■Michael S. Turner/著
■諶俊謀/譯 李學潛/校
物理學剛剛經歷了一個偉大的世紀：量子力學、核能與核武器、大型粒子加速器、晶體管和隨之而來的各種量子器件，以及從夸克到暗能量的各種重大發現。物理學統治了整個20 世紀。在《時代》雜誌將愛因斯坦評為世紀人物後，對這一事實的最後一點疑慮也被消除了。而在1950~2000 年間，美國擁有了大部分的諾貝爾獎獲得者，最大的粒子加速器和最一流的學術期刊，是無可爭議的物理學的聖地。
過去10 年世界發生了深刻的變化。生物學成為21 世紀最受矚目的學科。從基因組測序到功能性核磁共振成像、生物和生命科學的突破（有許多借助了物理工具）非常了不起，走在了時代的前面。而同時，美國將不可能再像過去50 年那樣主導物理學或世界經濟了。所有這些不能不讓美國和世界各地的物理學家們思考：21 世紀，物理將向何處去？我認為科學本身不是，或者不應該是讓我們煩惱的東西。前人給我們的遺產為未來提供了堅實的基礎，擺在前面的機會激動人心。而我們表現得這麼大驚小怪，不過是因為現狀的改變和未來的不確定：坐在王座的感覺當然好，但被趕下去的滋味就不那麼容易接受了。
受到這種焦慮的驅使，我將以當代為基點，盤點前後一個世紀的物理學。選當代為時間參照點可以讓我既回顧過去的成就又展望未來的機會，從而完成我對物理學正如何變化和將向何處去的思考。
01
偉大的成就：1950~2000
過去50 年產生了這麼多重要的進步，要選擇這個讓人激動的時代的主題實在是很難。我將重點論述那些改變了物理學和開拓了研究新方向的成就。儘管我認識到，這個清單展示出的物理學的變遷（一個粒子物理學家可能變成天文學家和宇宙學家）可能和物理學本身一樣多。
夸克
核子和其他強相互作用有關的粒子由六種帶分數電子電荷的夸克構成。這一發現對物理學產生了深刻影響：導致了粒子物理標準模型的誕生，改變了核物質內在運作模式的圖像，為重離子碰撞中夸克—強子轉變的研究打開了大門，併為關於宇宙大爆炸後一微秒以內物理圖像富有成果的研究提供了基礎。
中微子
在泡利1930 年為挽救能量守恆提出中微子理論的26 年後，其微弱的相互作用才被探測到。中微子是電子、μ、τ 輕子的中性伴隨子，此6個粒子統稱為輕子。輕子和夸克是物質組成的基本成分。儘管中微子是基本粒子中最輕的和最惰性的（在四種基本相互作用中，中微子只參加弱相互作用）粒子，但它們是產生重元素的大型恆星爆炸的關鍵因素，它們貢獻給宇宙的質量就相當於恆星的貢獻；此外，中微子也很可能對建立夸克和反夸克的不對稱性上是決定性的，從而成為原子能夠存在的關鍵。
場論的成功
曾幾何時場論的課題被一些人認為是數學而非物理，現在卻在物理學裡取得了偉大的成就。它不僅提供了粒子物理標準模型的SU(3)×SU(2)×U(1)規範場理論和統一所有基本力的框架，還為超導的標準理論，重整化群和描述凝聚物質系統的共型場理論提供了基礎。讓我們把廣義相對論也算進來吧，在場論框架下，它從原本深奧的數學變成了理解宇宙演化和宇宙中各種事物的基礎。
極端的宇宙
1966 年，神秘的類星體被發現，轟動一時。現在我們知道它們有由銀河星系中央的超大黑洞供給的能量。各種發現接踵而至，恆星大小的黑洞，中子以及能量高達10^20eV 的宇宙射線，這些發現揭示出：宇宙並不像我們想象的那樣平靜，它要有趣得多，是一個有著極強能量、密度和重力場的地方。這些發現不但使更多的物理學家進入天文學領域，而且把天空變成了一個物理實驗室。
