2016年物理學(xué)十大突破

來源：原理（ID：principia1687）

世界頂級科學(xué)雜志《物理世界》12日公布了評選出的2016年度物理學(xué)領(lǐng)域十大突破,，其評判標(biāo)準(zhǔn)包括

• 研究的基本重要性；

• 成果的先進(jìn)程度,；

• 理論與實(shí)驗(yàn)的關(guān)聯(lián)性,；

• 物理學(xué)界的關(guān)注度。

激光干涉引力波天文臺（LIGO）團(tuán)隊(duì)因“革命性地首次直接探測到引力波”而獲得年度突破大獎(jiǎng),。

合并的黑洞輻射出引力波,。（? LIGO）

今年2月，LIGO團(tuán)隊(duì)宣布,，在愛因斯坦預(yù)言的100年后,，人類首次直接探測到了引力波。該引力波是由13億光年之外的兩個(gè)黑洞合并產(chǎn)生,，被LIGO位于漢福德和利文斯頓的兩臺探測器于2015年9月探測到,。

《物理世界》編輯Hamish Johnston表示：“LIGO在較短的時(shí)間內(nèi)取得如此成就是非常不可思議的。這一發(fā)現(xiàn)也是證明黑洞存在的第一個(gè)直接證據(jù),，因此LIGO其實(shí)是改變了我們對宇宙的認(rèn)知,。”

然而,，LIGO探測到引力波只是故事的開始,，它真正的貢獻(xiàn)是開啟了一個(gè)新的天文學(xué)時(shí)代，為基礎(chǔ)研究提供了許多可能性,。比如通過LIGO可以驗(yàn)證為什么時(shí)間旅行也許是不可行的,，或檢驗(yàn)愛因斯坦的廣義相對論的有效性等。

除了引力波的發(fā)現(xiàn),，另外9項(xiàng)重大突破包括（排名不分先后）：

量子雙模式貓態(tài),。（? Michael S Helfenbein）

薛定諤貓：這只貓一直以它即死又活的狀態(tài)而出名。它是量子疊加態(tài)的一個(gè)著名例子,。所謂的疊加態(tài)就是粒子可以同時(shí)處于不同的態(tài),。一個(gè)美法研究團(tuán)隊(duì)通過設(shè)計(jì)兩個(gè)超導(dǎo)空腔（盒子）， 在空腔里可以釋放微波（即光子）,，首次在實(shí)驗(yàn)中創(chuàng)建量子雙模式貓態(tài)（薛定諤貓同時(shí)存在于兩個(gè)盒子之中）,。

離子糾纏器。（? Blakestad/NIST）

離子糾纏：牛津大學(xué)和美國NIST的兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)各自獨(dú)立地將兩種不同的離子糾纏在一起,，并對其進(jìn)行測量,。這是邁入創(chuàng)造基于離子的量子計(jì)算機(jī)的重要一步。這樣的混合系統(tǒng)的好處在于,，不同離子在進(jìn)行特定的量子計(jì)算任務(wù)上都有各自的優(yōu)勢,。

藝術(shù)描繪的比鄰星b的表面,，圍繞著一顆紅矮星——比鄰星轉(zhuǎn)。（? ESO/M Kornmesser）

比鄰星：天文學(xué)家在離太陽系最近一顆恒星（距離太陽4.2光年）比鄰星的宜居帶發(fā)現(xiàn)了一顆巖石行星——比鄰星b,，大小是地球的1.3倍,。理論上，在它的表面可以維持水的存在,，甚至有可能擁有大氣層,。

負(fù)折射：科學(xué)家首次在石墨烯中觀測到電子負(fù)折射現(xiàn)象。負(fù)折射是一些人造超材料的一個(gè)性質(zhì),，可以用來制造新型光學(xué)器件,，比如完美透鏡。材料中的電子可以表現(xiàn)的像波,，負(fù)折射也會發(fā)生在n型和p型半導(dǎo)體的交界面,。

新型重力儀。（? Giles Hammond）

重力儀：英國格拉斯哥大學(xué)的科學(xué)家研發(fā)出成本相當(dāng)?shù)筒⑶倚∏傻闹亓x,，可以用來精確地測量地球的重力場,。由于其敏感度非常高，這個(gè)儀器可以用來礦產(chǎn)勘探,、土木工程和監(jiān)測火山活動等,。

核子鐘：德國科學(xué)家探測到釷-229原子核中的低能躍遷，可以用來制作核子鐘,。相比今天被廣泛使用的原子鐘,，核子鐘只關(guān)注原子核而不涉及外圍的電子，因此核子鐘不容易受到外界干擾（比如電場）,，從而更加的穩(wěn)定,。

利用Mesolens拍攝的老鼠胚胎。（? Gail McConnell/University of Strathclyde）

神奇的透鏡：蘇格蘭斯特拉斯克萊德的大學(xué)的科學(xué)家研發(fā)出擁有大視場,、高分辨率的新型纖維鏡頭——Mesolens,。該設(shè)備允許共聚焦顯微鏡，可以制造大量生物樣本的3D圖像,。在一張圖像就可以觀測整個(gè)樣本的能力可以幫助研究許多的生物過程，并確保一些重要的細(xì)節(jié)不會被忽視,。

真空室,，困住鈣離子的實(shí)驗(yàn)裝置。（? Johannes Ro?nagel）

最小的發(fā)動機(jī)：德國美因茨大學(xué)的科學(xué)家用一個(gè)原子建造了一個(gè)熱機(jī),。他們把一個(gè)鈣離子困在一個(gè)漏斗狀的陷進(jìn)中,，將溫差轉(zhuǎn)換為機(jī)械功。

