物理百年:1950~2050

作者: 迈克尔·S. 特纳

来源: 中科院高能所微信公众号

发布日期: 2016-11-07 09:13:55

迈克尔·S. 特纳总结了物理学从1950年到2050年的发展,强调了物理学在过去一个世纪中的伟大成就和未来的机遇。他认为物理学将继续在科学领域占据重要地位,尽管面临生物学等其他学科的挑战,物理学家应继续创新和适应变化。

迈克尔·S. 特纳是芝加哥大学布鲁斯和戴安娜·劳耐尔讲座杰出贡献教授,芝加哥大学卡弗里宇宙物理研究所创始会员。他将物理百年(1950~2050)总结为“前50年8项伟大成就,后50年8个难逢机遇”。他说:我真的看好物理学的将来,除非你疯了,否则你绝不敢小看物理学的。

物理学刚刚经历了一个伟大的世纪,量子力学、核能与核武器、大型粒子加速器、晶体管和随之而来的各种量子器件,以及从夸克到暗能量的各种重大发现。物理学统治了整个20世纪。在《时代》杂志将爱因斯坦评为世纪人物后,对这一事实的最后一点疑虑也被消除了。而在1950~2000年间,美国拥有了大部分的诺贝尔奖获得者,最大的粒子加速器和最一流的学术期刊,是无可争议的物理学的圣地。

过去10年世界发生了深刻的变化。生物学成为21世纪最受瞩目的学科。从基因组测序到功能性核磁共振成像、生物和生命科学的突破(有许多借助了物理工具)非常了不起,走在了时代的前面。而同时,美国将不可能再像过去50年那样主导物理学或世界经济了。所有这些不能不让美国和世界各地的物理学家们思考:21世纪,物理将向何处去?

我认为科学本身不是,或者不应该是让我们烦恼的东西。前人给我们的遗产为未来提供了坚实的基础,摆在前面的机会激动人心。而我们表现得这么大惊小怪,不过是因为现状的改变和未来的不确定:坐在王座的感觉当然好,但被赶下去的滋味就不那么容易接受了。

受到这种焦虑的驱使,我将以当代为基点,盘点前后一个世纪的物理学。选当代为时间参照点可以让我既回顾过去的成就又展望未来的机会,从而完成我对物理学正如何变化和将向何处去的思考。

伟大的成就:1950~2000

过去50年产生了这么多重要的进步,要选择这个让人激动的时代的主题实在是很难。我将重点论述那些改变了物理学和开拓了研究新方向的成就。尽管我认识到,这个清单展示出的物理学的变迁(一个粒子物理学家可能变成天文学家和宇宙学家)可能和物理学本身一样多。

机遇:2000~2050

过去50年我们研究方式的改进,为很多问题的答案提供了线索,解答它们的时机已经成熟;也指出了极有前途的物理领域供人们开拓。过去的辉煌很难复制,但我认为下一个50年也许能创造出更伟大的成就和发现。下面是我的预测。

物理学向何处去

有人也许会想,有着一系列前所未有的成就和未来巨大的机遇,物理学家们应该是一贯地自信满满。相反,他们身上闪现的却是对自身的怀疑。

生命科学和生物学的崛起让赛场中游戏各方扯平了:物理学家不再占据科学和学术上头号的领军人的位置,不再是所有最好和最聪明的学生部渴望成为物理学家了。科学内部有着对资源、下一代的科学家以及荣誉的激烈竞争。此外,在更大的背景下看,科学正经历着剧烈的转变:它更强调合作和跨学科研究,更国际化和数字化,更强调经验,节奏更加快速。

为了继续繁荣,物理学家必须有信心重新改造物理学,就像我们曾经做到的那样。很多最令人激动的机会部存在于和其他学科的交界处。物理学必须能巧妙地容纳下更加多种多样的研究方向。很容易想象分割成小块的物理学,有宇宙物理学、生物物理学、计算物理学、应用物理学等等,但就是没有物理学本身。这是生物学甚至化学所经历过的,但我认为这种学科分化并不能最好地发展物理学。

物理学家研究问题有一个重要的统一的原则。物理学家使用严格和定量的方法,寻找内在的规律和基本法则,他们从简单的模型开始,增加复杂性,他们依赖还原论,并且不断进行仪器工具和方法的创新。虽然物理学的名字一直不变,它的内容却一直在变,改变得太多了,以至于唯一不变的定义是:物理学就是物理学家所做的工作。

物理学从400年前的力学和天体力学到18和19世纪的电学、磁学和统计物理,到了今天它包含了材料、原子、原子核、基本粒子、宇宙和生物学里越来越多的领域。而从事研究的物理学家们为了应对他们所处时代最紧迫的问题,创造了数学上、概念上和仪器上的新工具。从最乐观的角度看,物理学家曾经是,并且将继续是科学上机会的敏锐发现者。

在我任教的芝加哥大学曾经有一个叫做阿尔伯特·迈克尔逊的物理学家,因为在一个世纪以前宣布物理学的死亡而声名狼藉。我不会重复他的失误,我真的看好物理学的将来,除非你疯了,否则你绝不敢小看物理学的。

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