三、物理學(xué)的未來(lái)

下面我講講物理學(xué)的未來(lái)。以我自己的觀點(diǎn)來(lái)看，物理學(xué)最有希望發(fā)展的幾個(gè)分支領(lǐng)域，首先還是凝聚態(tài)物理。什么是凝聚態(tài)，實(shí)際上我們平時(shí)接觸的基本都是凝聚態(tài)物理，它最早叫固體物理，但后來(lái)又把液體、液晶加進(jìn)去了，這樣就把固體、液體、液晶都加在一起，起個(gè)名字叫凝聚態(tài)。我覺(jué)得凝聚態(tài)物理是比較有發(fā)展前景的。物理學(xué)家原來(lái)總是認(rèn)為，我們把最基本的東西弄清楚，其他的事情就很簡(jiǎn)單了。無(wú)非是，如果我們把基本粒子弄清楚了，基本粒子怎么來(lái)構(gòu)成原子，原子怎么構(gòu)成分子，分子怎么來(lái)構(gòu)成凝聚態(tài)，這些都只不過(guò)是數(shù)量更多、更復(fù)雜一點(diǎn)。這是原來(lái)很多物理學(xué)家的概念，包括愛因斯坦也有這個(gè)概念。但是這個(gè)概念實(shí)際上是不完全準(zhǔn)確的，并不是說(shuō)你對(duì)夸克怎么運(yùn)動(dòng)清楚了，你對(duì)一個(gè)生命體里蛋白質(zhì)怎么折疊、對(duì)DNA分裂就清楚了；也不完全是你對(duì)夸克弄清楚了，你對(duì)一塊半導(dǎo)體里面的電子是怎么導(dǎo)電就清楚了。我們?cè)瓉?lái)學(xué)過(guò)辯證法，三大定律其中有一個(gè)叫“量變會(huì)引起質(zhì)變”，你的粒子多到一定程度以后，它會(huì)產(chǎn)生新的規(guī)律，這個(gè)新的規(guī)律跟原來(lái)的少數(shù)幾個(gè)粒子的規(guī)律是不一樣的。所以，一方面物理是基礎(chǔ)，但是另一方面物理學(xué)家不是包打天下，并不是說(shuō)會(huì)解量子力學(xué)，知道了廣義相對(duì)論，就對(duì)化學(xué)里所有的問(wèn)題都清楚了，對(duì)生命物理的過(guò)程也清楚了。每個(gè)層次都有自己特殊的問(wèn)題。

那么，凝聚態(tài)物理的特殊問(wèn)題是什么呢？粒子數(shù)一多，電子如果到10的23次方，甚至更多，這時(shí)候它會(huì)出現(xiàn)很多很復(fù)雜的集體現(xiàn)象。這么多的電子之間的相互作用，完全是個(gè)新的領(lǐng)域。所以，這實(shí)際上是物理的一個(gè)很重要的分支領(lǐng)域，而這個(gè)分支領(lǐng)域很多問(wèn)題是基本的。比如相變?cè)趺窗l(fā)生的，比如相互作用到一定的程度以后，特別是相互作用很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)的時(shí)候會(huì)怎么樣，這是一方面。另一方面，凝聚態(tài)物理當(dāng)然跟應(yīng)用最有關(guān)系，我們很多日常的應(yīng)用，不管是信息科學(xué)、能源科學(xué)還是材料科學(xué)，基本上它的基礎(chǔ)都是凝聚態(tài)物理。所以凝聚態(tài)物理當(dāng)然是很有前景的。

美國(guó)物理學(xué)會(huì)在前幾年提出下一個(gè)十年最有挑戰(zhàn)的六個(gè)問(wèn)題，其中包括未來(lái)的能源需求，下一代能源到底怎么來(lái)解決，這里面涉及到怎么節(jié)能、怎么儲(chǔ)能、怎么開發(fā)可再生新能源，這都是跟物理密切相關(guān)的。

再比如信息技術(shù)，現(xiàn)在集成電路的芯片集成度越來(lái)越高了，未來(lái)的集成電路到底應(yīng)該走哪條路，是電子作為一個(gè)信息載體，還是用電子的自旋作為信息載體，或者根本不是用電子的電荷與自旋作為信息載體，而是用電子的量子態(tài)作為信息載體？這樣將來(lái)就是用量子態(tài)疊加量子比特，作為未來(lái)信息技術(shù)的基礎(chǔ)。這個(gè)問(wèn)題是很重要的問(wèn)題。