更快的計(jì)算：量子計(jì)算機(jī)的發(fā)明無疑會引領(lǐng)一場技術(shù)革命,，但是為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo),，科學(xué)家還需要克服許多的障礙,。今年，奧地利的科學(xué)家利用量子計(jì)算機(jī)成功的模擬了亞原子粒子之間的基本相互作用,。

諾獎(jiǎng)得主維爾切克：物理學(xué)百年展望

本文由賽先生（iscientists）授權(quán)轉(zhuǎn)載

作者：Frank Wilczek,，翻譯：梁丁當(dāng)

為了更好地展望未來,，我們先回顧一下過去。

一個(gè)世紀(jì)前的物理學(xué)一片混亂,。愛因斯坦剛剛發(fā)表了革命性的引力新理論,。盧瑟福發(fā)現(xiàn)了原子核，它們是物質(zhì)的核心,，但卻神秘而古怪——非常小,，非常密，會毫無理由地進(jìn)行各種令人困惑的轉(zhuǎn)變,。以玻爾的原子模型為基礎(chǔ)的量子理論還毫無章法,。超導(dǎo)已是一個(gè)實(shí)驗(yàn)事實(shí)，卻是一個(gè)理論的謎團(tuán),?；瘜W(xué)鍵的本質(zhì)和恒星能量的來源——自然界里極其重要兩個(gè)的環(huán)節(jié)——挑戰(zhàn)著當(dāng)時(shí)物理學(xué)家們的自尊。

五十年前物理學(xué)的面貌已經(jīng)很不一樣,。經(jīng)過大量的理論研究和一些實(shí)驗(yàn)觀測,，廣義相對論成為了一門成熟的學(xué)科。它和哈勃發(fā)現(xiàn)的宇宙膨脹一起為科學(xué)地研究宇宙提供了許多新的可能,。人們發(fā)現(xiàn)了微波背景輻射,，發(fā)展了半定量的宇宙元素起源理論，最后建立了大爆炸理論,。盡管很多人覺得量子力學(xué)奇怪和令人頭疼,，量子力學(xué)已經(jīng)發(fā)展為一個(gè)數(shù)學(xué)上非常嚴(yán)格自洽并且極其成功的理論，直到現(xiàn)在依然是我們和自然對話的語言,。

原子物理,、化學(xué)和材料科學(xué)有了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),。超導(dǎo)得到了解釋，它的理論不但漂亮而且非常有用,。激光,、三極管，和核磁共振等許多令人矚目的技術(shù)充分展示了新物理的深度和可靠性,。集成電路雖然最多還只有幾十個(gè)三極管,，但前途無量。建立在量子力學(xué)基礎(chǔ)上的核物理發(fā)展成了一個(gè)強(qiáng)大的學(xué)科,。物理學(xué)家基本理解了恒星為什么會發(fā)光,，學(xué)會了利用核能來做炸彈和發(fā)電。在另外一面,，對弱作用和強(qiáng)作用的描述還很散亂和唯象,，利用宇宙射線和加速器進(jìn)行的高能物理實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了很多一時(shí)無法理解的驚訝。

二十五年前物理學(xué)又往前走了一大步,。兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型已經(jīng)形成：一個(gè)是關(guān)于基本作用力的,，另一個(gè)是關(guān)于宇宙學(xué)的。但對它們的嚴(yán)格實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證那時(shí)剛剛開始,。（這些模型當(dāng)然最后都被完美驗(yàn)證,，今天依然是最基本的理論。）對材料更深刻的理解,，特別是半導(dǎo)體量子理論的發(fā)展,，帶來了計(jì)算機(jī)革命。我后面還要討論,，這個(gè)革命對物理學(xué)的影響是非常深刻的,。

過去一百年里，物理學(xué)基礎(chǔ)理論變革的步伐放慢了,，但由物理學(xué)帶來的技術(shù)革命的步伐則加快了,。這些步伐的變化反映了可靠而全面的標(biāo)準(zhǔn)模型取得的成就。

局域?qū)ΨQ性和相對論量子場論里的原理已經(jīng)指引物理學(xué)家們走了很長一段路,。這些原理和對稱性深植于廣義相對論和關(guān)于強(qiáng),、弱和電磁作用的規(guī)范理論里。我們現(xiàn)在已經(jīng)建立了一套經(jīng)過千錘百煉的方程,，它們?yōu)榛瘜W(xué),、各類工程技術(shù)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，能夠描述所有已經(jīng)觀察到的天文體系,，和大部分宇宙。但是,，進(jìn)一步提升的空間仍然很大,。

引力子,、膠子、W-和Z玻色子和光子都是局域?qū)ΨQ性的化身,。這些粒子的耦合和存在反映了這個(gè)深刻的原理,。建立在對稱性上的標(biāo)準(zhǔn)模型昭示著基礎(chǔ)物理已經(jīng)非常接近畢達(dá)哥拉斯和柏拉圖的圣殿：物理現(xiàn)實(shí)和數(shù)學(xué)理想之間的完美對應(yīng)。

我們依然希望做得更好,。我們對物質(zhì)的描述還是支離破碎的,，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)模型里的局域?qū)ΨQ變換不能連接很多“應(yīng)該”連接的基本粒子。但標(biāo)準(zhǔn)模型里的這些基本原理是強(qiáng)大的,，會繼續(xù)發(fā)展,；我們非常有希望看到現(xiàn)在尷尬而不成熟的對稱性逐漸變得成熟和完美。Box 1里描述了如何將已知的基本粒子漂亮地納入一個(gè)更大的對稱性,。

