未来100年物理学是个啥样？

作者：黄龙光

麻省理工学院赫尔曼理论物理学教授 Frank Wilczek

（照片由Andrei Linde提供）

美国麻省理工学院物理学家弗朗克·韦尔切克（Frank Wilczek，因在夸克粒子理论方面所取得的成就，2004年获得诺贝尔物理学奖）在4月出版的《今日物理》（Physics Today）杂志上发表文章《未来100年的物理学》[1]，预测了对称性、多元宇宙、轴子、引力和算法等的发展，以及诸多大项目带来的学科发展，如引力波天文学、系外行星天文学、量子计算等。

1

对称性

超对称和统一的思想已成功预测了非零中微子质量，决定这一思想的成功与否的关键是重子数破缺过程，包括质子衰变和超对称伙伴的存在。无论是质子衰变还是超对称伙伴，都将开启一个新的世界。100年内它们应该能被发现。

2

多元宇宙

在多元宇宙理论下，人类观察到的宇宙只是整个宇宙系统的其中一个宇宙，正如太阳系只是众多行星系统中的一个。100年内人类将能更好地理解这一理论。

3

轴子

轴子是理论物理学家假设存在的一种粒子，质量很小、相互作用很弱。轴子是构成暗物质的候选者之一，探测轴子的实验正在不断增加中，100年内，或者很可能在更短的时间内，这些实验会成功。

4

引力问题

下一个百年对引力的研究包括3个重要的问题：

• 为什么引力的强度与其他的力不成比例？

• 空间的质量密度为什么远小于理论预测，而且是非零的？

• 广义相对论直接量子化后的方程为什么在极端条件下会失败？

弦理论紧密联系了广义相对论和量子理论，如果弦理论能有一个更加固定的形式，那么在100年内它将能很好地阐释许多引力问题。

5

蚂蚁视角到上帝视角

蚂蚁的视角指的是人类通过意识及时感知各种事物，把对世界的认识分为各种定律，上帝的视角指的是把现实作为一个整体来理解。根据相对论，上帝的视角显得更自然。相对论使人类把时空作为一个有机整体来考虑。韦尔切克认为，未来100年基础物理最深远的挑战是从蚂蚁的视角提升到上帝的视角来考虑物理现实。

6

算法的崛起

算法的发展将成为理论物理的焦点，计算机能运行的概念和方程能得到广泛利用，不能转化为算法的概念和方程将被认为是有缺陷的。但这并不意味不用动脑的数字运算将取代创新的洞察力，相反，对普适性、对称性和拓扑的创新理解将成为算法思想的前提。

7

大项目

大项目将为人类带来特别大的机遇，但要实现这些项目将需要大量资源的投入。

（1）引力波天文学已经开始打开宇宙的一扇新窗口，为了充分利用引力波天文台的潜力，人类应该在太空部署跨越数百万公里的精密仪器阵列。

激光干涉仪空间天线（The Laser Interferometer Space Antenna， LISA）可以检测到频率范围从0.1兆赫到100兆赫的引力波。通过比较，去年二月由激光干涉引力波天文台（the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory）观测到的特征频率约100赫兹。跨越数百万公里，LISA将是迄今为止人类制作的最大的发明。这将是代表我们人类好奇心、野心和创造力的一个持久的纪念碑。（由NASA提供，编者译）

（2）系外行星天文学将系统地调查银河系，收集数以百万计的行星的质量、轨道、地质和大气层的信息，以及生命在这些行星上有多罕见和生命存在的条件。

（3）随着机器人探测器、虚拟远程呈现和合适的生物种子的发展，触觉天文学（Tactile astronomy）将变得轻而易举。人类文明将扩展到太阳系之外。

（4）量子计算将要求和实现日益复杂的量子装置的算法。100年内，量子计算将成为化学和材料科学的核心方法。

太空升降梯，通过离心力与抗引力的对抗支撑实现，最终形成一个连接地球表面与外部空间的多功能电梯。为了实现这个概念，我们需要制造更结实的新型材料，不过这一设计可以借助计算机的帮助来实现。（由Pat Rawlings经NASA提供，编者译）

未来100年，除了物理仪器之外，思维方式也有两个方向将获得变革性的进展：自然化的人工智能，如三维、容错、自修复的计算机，自组装、自再生、自治的创新机器等；扩展的感知系统。     

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[1] Physics in 100 years. 

http://scitation.aip.org/content/aip/magazine/physicstoday/article/69/4/10.1063/PT.3.3137

（内容来源于中国科讯，科学大院已获得授权发布）