再比如說(shuō)，我們現(xiàn)在講的納米，當(dāng)物質(zhì)小到一定程度，這時(shí)候更多是量子力學(xué)在起作用，這里面到底有什么新的東西，這是值得我們研究的。

又比如說(shuō)，我們生命的過(guò)程很復(fù)雜，它里面的物理基礎(chǔ)到底是什么？一些復(fù)雜現(xiàn)象到底是怎么從最簡(jiǎn)單的成分發(fā)展起來(lái)的？我們平時(shí)物理上對(duì)平衡態(tài)研究得比較清楚，但有很多遠(yuǎn)離平衡態(tài)的物質(zhì)過(guò)程是什么？這些問(wèn)題都是凝聚態(tài)物理要回答、要解決的問(wèn)題。這里面有大量的科學(xué)問(wèn)題，也有大量的應(yīng)用的實(shí)際問(wèn)題，它會(huì)引起很多高技術(shù)的根本改變，所以我覺(jué)得這個(gè)領(lǐng)域非常有前景。

第二個(gè)領(lǐng)域當(dāng)然是現(xiàn)在講得比較多的量子物理。量子物理最重要的一塊是什么呢？所謂的凝聚態(tài)物理，實(shí)際上都是以量子力學(xué)為基礎(chǔ)的，它本質(zhì)上都是量子物理。但是量子物理并不限于是凝聚態(tài)，它可以是原子、分子，也可以是光；可以作為一個(gè)信息載體，也可以研究量子現(xiàn)象。所以，量子物理與凝聚態(tài)物理既有交叉，又有不同的地方。對(duì)現(xiàn)在來(lái)講，量子物理最重要的是與信息技術(shù)密切相關(guān)。所以我覺(jué)得量子物理也是非常有發(fā)展前景的，特別是現(xiàn)在的量子計(jì)算機(jī)，可以算得非?？臁．?dāng)然，要真的實(shí)現(xiàn)一般的計(jì)算，這條路可能還很長(zhǎng)。但是一些特殊的應(yīng)用，可能會(huì)比較快地出現(xiàn)，比如某種算法，所以這是比較有應(yīng)用前景的。

第三個(gè)領(lǐng)域是所謂的冷原子領(lǐng)域。冷原子領(lǐng)域是原子、分子、光物理里面的一個(gè)分支領(lǐng)域，這涉及到愛因斯坦講的波色-愛因斯坦凝聚，這里面有很多的新現(xiàn)象，特別是它跟精密測(cè)量有關(guān)系。我們有很多全球定位系統(tǒng)、精密測(cè)量，都是要靠冷原子物理。我們的鐘要做得越來(lái)越準(zhǔn)確、精密，也是冷原子物理方面的應(yīng)用。

第四個(gè)領(lǐng)域是天體物理和宇宙學(xué)。這涉及到宇宙到底是怎么起源的？宇宙中的“暗物質(zhì)”是什么東西？這些現(xiàn)在還不清楚。這里面有很多吸引人的地方，這些問(wèn)題解決了也許會(huì)有革命性的改變，就像上世紀(jì)“兩朵烏云”一樣。

另外，粒子物理涉及到一個(gè)基本的大統(tǒng)一理論。我們的作用力有四種：強(qiáng)相互作用力、弱相互作用力、電磁作用力、引力。現(xiàn)在我們把前三種力都可以給它統(tǒng)一起來(lái)了，這是粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型，但是怎么把前面三種作用力跟引力給統(tǒng)一起來(lái)？粒子物理學(xué)家的一個(gè)野心當(dāng)然就是想把這四種力給統(tǒng)一起來(lái)，這樣也許對(duì)大自然會(huì)有更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。但是這里面涉及到一個(gè)困難，就是說(shuō)我們?cè)瓉?lái)通過(guò)加速器把粒子的能量給加大，然后讓兩個(gè)粒子來(lái)對(duì)撞，但是現(xiàn)在加速器的能量越大，造價(jià)越來(lái)越貴，而且要超出標(biāo)準(zhǔn)模型需要的加速器的能量不是幾倍的增強(qiáng)，而是幾個(gè)數(shù)量級(jí)的增加，這樣實(shí)驗(yàn)就會(huì)有比較大的困難。當(dāng)然，粒子物理也可以開辟其他途徑，比如可以跟天體物理結(jié)合。

最后一個(gè)最廣泛的領(lǐng)域就是應(yīng)用物理，怎么把物理應(yīng)用到各種高科技，應(yīng)用到國(guó)防、民生，這里面有大量的做不完的工作。

謝謝大家！

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