這個(gè)令人向往的結(jié)果對未來的研究有深刻的含義,。按照Box 2里的解釋,，它意味著引力不是自成一體的，應(yīng)該和其他力統(tǒng)一考慮,。它激勵(lì)我們?nèi)ニ伎既绾我胄碌膶ΨQ性和預(yù)想具體的新的物理現(xiàn)象,。

為了統(tǒng)一所有的基本粒子,，我們需要連接不同自旋粒子的對稱性,。狹義相對論中洛倫茲對稱性的一個(gè)擴(kuò)展，超對稱性,，正好補(bǔ)上這個(gè)缺口,。這個(gè)更大的對稱性要求我們熟悉的每個(gè)粒子具有一個(gè)超伙伴：它們有不同的自旋但相同的電荷，強(qiáng)色荷和弱色荷,。

不破缺的超對稱性還要求這些伙伴粒子具有相同的質(zhì)量,，但是人們并沒有觀測到這樣的伙伴粒子。我們不得不滿足于這樣的補(bǔ)救：基本方程具有超對稱,，但它們描述自然的解卻不具有這個(gè)對稱性,。換句話說，超對稱自發(fā)破缺了,。重要的是,，如果超對稱破缺尺度不是很大，也就是說已知粒子的超對稱伙伴不是很重,，我們就能如Box 2里演示的,，完美地定量統(tǒng)一基本耦合參數(shù)。

拋開技術(shù)細(xì)節(jié),，超對稱帶來的統(tǒng)一是非常深刻的,。二十世紀(jì)物理的偉大成就之一就是超越了物質(zhì)表面上完全不同的兩種性質(zhì)：以經(jīng)典光為代表的波動性和以經(jīng)典粒子為代表的粒子性。作為量子的個(gè)體,，光子和電子都具有波粒二象性,。作為一個(gè)集合，它們則非常不一樣,，分別遵從玻色或費(fèi)米統(tǒng)計(jì),。超對稱向我們展示了這個(gè)不同也可以被超越。

上面描述的關(guān)于統(tǒng)一和超對稱的想法很有希望,，它們已經(jīng)發(fā)展了幾十年了,，但真正的榮耀之日還在前頭。除了重組我們核心理論的量子數(shù)和耦合常數(shù),，這些想法的主要成就是預(yù)言了現(xiàn)在已經(jīng)被觀測到的中微子的很小的質(zhì)量,。它們還有兩個(gè)激動人心的預(yù)言：重子數(shù)不守恒過程，比如質(zhì)子衰變，和超對稱粒子的存在,。如果被證偽,，超對稱就是錯(cuò)的。如果被證實(shí),，它們將打開一個(gè)全新的世界讓人去探索,。根據(jù)我們最好的估算，質(zhì)子衰變和超對稱粒子的探測并沒有超越技術(shù)的極限,。一百年內(nèi)實(shí)驗(yàn)會探測到它們,。

我們核心理論的其他方面就沒有那么優(yōu)美了。Box 1介紹的基本粒子在自然界其實(shí)共有三套——電子,、繆(μ)子和陶(τ)子三個(gè)家族系列,。我們不清楚為什么物質(zhì)要這樣重復(fù)三次，同樣也不理解這些基本成員展現(xiàn)的無章可循的質(zhì)量和混合角,。為解釋實(shí)驗(yàn)觀測,，我們需要二十多個(gè)自由參數(shù)；這些參數(shù)描述希格斯場是如何與夸克和輕子（比如電子和中微子）耦合的,。盡管個(gè)數(shù)不是很多,，至少比元素周期表中的原子個(gè)數(shù)少很多，但已有的成功讓我們雄心萬丈,，我們渴望做得更好,。

但是我們能嗎？現(xiàn)有的觀測表明我們核心理論的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不隨空間和時(shí)間變化,，但邏輯上事情可以不是這樣的,。事實(shí)上,，暴脹宇宙論里有一個(gè)機(jī)制,，可以在一個(gè)整體非常不均勻的宇宙里產(chǎn)生一個(gè)均勻的大區(qū)域。超弦理論則提供了很多產(chǎn)生不均勻宇宙的可能,。這種情況可以被方便地描述成在一個(gè)更大的不均勻的宇宙里有一些均勻的宇宙,。在這樣一個(gè)多宇宙框架內(nèi)，我們觀測到的宇宙只是很多性質(zhì)非常不同的宇宙之一,，就像我們的太陽系只是各種性質(zhì)非常不同的行星系統(tǒng)中的一個(gè),。

如果想計(jì)算觀測到某個(gè)特定宇宙的幾率，我們必須有一個(gè)挑選的標(biāo)準(zhǔn),。不允許觀測者出現(xiàn)的宇宙不應(yīng)該是可觀測的宇宙,。在應(yīng)用這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)之后，如果我們發(fā)現(xiàn)大多數(shù)或所有可能的宇宙都具有某個(gè)特征,，我們就宣稱那個(gè)特征可以用人擇原理來解釋,。反過來,，如果我們找到了令人信服的人擇解釋，我們應(yīng)該把它們當(dāng)做多宇宙假設(shè)的證據(jù),。許多學(xué)者曾指出,，如果標(biāo)準(zhǔn)模型里的參數(shù)發(fā)生小的變化，智慧生命的出現(xiàn)就會非常成問題,。多宇宙的幽靈因此赫然聳立,。

相應(yīng)地，迄今無法理解的那些參數(shù)可能只是一個(gè)環(huán)境的偶然,，無法用理論澄清,。這個(gè)結(jié)論是誘人的同時(shí)也是危險(xiǎn)的。因?yàn)樗坪踉谡f：“如果我們?nèi)绱寺斆鬟€不能理解它,，它就是不能被理解的?！?這其實(shí)是在投降后宣告勝利,。在未來的100年里，我們會更好地了解抗拒人擇原理是否是徒勞的,，和在什么方面是徒勞的,。

