诺奖得主维尔切克:物理学百年展望

未来一百年会给物理学带来什么?我当然不知道,但这是一个令人思绪飞扬的问题。下面这些经过深思熟虑的猜想既反映了我的兴趣和学识,也暴露了我的局限和偏见。另外,为保证文章在可接受的长度内,我对内容不得不精挑细选。如果这些猜想激发了你对未来一百年的思考,它们的目的就达到了,即使你的答案和我不一样。

为了更好地展望未来,我们先回顾一下过去。

一个世纪前的物理学一片混乱。爱因斯坦刚刚发表了革命性的引力新理论。卢瑟福发现了原子核,它们是物质的核心,但却神秘而古怪——非常小,非常密,会毫无理由地进行各种令人困惑的转变。以玻尔的原子模型为基础的量子理论还毫无章法。超导已是一个实验事实,却是一个理论的谜团。化学键的本质和恒星能量的来源——自然界里极其重要两个的环节——挑战着当时物理学家们的自尊。

五十年前物理学的面貌已经很不一样。经过大量的理论研究和一些实验观测,广义相对论成为了一门成熟的学科。它和哈勃发现的宇宙膨胀一起为科学地研究宇宙提供了许多新的可能。人们发现了微波背景辐射,发展了半定量的宇宙元素起源理论,最后建立了大爆炸理论。尽管很多人觉得量子力学奇怪和令人头疼,量子力学已经发展为一个数学上非常严格自洽并且极其成功的理论,直到现在依然是我们和自然对话的语言。

原子物理、化学和材料科学有了坚实的基础。超导得到了解释,它的理论不但漂亮而且非常有用。激光、三极管,和核磁共振等许多令人瞩目的技术充分展示了新物理的深度和可靠性。集成电路虽然最多还只有几十个三极管,但前途无量。建立在量子力学基础上的核物理发展成了一个强大的学科。物理学家基本理解了恒星为什么会发光,学会了利用核能来做炸弹和发电。在另外一面,对弱作用和强作用的描述还很散乱和唯象,利用宇宙射线和加速器进行的高能物理实验产生了很多一时无法理解的惊讶。

二十五年前物理学又往前走了一大步。两个标准模型已经形成:一个是关于基本作用力的,另一个是关于宇宙学的。但对它们的严格实验验证那时刚刚开始。(这些模型当然最后都被完美验证,今天依然是最基本的理论。)对材料更深刻的理解,特别是半导体量子理论的发展,带来了计算机革命。我后面还要讨论,这个革命对物理学的影响是非常深刻的。

过去一百年里,物理学基础理论变革的步伐放慢了,但由物理学带来的技术革命的步伐则加快了。这些步伐的变化反映了可靠而全面的标准模型取得的成就。

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