宇宙學及宇宙的匯合
宇宙微波背景的發現，隨後出現的大量數據，以及由此產生的驚人的想法：非常巨大的宇宙要與粒子理論描述的非常小的實體匯合，使宇宙學這個讓物理學家皺眉的死水成為所有科學中最熱門的學科之一（參見Physics Today, December 2008, page 8）。宇宙的外部空間與基本粒子和核子的內部空間之間的深層聯繫被揭示了出來，它們存在於暗能量和暗物質、膨脹子、中子星和中微子之中。
量子力學在主導我們的世界
物理學家們馴服了量子力學原理制約下的原子世界，製造實用的設備：包括晶體管、集成電路、激光和超導導線等。這些發明改變了我們的生活方式，使信息時代成為了可能，無疑這是由好奇心推動的基礎研究產生巨大回報令人驚奇的範例。
計算物理
摩爾定律在過去50 年間跨越了12個數量級，計算機存儲量從千字節（killo-bytes）發展到10 億兆字節（petabytes,10^15），運算速度從每秒千次浮點數（kiloflops）到每秒億兆次(petaflops)，催生了一門新的學科——數值模擬和實驗。複雜如量子色動力學（QCD）和廣義相對論的理論現在能夠精確得到數值了；基本粒子的性質也可以從第一原理出發進行計算了；黑洞撞擊的後果變得可以預見，甚至宇宙本身都能模擬了。
新的觀測手段和新工具
物理學家制造出來的工具衝擊了科學的每個方面。加速器不止使我們能夠觀察夸克和輕子的世界，還提供了用來觀測和研究生物和材料樣品的強X 射線束。探測微波，紅外線，紫外線，X 射線和γ射線光子，也許很快還要加上探測引力波的探測器，這些都為天文學家觀察宇宙提供了新的手段。人們能夠很容易地把單個原子限制在特定的位置，並進行操作和研究，這使得我們可以採用各種技術手段來觀察原子世界。
02
機遇：2000~2050
過去50 年我們研究方式的改進，為很多問題的答案提供了線索，解答它們的時機已經成熟；也指出了極有前途的物理領域供人們開拓。過去的輝煌很難複製，但我認為下一個50 年也許能創造出更偉大的成就和發現。下面是我的預測。
開發原子世界
我們已經能夠觀察原子的形象並開始操縱它們。下一個挑戰將是在原子水平做真正的工作：製造新材料和新機器，製作物理—生物雜交型材料，以及更廣泛地認識納米世界的潛力。這一工作對社會的衝擊將可與量子力學比肩。
量子理論與引力的統一
這兩大20 世紀的物理學支柱是不相容的。弦理論試圖統一它們，現在還難言成敗，但統一的時機已經成熟。當它成功時，我們對物質、能量、空間、時間以及宇宙的起源和演化的認識都會深化。而且誰知道它會最終帶給我們什麼現實的收穫呢，就像量子力學曾經做到的那樣。
關於宇宙的完整圖景
宇宙學家正努力把宇宙演化的時間順序全都弄清楚，從大爆炸發生之前，經過星系、恆星、行星和生命的產生，直至時間的終點。有了這些雄心勃勃的想法，再加上以後幾十年裡的功能強大的地球和太空電子望遠鏡，我們似乎正沉浸在宇宙學的黃金時期。
可持續能源
這個世界在接下來40 來年中需要從10 萬億瓦的能量消耗增加到40 萬億瓦，這個增加應該是以可持續的方式實現並對地球產生儘可能小的影響。儘管備選方案似乎很多：從太陽能到核能，從生物能源到碳截存礦物燃料，最佳解決方案卻還沒有出現。在為解決這一人類大難題而進行的基礎研究中，物理學家將是關鍵參與者。如果我們成功，其成果應該比核武器更令人難忘。
生命物理