質(zhì)量和混合角參數(shù)也有啟發(fā)性的一面。標(biāo)準(zhǔn)模型里允許引入一個(gè)參數(shù)θ,，它會破壞強(qiáng)相互作用里的空間和時(shí)間反演對稱性,。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這個(gè)破壞很小,，結(jié)論是 |θ| < 10-10;="">

對θ值的強(qiáng)烈限制意味著我們需要一個(gè)新原理來解釋這個(gè)參數(shù)為什么這么小,。最佳候選者是由Roberto Peccei和Helen Quinn發(fā)現(xiàn)的一種新對稱性，Peccei-Quinn對稱性,。這個(gè)新對稱性會導(dǎo)致重要的物理后果,。它預(yù)言存在一種新的、非常輕和耦合很弱的粒子,，軸粒子,。軸粒子如果存在，它們會在早期宇宙里大量產(chǎn)生,。它們是暗物質(zhì)的絕佳候選者,。天文學(xué)家觀測到了暗物質(zhì)但卻一直未能確認(rèn)它的組分。人們正在開展精巧而富有挑戰(zhàn)性的實(shí)驗(yàn),，作為宇宙的背景或者通過它們帶來的效應(yīng),，來探測軸粒子。一百年內(nèi)——非?？赡芎芸臁麄儠晒Φ?。

愛因斯坦的廣義相對論是一個(gè)概念上非常緊密的引力的理論，它只允許兩個(gè)自由參數(shù)：牛頓引力常數(shù)和宇宙學(xué)常數(shù)。它已經(jīng)通過了物理學(xué)家和天文學(xué)家設(shè)計(jì)的每個(gè)測試,；但理論仍然不盡如人意,。

首先，引力的強(qiáng)度和其他基本力完全不成比例,。如果我們相信自然有一個(gè)統(tǒng)一運(yùn)行機(jī)制,，這怎么可能呢？第二,，觀測到的無物質(zhì)空間的質(zhì)量密度——宇宙學(xué)常數(shù),，也經(jīng)常被叫做暗能量——和合理的理論預(yù)期相差很遠(yuǎn)。為什么比理論值小那么多,，但又不是零,？第三，將廣義相對論直接量子化以后得到的方程在極端條件下會崩潰,。它的后果是什么,？這些都是未來一百年物理學(xué)里的重要問題。在兩個(gè)Box里,，我已經(jīng)指出了一個(gè)頗有希望解決引力弱小問題的方案,。這里我簡要評述一下其他兩個(gè)問題。

理論學(xué)家們估算了宇宙學(xué)常數(shù)的幾個(gè)來源,，有正貢獻(xiàn)也有負(fù)貢獻(xiàn),，但每個(gè)貢獻(xiàn)的絕對值都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過觀測值。這個(gè)常數(shù)的觀測值很小表明這些貢獻(xiàn)可能正好微妙地抵消了,。我們的核心理論無法解釋這種抵消,。或許正如溫伯格建議的,，我們只能用人擇原理解釋,。如果宇宙學(xué)常數(shù)太大，宇宙就會快速膨脹以致沒有結(jié)構(gòu)可以形成,。星系,、恒星、行星都不會形成,，從而智慧觀測者也不會出現(xiàn),。最好的物理就是這個(gè)人擇解釋了？抗拒它是徒勞的,？后面沒有隱藏某個(gè)更深刻的原理,？

把我們的引力理論，廣義相對論,，和量子力學(xué)融合起來有概念上的困難,，但這個(gè)困難被吹上了天,。我認(rèn)為重要的是把它拉回地面。

在實(shí)踐中其實(shí)沒有什么問題,。天體物理學(xué)家和宇宙學(xué)家經(jīng)常并且成功地計(jì)算了很多同時(shí)涉及引力和量子力學(xué)的物理問題,。這些工作里人們沒有碰到什么模棱兩可或奇怪的東西。

只有當(dāng)我們試圖考慮一些極端情況時(shí),，比如大爆炸的最早時(shí)刻或黑洞的最里層,，問題才會出現(xiàn)。另外,，思索小黑洞的行為時(shí)會碰到一些概念上的難題,。如果我們能夠圈定一些具體的可以被實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的現(xiàn)象，這些現(xiàn)象無法用熟悉的半經(jīng)典近似而必須用完全的量子引力來解釋,，那將是令人振奮的成就和重大進(jìn)展,。嘗試觀測這些現(xiàn)象的實(shí)踐會把這個(gè)問題帶到另外一個(gè)的層次。

超弦理論是一個(gè)宏大的框架,，可以把廣義相對論和量子物理緊密聯(lián)系起來,。它支撐一個(gè)豐富但沒有完全被理解的對稱結(jié)構(gòu)。這個(gè)對稱結(jié)構(gòu)不但可以包括規(guī)范變換也可以包含超對稱和軸粒子,。但現(xiàn)在應(yīng)用超弦理論來描述世界像一個(gè)無形的泥塊。如果它能被雕琢得更有形一些,，它可能會大大澄清我討論過的這些問題,。一百年足夠了。

物理宇宙學(xué)已經(jīng)成熟地發(fā)展了幾十年,。我們已經(jīng)掌握了精確和具有說服力的證據(jù),，表明宇宙是從一個(gè)非常特殊，概念上簡單的初態(tài)開始的,。最初時(shí)引力以外的力處于一個(gè)極高溫平衡態(tài),，物質(zhì)的分布非常均勻但不完全均勻，空間按照廣義相對論在快速膨脹,。注意,，對于引力而言，均勻是個(gè)極端非平衡態(tài),，因?yàn)橐傁氚盐镔|(zhì)聚在一起,。因此起點(diǎn)在引力作用下失穩(wěn)，孕育形成了星系團(tuán),、星系,、恒星和行星——這就是我們現(xiàn)在看到和生活的宇宙。

