诺奖得主维尔切克:物理学百年展望

作者: Frank Wilczek

来源: 赛先生

发布日期: 2016-05-19 07:04:09

本文回顾了过去一百年物理学的发展,展望了未来一百年的物理学前景,讨论了标准模型、对称性、引力问题、宇宙学、算法崛起、大工程以及物理学未来的挑战和机遇。

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。

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。

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。

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。

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。

我们依然希望做得更好。我们对物质的描述还是支离破碎的,因为标准模型里的局域对称变换不能连接很多“应该”连接的基本粒子。但标准模型里的这些基本原理是强大的,会继续发展;我们非常有希望看到现在尴尬而不成熟的对称性逐渐变得成熟和完美。

我们核心理论的其他方面就没有那么优美了。Box 1介绍的基本粒子在自然界其实共有三套——电子、缪(μ)子和陶(τ)子三个家族系列。我们不清楚为什么物质要这样重复三次,同样也不理解这些基本成员展现的无章可循的质量和混合角。

我们核心理论的结构和参数不随空间和时间变化,但逻辑上事情可以不是这样的。事实上,暴胀宇宙论里有一个机制,可以在一个整体非常不均匀的宇宙里产生一个均匀的大区域。超弦理论则提供了很多产生不均匀宇宙的可能。

引力问题

爱因斯坦的广义相对论是一个概念上非常紧密的引力的理论,它只允许两个自由参数:牛顿引力常数和宇宙学常数。它已经通过了物理学家和天文学家设计的每个测试;但理论仍然不尽如人意。

物理宇宙学已经成熟地发展了几十年。我们已经掌握了精确和具有说服力的证据,表明宇宙是从一个非常特殊,概念上简单的初态开始的。最初时引力以外的力处于一个极高温平衡态,物质的分布非常均匀但不完全均匀,空间按照广义相对论在快速膨胀。

算法崛起

按照摩尔定律集成电路的速度和密度已经翻番了25次,这是人类在深刻理解材料的性质后迸发出的创造力。这个技术飞跃给了人类,尤其是物理学家,非同寻常的计算力。

大工程

文化总是通过一些宏大的工程来表达它的抱负和建立它的个性,比如埃及的金字塔、雅典的万神庙、西班牙的阿尔罕布拉宫、中世纪欧洲的大教堂。许多非凡的大工程就摆在我们面前,完成它们需要投入巨大的人力物力。

路还远

宣告物理学已经终结毫无疑问是太早了;后实证物理*的主张同样是草率的。我们有能力也一定会在多个方向取得巨大的进步。我们有能力也一定会对具体的、真实的物理现象取得新的领悟和控制能力。

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