚無定論，但有望在未來百年內觀測到暴脹期間量子漲落產生的引力波，從而將暴脹從一種方案變為一個理論。

自然哲學中一個永恆的主題是所謂「螞蟻視角」與「上帝視角」的對立。螞蟻像人類那樣通過事件的時間序列感知世界，而上帝則將現實看作一個整體。自牛頓時代以來，螞蟻視角一直主導著基礎物理學。矛盾的是，我們將自己對世界的描述劃分為與時間無關的動力學定律和讓這些定律陸續起作用的初始條件。這種劃分一直非常有用和成功，但它遠未提供已知世界的完整科學說明。它給出的說明是：事情現在是這樣，因為它們曾經是那樣。問題在於，為什麼事情曾經是那樣而不是其他樣式呢？

鑒於相對論，上帝的視角看來更為自然。相對論教我們把時空看作一個整體，其不同方面由對稱性聯繫起來，如果我們堅持將經驗切為時間片段，這些對稱性是難於表示的。外爾在他1949 年的著作《數學和自然科學之哲學》(普林斯頓大學出版社，116 頁)中深刻地表述了這個根本觀點：

「客觀世界原本就存在著，而不是偶然出現的。只不過是跟著我的感覺沿自己軀體的生命線向上爬，這個世界的一部分才作為隨時間不斷變化、在空間轉瞬即逝的圖像變得活動起來。」

我認為，將觀察物理現實的螞蟻視角提升到上帝視角，是對未來百年基礎物理學最深刻的挑戰。

革新演算法

運行速度和集成密度25 次翻倍的摩爾周期律，是人類通過深刻理解物質而獲得的創造性成果，它給一般人，尤其是物理學家帶來了能力非凡的計算工具。雖然這種指數增長的步伐也許會放慢，但可以預計，未來幾十年至少還將有若干翻倍周期。可用的量子計算機也將上線。日益增長的計算能力將改變我們所從事研究問題的實質，甚至將改變研究者自身的本性:「我們物理學家」究竟是什麼？

正如電腦對核物理學、恆星物理學、材料科學、化學和飛機設計已經做過的那樣，模擬計算將補充、並最終取代實驗室實驗(圖1)。

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

發展演算法將愈益成為理論物理學的焦點。計算機可以處理的概念和方程將備受關注；不能化為演算法的概念和方程則不被看好。這並不意味著盲目的數字運算將取代創造性的洞察。恰恰相反，人們對物理學中普遍性、對稱性和拓撲性等創造性理解的成功，預先為電腦編程思想提供了合適的範例。

設計演算法可以被認為是一種特殊形式的教學，對象是極其快捷但仍缺想像力和經驗的學生——不善於處理模糊事物的計算機。目前這些學生主動性不夠，好奇心不強，但這些缺點是可以克服的。百年之內，他們將具備與其才華相稱的獨特思想，而成為人類教師的同事和最終的繼任者。

宏偉項目

埃及的金字塔、雅典的帕台農神廟、西班牙的阿爾罕布拉宮、中世紀歐洲的教堂和埃菲爾鐵塔，這些都是人類文明藉以表達其願望和身份的宏偉項目。類似的非凡機會今天擺在我們面前，但是做起來需要大量的投資。

引力波天文學已經打開洞察宇宙中隱蔽區域和猛烈事件的新窗口。今年2 月，激光干涉引力波天文台(LIGO)宣布首次直接觀測到引力波。為了利用引力波天文學的全部潛能，我們應在太空部署跨越數百萬公里的精密儀器，例如太空激光干涉儀(LISA)，如圖2所示。

圖2 太空激光干涉儀(LISA)可以探測頻率範圍0.1—100 mHz 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調查銀河系，收集數以百萬計行星的質量、軌道、地質學和大氣層信息。作為副產品，我們將了解生命的稀有性以及所需的條件，以此檢驗和改進人擇原理。

觸感天文學將更多依靠機器人探測器、虛擬網真和適當物種(而不是難以適應外太空環境的人體)。人類文明將超越太陽系，但殖民規模不會太大。

逆向天文學將在大型加速器項目中回溯距離更短和能量更高的早期宇宙。

量子計算將為日益精緻的量子裝置提供可行演算法。百年之內，它將成為化學和材料科學的核心工具。

現在的主流計算機本質上是二維的。其基礎晶元必須在極清潔的環境下生產，任何誤操作都可能導致不可恢復的損壞。與此相反，人類的大腦是三維的，它誕生於散亂的環境，有病受傷仍能工作。實現這些功能，打造具有容錯和自我修復能力的三維電腦，同時保留半導體技術的密度、速度和靈活性，並沒有什麼明顯的障礙。具有類似人的大腦和軀體、可自組裝、自繁殖和自創新的機器人將會出現。

我們看不到可見光範圍之外的頻率(包括紫外線和紅外線)，而它們蘊含著周圍環境有價值的信息。現代微電子學和計算機提供了獲取這類信息的可能性。通過適當的編碼變換，我們可以藉助已有信道大大擴展自己的感官，從而認知一個更為真實的世界。

結語

從本文掛一漏萬的簡述中不難看出，宣稱物理學的終結肯定為時過早。光明就在前頭。我們能夠而且將在眾多前沿領域取得進展，更加深入地洞察和掌控現實世界的物理現象。

本文選自《物理》2016年第5期