這樣的宇宙演化輪廓已經(jīng)沒有任何疑問,，但它的許多細(xì)節(jié)仍然非常粗略,。在宇宙學(xué)的前沿,，有多條證據(jù)顯示宇宙在早期上演過一次宇宙爆脹——在幾分之一秒里，空間超光速膨脹了十幾個(gè)數(shù)量級,。這個(gè)不同尋常的暴脹得到了基礎(chǔ)物理里很多想法的廣泛支持,；事實(shí)上，也正是這些想法指向了暴脹,。但是公平地說,，暴脹現(xiàn)在還只是一個(gè)方案而不是一個(gè)物理理論。比如,，無人能令人信服地確認(rèn)暴脹的物理根源,。這個(gè)方案里的疑問都是有物理后果的：暴脹中的量子漲落可能會導(dǎo)致小的不均勻性，從而埋下結(jié)構(gòu)形成的種子,；量子漲落也可能產(chǎn)生可觀測到的引力波,。我預(yù)計(jì)未來一百年里，理論和觀測的進(jìn)步會讓暴脹從方案變成教條,。

自然哲學(xué)經(jīng)常討論上帝視角(God’s-eye view)和螞蟻視角(ant’s-eye view)的競爭,。上帝視角是指從整體來理解現(xiàn)實(shí)；螞蟻視角是指人在感知身邊事件隨時(shí)間流動時(shí)獲得的觀念,。從牛頓開始,，螞蟻視角就主宰了基礎(chǔ)物理。我們把對世界的描述分割為兩部分：動力學(xué)方程（荒謬的是,，方程自身存在時(shí)間之外）和它們的初始條件,。動力學(xué)方程不能決定哪個(gè)初始條件描述現(xiàn)實(shí)。這種分割在實(shí)際應(yīng)用中非常有用和極其成功,，但是這個(gè)方法遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能給我們一個(gè)對世界的完整科學(xué)描述,。它給出的描述——現(xiàn)實(shí)是這樣是因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)在過去是那樣——會受到這樣的質(zhì)疑：為什么過去是那樣呢？

從相對論來看,，上帝視角顯得更自然,。相對論教導(dǎo)我們應(yīng)該把時(shí)空當(dāng)做一個(gè)有機(jī)整體來考慮。因?yàn)闀r(shí)空的不同側(cè)面可以通過對稱性相互轉(zhuǎn)換,。如果我們堅(jiān)持把經(jīng)歷分割成時(shí)間的序列,，時(shí)空整體就會變得很別扭。赫爾曼·外爾(Hermann Weyl)在他1949年的書《數(shù)學(xué)和自然科學(xué)的哲學(xué)》（普林斯頓大學(xué)出版社,，116頁）里,，曾寫下這段令人難忘的關(guān)于有機(jī)整體的文字：

現(xiàn)實(shí)的世界簡單地存在著，它不是發(fā)生的,。只是在我感知的注視下,，伴隨著身體沿生命軌跡向前的爬行，世界的一個(gè)截面才獲得了活力,，變成空間里隨時(shí)間不斷飛逝的畫面,。

對我來說,，未來一百年基礎(chǔ)物理面臨的最深刻挑戰(zhàn)是，將對現(xiàn)實(shí)的描述從螞蟻視角上升到上帝視角,。

按照摩爾定律集成電路的速度和密度已經(jīng)翻番了25次,，這是人類在深刻理解材料的性質(zhì)后迸發(fā)出的創(chuàng)造力。這個(gè)技術(shù)飛躍給了人類,，尤其是物理學(xué)家,，非同尋常的計(jì)算力。盡管指數(shù)增長的步伐已經(jīng)放慢,，我們預(yù)計(jì)在未來幾十年里還會有幾個(gè)翻番,。實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)也很快就會到來。這種計(jì)算能力的增長將改變我們提問的角度,，我們尋求的答案的類型,，和我們研究的方式。最后但同樣重要的是,，它將改變研究者本身：我們物理學(xué)家是誰,。

量子色動力學(xué)(QCD)是我們關(guān)于強(qiáng)相互作用的理論。它的最新進(jìn)展預(yù)示了未來的發(fā)展前景,。這個(gè)理論的最初驗(yàn)證來自它對高能量和動量轉(zhuǎn)移過程的定量描述,，因?yàn)檫@些所謂的硬過程可以用強(qiáng)大的微擾論計(jì)算。但是這些過程只是眾多有趣現(xiàn)象中的一小部分,。比如,，它們不包含核物理，這其實(shí)是人們最初研究強(qiáng)相互作用的動力,。大量的創(chuàng)造力被用來解析地求解QCD方程。但是迄今最成功的方法是改寫QCD方程讓它們適用于計(jì)算機(jī),，然后讓計(jì)算機(jī)跑起來,。

早在1929年，狄拉克在發(fā)表于《英國皇家學(xué)會院刊》（123卷714頁）的一篇文章里寫道：

已知的物理定律為大部分物理和所有化學(xué)提供了數(shù)學(xué)的描述,；僅有的困難是這些定律的直接應(yīng)用會導(dǎo)致許多方程,，它們太復(fù)雜以致無法求解。因此應(yīng)該發(fā)展一些實(shí)用的應(yīng)用量子力學(xué)的近似方法,，它們能在不做大量運(yùn)算的情況下解釋復(fù)雜原子系統(tǒng)的主要現(xiàn)象,。