我們已經具有物理測量和操作原子、分子和細胞的能力，也許我們離回答一些重大問題的時候已經不遠了：大腦是如何運行的？基因組的信息是什麼？生命體是怎樣運作的？它們能被模擬甚至重新編排嗎？新的工具是關鍵，但偉大的創意以及理解和描述生命複雜系統的組織原則也同樣重要。
有外星生命嗎
現在已知有超過350 個軌道接近其恆星的行星，還有我們自己太陽系的幾個可能存在生命的地方，發現地球外的生命應該不是問題。而它們一旦真被發現，將對生物學、天文學和人類對自身的看法產生深遠的影響。現在想象一下我們找到了智慧生物吧！
複雜性和突變
我一直很喜歡用小孩觀察象棋比賽來比喻物理學的任務，意思是我們通過仔細觀察自然以發現它潛在的規則。當然，學會了規則並不意味著我們就學會了下棋。在像湍流和生命組織這樣的複雜系統裡更是如此。理解複雜系統和大尺度行為的突變一直是巨大的挑戰。
為21世紀準備的工具和手段
沒有人在創新儀器工具和改進方法上比物理學家做得更好，這樣所有科學領域的前途當然就掌握在我們手裡。
03
物理學向何處去
有人也許會想，有著一系列前所未有的成就和未來巨大的機遇，物理學家們應該是一貫地自信滿滿。相反，他們身上閃現的卻是對自身的懷疑。生命科學和生物學的崛起讓賽場中游戲各方扯平了：物理學家不再佔據科學和學術上頭號的領軍人的位置；不再是所有最好和最聰明的學生都渴望成為物理學家了。科學內部有著對資源、下一代的科學家以及榮譽的激烈競爭。此外，在更大的背景下看，科學正經歷著劇烈的轉變：它更強調合作和跨學科研究，更國際化和數字化，更強調經驗，節奏更加快速。
為了繼續繁榮，物理學家必須有信心重新改造物理學，就像我們曾經做到的那樣。很多最令人激動的機會都存在於和其他學科的交界處。物理學必須能巧妙地容納下更加多種多樣的研究方向。很容易想象分割成小塊的物理學，有宇宙物理學、生物物理學、計算物理學、應用物理學等等，但就是沒有物理學本身。這是生物學甚至化學所經歷過的，但我認為這種學科分化並不能最好地發展物理學。
物理學家研究問題有一個重要的統一的原則。物理學家使用嚴格和定量的方法；尋找內在的規律和基本法則；他們從簡單的模型開始，增加複雜性；他們依賴還原論，並且不斷進行儀器工具和方法的創新。雖然物理學的名字一直不變，它的內容卻一直在變，改變得太多了，以至於唯一不變的定義是：物理學就是物理學家所做的工作。物理學從400 年前的力學和天體力學到18 和19 世紀的電學、磁學和統計物理，到了今天它包含了材料、原子、原子核、基本粒子、宇宙和生物學裡越來越多的領域。而從事研究的物理學家們為了應對他們所處時代最緊迫的問題，創造了數學上、概念上和儀器上的新工具。從最樂觀的角度看，物理學家曾經是，並且將繼續是科學上機會的敏銳發現者。在我任教的芝加哥大學曾經有一個叫做阿爾伯特·邁克爾遜的物理學家，因為在一個世紀以前宣佈物理學的死亡而聲名狼藉。我不會重複他的失誤，我真的看好物理學的將來，除非你瘋了，否則你絕不敢小看物理學的。
邁克爾· S. 特納（Michael S. Turner）是芝加哥大學布魯斯和戴安娜·勞耐爾講座傑出貢獻教授，芝加哥大學卡弗裡宇宙物理研究所創始會員。
原文刊登在Physics Today, 2009 年第9期。
本文轉載自《現代物理知識》第22 卷第1期
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