現(xiàn)在狄拉克的斷言更加正確：已知的基本定律完全能讓我們對所有和化學(xué)、材料科學(xué)等實(shí)際系統(tǒng)相關(guān)的物理過程開展計(jì)算,。但是“太復(fù)雜”和“大量計(jì)算”之間的界限已經(jīng)發(fā)生了極大的改變,，因?yàn)楹?929年相比，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的能力強(qiáng)大了很多個(gè)數(shù)量級,。有理由相信未來一百年里機(jī)器的計(jì)算能力同樣會增強(qiáng)很多個(gè)數(shù)量級,。

有能用于建造太空電梯的材料嗎,？（圖1是藝術(shù)家眼中的太空電梯）有室溫超導(dǎo)體嗎？這些問題,，以及一些其他問題,，完全可能由計(jì)算機(jī)來回答。現(xiàn)代計(jì)算機(jī)在飛機(jī)設(shè)計(jì)中已經(jīng)可以取代風(fēng)洞實(shí)驗(yàn),。未來的計(jì)算機(jī)在核物理,、恒星物理、材料物理和化學(xué)里會取得同等的地位：用計(jì)算輔助并最后取代實(shí)驗(yàn),。

圖1 太空電梯靠離心力克服重力得到支撐,，可以建立聯(lián)接地球表面和外層空間的便捷通道。為實(shí)現(xiàn)這一概念所需的新型堅(jiān)固材質(zhì),，幾乎肯定可以借助電腦設(shè)計(jì)出來,。

逐漸地，算法的發(fā)展會成為理論物理的核心,。能夠用于計(jì)算機(jī)的概念和方程將取得優(yōu)勢,；不能被轉(zhuǎn)換成算法的概念和方程會被看成先天不足。當(dāng)然這不是說毫無目的地?fù)v鼓數(shù)據(jù)會取代具有創(chuàng)意的洞察,。而是完全相反：創(chuàng)意思考所得到的成果,，比如一般性（去掉無關(guān)的細(xì)節(jié)）、對稱性（有根據(jù)的循環(huán)）,，和拓?fù)洌ㄔ从谶B續(xù)的離散）會被事先揉進(jìn)算法的思路里,。

設(shè)計(jì)算法的工作可以被看作一種特殊的教學(xué)方式，它的對象是很聰明但缺乏想像力并且毫無經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生——那些憎惡模糊的計(jì)算機(jī)?，F(xiàn)在這些學(xué)生動力不足,，沒有好奇心，但這些缺點(diǎn)是可以克服的,。一百年之內(nèi),，計(jì)算機(jī)將獲得和它們的天分匹配的特別思維方式，成為它們?nèi)祟惱蠋煹耐虏⒆詈笸耆〈麄儭?/p>

文化總是通過一些宏大的工程來表達(dá)它的抱負(fù)和建立它的個(gè)性,，比如埃及的金字塔,、雅典的萬神廟、西班牙的阿爾罕布拉宮,、中世紀(jì)歐洲的大教堂,。許多非凡的大工程就擺在我們面前，完成它們需要投入巨大的人力物力,。自信而雄心勃勃的團(tuán)體會自豪地承擔(dān)起它們,。

引力波天文學(xué)已經(jīng)為我們打開了一個(gè)新的觀測宇宙的窗口，讓我們能夠探測隱秘的區(qū)域和劇烈的天文現(xiàn)象,。今年二月,，LIGO第一次直接探測到了引力波,。為了充分利用引力波和發(fā)展引力波天文學(xué)，我們將在太空幾百萬公里范圍內(nèi)安置一個(gè)精密探測器陣列,。圖2展示了一個(gè)候選者：激光干涉太空天線,。

圖2 太空激光干涉儀(LISA)可以探測頻率范圍0.1—100mHz的引力波，由3艘彼此相距數(shù)百萬公里的飛船組成一個(gè)等邊三角形圍繞太陽運(yùn)行,，它將是有史以來最大的人造結(jié)構(gòu),，是人類好奇心、進(jìn)取心和創(chuàng)造性的永恒紀(jì)念碑,。

系外行星天文學(xué)將系統(tǒng)地掃描我們的銀河系,，收集幾百萬個(gè)行星的信息：它們的質(zhì)量、軌道,、地質(zhì)和大氣,。通過這些數(shù)據(jù)，我們將了解生命的稀有程度,，生命存在的條件是什么,。作為一個(gè)副產(chǎn)品，這些發(fā)現(xiàn)可能會驗(yàn)證和優(yōu)化人擇原理,。

觸覺天文學(xué)將得到巨大的發(fā)展,。人體是脆弱的，不適合深太空環(huán)境,，但我們可以利用大量的機(jī)器人探測器,、虛擬遠(yuǎn)程呈現(xiàn)，和合適的生物種子來探索太空,。盡管人類的殖民很難超越太陽系,，人類文明將會超越它。

反演天文學(xué)將利用巨型加速器了解更短的尺度和更高的能量,。

量子計(jì)算將為越來越精致的量子機(jī)器設(shè)計(jì)和執(zhí)行算法,。在未來的一百年里，量子計(jì)算將是化學(xué)和材料科學(xué)的核心方法,。

在未來的一百年里，不但物理儀器而且思維的方式都將在前所未有的方向發(fā)展,。以下兩個(gè)進(jìn)展將帶來翻天覆地的變化：模擬人腦的人工智能和擴(kuò)展的感知系統(tǒng),。

現(xiàn)在主流計(jì)算機(jī)實(shí)質(zhì)上是二維的。它們的芯片需要在非常高的超凈室里生產(chǎn),，因?yàn)槿魏涡〉娜毕荻际侵旅?。而且芯片損壞后是無法修復(fù)的。人腦則完全不同,。它們是三維的,，是在雜亂而控制松散的環(huán)境下生長的,，可以容忍缺陷或損傷。我們有強(qiáng)大的動力去發(fā)展新一代計(jì)算機(jī)技術(shù),，它不但能媲美現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)的集成密度,、速度和規(guī)模，而且具有人腦的上述優(yōu)點(diǎn),。沒有明顯的障礙阻止我們做到這點(diǎn),。強(qiáng)大的三維、容錯(cuò),、自修復(fù)計(jì)算機(jī)將會出現(xiàn),。在實(shí)現(xiàn)這些功能的過程中，我們將會獲得許多和腦神經(jīng)科學(xué)有關(guān)的知識,。

類似地,，我們也渴望造出模擬人體的機(jī)器和模擬人腦的計(jì)算機(jī)。自組裝,、自繁衍,，和能創(chuàng)新的機(jī)器將會出現(xiàn)。他們的設(shè)計(jì)將需要借鑒生物世界的概念和肢體構(gòu)造,。

人類的感知有極大的發(fā)展空間,。比如，考慮一下視覺,。盡管到達(dá)我們眼睛的電磁波是極化的,，而且含有一段連續(xù)的頻率，但我們的色覺是一種對電磁波粗略而碎塊化的編碼：它將光的頻譜馬虎地揉成三團(tuán)并且忽略極化,。當(dāng)然,，我們還看不到很多可見光以外的頻率，比如紫外和紅外,?？墒俏覀兛床坏降牟糠职芏嘧匀画h(huán)境里的有用信息，也會給數(shù)據(jù)可視化和藝術(shù)提供更多的可能,。

現(xiàn)代微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)為我們提供了很多值得嘗試的獲取這些信息的手段,。經(jīng)過適當(dāng)?shù)淖儞Q，我們可以將這些信息和我們已有的感知編碼在一起,，實(shí)現(xiàn)共同感覺,。通過大大擴(kuò)展人的感覺器官，我們將打開感知之門,，真正看清現(xiàn)實(shí)的世界,。

宣告物理學(xué)已經(jīng)終結(jié)毫無疑問是太早了；后實(shí)證物理*的主張同樣是草率的。我們有能力也一定會在多個(gè)方向取得巨大的進(jìn)步,。我們有能力也一定會對具體的,、真實(shí)的物理現(xiàn)象取得新的領(lǐng)悟和控制能力。前面有很多美景,，我只是介紹了幾個(gè),。

* 后實(shí)證物理(postempirical physics)是一種新的哲學(xué)觀點(diǎn)：一個(gè)理論只要足夠優(yōu)美和能定性解釋一些現(xiàn)象，這個(gè)理論就應(yīng)該被接受,，不需要得到實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證,。比如超弦理論和多宇宙理論。

本文經(jīng)Wilczek教授授權(quán)翻譯,。原文為Physics in 100 years,Frank Wilczek,Physics Today,2016,(4):32.

SCIENCE公布的125個(gè)科學(xué)前沿問題

    在慶祝SCIENCE創(chuàng)刊125周年之際,，該刊雜志社公布了125個(gè)最具挑戰(zhàn)性的科學(xué)問題。在今后1／4個(gè)世紀(jì)的時(shí)間里,，人們將致力于研究解決這些問題,。其中，前25個(gè)被認(rèn)為是最重要的問題,。

    簡單歸納統(tǒng)計(jì)這125個(gè)問題,，其中涉及生命科學(xué)的問題占46%，關(guān)系宇宙和地球的問題占16%,，與物質(zhì)科學(xué)相關(guān)的問題占14%以上,，認(rèn)知科學(xué)問題占9%。其余問題分別涉及數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué),、政治與經(jīng)濟(jì),、能源、環(huán)境和人口等,。

這125個(gè)問題如下：

1宇宙由什么構(gòu)成?
2意識的生物學(xué)基礎(chǔ)是什么?
3為什么人類基因會如此之少?
4遺傳變異與人類健康的相關(guān)程度如何?
5物理定律能否統(tǒng)一?
6人類壽命到底可以延長多久?
7是什么控制著器官再生?
8皮膚細(xì)胞如何成為神經(jīng)細(xì)胞?
9單個(gè)體細(xì)胞怎樣成為整株植物?
10地球內(nèi)部如何運(yùn)行?
11地球人類在宇宙中是否獨(dú)一無二?
12地球生命在何處產(chǎn)生,、如何產(chǎn)生?
13什么決定了物種的多樣性?
14什么基因的改變造就了獨(dú)特的人類?
15記憶如何存儲和恢復(fù)?
16人類合作行為如何發(fā)展?
17怎樣從海量生物數(shù)據(jù)中產(chǎn)生大的可視圖片?
18化學(xué)自組織的發(fā)展程度如何?
19什么是傳統(tǒng)計(jì)算的極限?
20我們能否有選擇地切斷某些免疫反應(yīng)?

21量子不確定性和非局部性背后是否有更深刻的原理?
22能否研制出有效的HIV疫苗?
23溫室效應(yīng)會使地球溫度達(dá)到多高?
24什么時(shí)間用什么能源可以替代石油?
25地球到底能負(fù)擔(dān)多少人口?
26宇宙是否唯一?
27是什么驅(qū)動宇宙膨脹?
28第一顆恒星與星系何時(shí)產(chǎn)生、怎樣產(chǎn)生?
29超高能宇宙射線來自何處?
30是什么給類星體提供動力?
31黑洞的本質(zhì)是什么?
32正物質(zhì)為何多于反物質(zhì)?
33質(zhì)子會衰減嗎?
34重力的本質(zhì)是什么?
35時(shí)間為何不同于其他維度?
36是否存在比夸克更小的基本粒子?
37中微子是其自己的反粒子嗎?
38是否有解釋所有相關(guān)電子系統(tǒng)的統(tǒng)一理論?

39人類能夠制造最強(qiáng)的激光嗎?
40能否制造完美的光學(xué)透鏡?
41是否可能制造出室溫下的磁性半導(dǎo)體?
42什么是高溫超導(dǎo)性之后的成對機(jī)制?
43能否發(fā)展關(guān)于湍流動力學(xué)和顆粒材料運(yùn)動學(xué)的綜合理論?
44是否存在穩(wěn)定的高原子量元素?
45固體中是否有超流動性?如果有,，如何解釋?
46水的結(jié)構(gòu)如何?
47玻璃態(tài)物質(zhì)的本質(zhì)是什么?
48是否存在合理化學(xué)合成的極限?
49光電電池的最終效率如何?
50核聚變將最終成為未來的能源嗎?
51驅(qū)動太陽磁周期的原因是什么?
52行星怎樣形成?
53是什么引發(fā)了冰期?
54使地球磁場逆轉(zhuǎn)的原因是什么?
55是否存在有助于預(yù)報(bào)的地震先兆?
56太陽系的其他星球上現(xiàn)在和過去是否存在生命?
57自然界中手性原則的起源是什么?
58能否預(yù)測蛋白質(zhì)折疊?
59人體中的蛋白質(zhì)有多少存在方式?
60蛋白質(zhì)如何發(fā)現(xiàn)其作用對象?
61細(xì)胞死亡有多少種形式?
62是什么保持了細(xì)胞內(nèi)的通行順暢?
63為什么細(xì)胞的成分可以獨(dú)立于DNA而自行復(fù)制?
64基因組中功能不同于RNA的角色是什么?
65基因組中端粒和絲粒的作用是什么?
66為什么一些基因組很大,，另一些又相當(dāng)緊湊?
67基因組中的“垃圾”(“junk”)有何作用?
68新技術(shù)能使DNA測序的成本降低多少?
69器官和整個(gè)有機(jī)體如何了解停止生長的時(shí)間?
70除了繼承突變，基因組如何改變?
71在胚胎期,，不對稱現(xiàn)象是如何確定的?
72翼,、鰭和面孔如何發(fā)育進(jìn)化?
73是什么引發(fā)了青春期?
74干細(xì)胞是否位于所有腫瘤的中心?
75腫瘤更容易通過免疫進(jìn)行控制嗎?
76腫瘤的控制比治愈是否更容易?
77炎癥是所有慢性疾病的主要原因嗎?
78瘋牛病會怎樣發(fā)展?
79脊椎動物在多大程度上依賴先天免疫系統(tǒng)來抵抗傳染病?
80對抗原而言，免疫記憶需要延長暴露嗎?
81為什么孕婦的免疫系統(tǒng)不拒絕其胎兒?
82什么與有機(jī)體的生物鐘同步?
83遷徙生物怎樣發(fā)現(xiàn)其遷移路線?
84為什么要睡眠?
85人類為什么會做夢?
86語言學(xué)習(xí)為什么存在臨界期?
87信息素影響人類行為嗎?
88一般麻醉劑如何發(fā)揮作用?
89導(dǎo)致精神分裂癥的原因是什么?
90引發(fā)孤獨(dú)癥的原因是什么?
91阿茲海默癥患者的生命能夠延續(xù)多久?
92致癮的生物學(xué)基礎(chǔ)是什么?
93大腦如何建立道德觀念?
94通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行學(xué)習(xí)的極限是什么?
95有多少個(gè)性源于遺傳?
96性別傾向的生物學(xué)根源是什么?
97生命樹是生命之間系統(tǒng)關(guān)系最好的表達(dá)方式嗎?
98地球上有多少物種? 99什么是物種?
100橫向轉(zhuǎn)移為什么會發(fā)生在眾多的物種中以及如何發(fā)生?
101誰是世界的共同祖先?
102植物的花朵如何進(jìn)化?
103植物怎樣制造細(xì)胞壁?
104如何控制植物生長?
105為什么所有的植物不能免疫一切疾病?
106外界壓力環(huán)境下,，植物的變異基礎(chǔ)是什么?
107是什么引起物質(zhì)消失?
108能否避免物種消亡?
109一些恐龍為什么如此龐大?
110生態(tài)系統(tǒng)對全球變暖的反應(yīng)如何?

111至今共有多少人種,，他們之間有何關(guān)聯(lián)?
112是什么提升了現(xiàn)代人類的行為?
113什么是人類文化的根源?
114語言和音樂演化的根源是什么?
115什么是人種，人種如何進(jìn)化?
116為什么一些國家向前發(fā)展,，而有些國家的發(fā)展停滯?
117政府高額赤字對國家利益和經(jīng)濟(jì)增長速度有什么影響?
118政治與經(jīng)濟(jì)自由密切相關(guān)嗎?
119為什么改變?nèi)龉貐^(qū)貧困狀態(tài)的努力幾乎全部失敗?
120有沒有簡單的方法確定橢圓曲線是否存在無窮多解?
121霍奇閉鏈?zhǔn)谴鷶?shù)閉鏈的和嗎?
122數(shù)學(xué)家將會最終給出Navier-Stokes方程的解嗎?
123龐加萊實(shí)驗(yàn)?zāi)芊翊_定4維空間的球?
124黎曼zeta函數(shù)的零解都有a+bi形式嗎?
125對粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的研究是否會停止在量子Yahg-Mills理論上?

注：最后6個(gè)數(shù)學(xué)問題選自Clay數(shù)學(xué)研究所提出的新千年問題