對２１世紀物理學發展的思考

編者的話：

這是一篇關于21世紀物理學發展的短文，奉獻給廣大讀者的卻是一份沉甸甸的思考，一份對本世紀未來的美好展望。在這個物欲橫流的年代，一個年僅16歲的高二學生甘愿忍受寂寞，苦心孤詣地去關注物理世界的大話題，相信廣大讀者涌起的驚訝會與編者相似。短短的2個月間，我們接連收到了李山同學的數篇來稿，其中他對“哥德巴赫猜想”的猜想，令人一目。發現新人，扶持新銳，是《知識窗》的辦刊宗旨。本著這一愿望，我們特發此文，希望得到廣大讀者的關注與探討。

(一)回顧

我們不妨先回顧一下20世紀物理學領域發生了什么——

20世紀中前期，物理學的發展都是同人類一位無與倫比的天才息息相關的，正是他，顛覆了人類舊有的物理學觀念，也正是他，開創了物理學發展的新紀元。

19世紀中期，能量守恒和轉化定律的發現、熱力統計學的建立，特別是法拉第和麥克斯韋在電磁力學上的發現，使得經歷了近200年的發展，由伽利略和牛頓建立的古典物理學理論體系取得了史無前例的輝煌，古典物理學也由此達到頂峰。這些輝煌的成就使得當時不少物理學家都認為，在物理學領域里，原則性的理論體系已經建成，留給后人的，只不過是細節方面的補充和發展。

然而到19世紀末期，形勢就發生了驚人的大逆轉——歷史的進程恰恰相反，一連串用古典物理學理論無法解釋的現象接踵而來：以太漂移實驗，元素放射性，電子運動，黑體輻射等等。在這樣的新形勢下，不少物理學家都試圖在舊的古典物理學框架內部，用進行修補的辦法來解決矛盾，但他們的努力卻一一遭到失敗。

終于在20世紀初期，物理學爆發了人類歷史上第一次革命——相對論革命。愛因斯坦以天才的語言徹底推翻了歷史悠久的物理學概念，提出了狹義廣義相對論，從而成功地解決了物理學矛盾。在相對論革命中，質能方程E=MC的提出更為人類提供了一種新能源——核能，所以相對論革命也是一次偉大的能源革命；愛因斯坦又從根本上改變了人類對時間、空間、運動和物質等基本概念的認識，因而相對論革命又是人類歷史上一次重大的思想革命。

經過相對論革命后，物理學的發展達到了一個史無前例的頂峰，相對論革命的輝煌成就，又使得當時不少物理學家認為：物理學領域里原則性的理論已徹底建成，留給后人的，只不過是細節方面的補充和發展。

然而到了20世紀末期，形勢發生了驚人的大逆轉，歷史又呈現了極度驚人的相似，接踵而來的又是一系列讓相對論物理學無法解釋的現象，其中最具代表性的就是當今的物理學三大懸案：統一力學之謎、基本粒子之謎、宇宙形成及暗反物質之謎。在這樣的新形勢下，不少物理學家都試圖在相對論物理體系內，用進行修補的辦法來解決矛盾，但迄今為止，他們的行動都失敗了!

統一力學之謎

力學是物理學最主要也是最重要的分支。17世紀，現代物理學的鼻祖牛頓在繼承前人的基礎上總結出了三大運動定律，并建立起了以萬有引力定律為主體的經典力學體系，但其力學理論只適合解決宏觀低速運動。進入20世紀，以愛因斯坦為首的一代物理學家，則跳出牛頓力學的框架，建立起了解決宏觀高速運動(主要是電磁力)的量子力學體系。這樣在當今物理學力學領域就聳立了兩座大廈：一座是牛頓經典力學，一座是愛因斯坦量子力學。

愛因斯坦在晚年曾試圖把萬有引力同電磁力統一起來，盡管他的努力未獲成功，但他的思想卻在物理學界產生了深遠的影響。愛因斯坦逝世后，世界上再沒有出現革命性的理論物理學家，而統一力學也漸漸淡出物理的主流研究。

基本粒子之謎

與力學受冷落相反，基本粒子是當今物理學研究最最熱門的課題。

基本粒子，原意是指內部結構不可再分的物質基本單元。早在19世紀中期，英國的道爾頓和意大利的阿伏加德羅就建立了原子——分子論：任何物質都是由分子或原子構成的，原子是不可再分割的微粒。但到19世紀末，經過湯姆生、盧瑟福、玻爾、查德威克等人的共同努力，又發現了電子、質子和中子，并且知道質子和中子組成原子核，原子核和電子組成原子，這時人們就把電子、質子和中子稱為組成物質的最基本粒子，簡稱基本粒子。

隨著科學技術的發展，從20世紀30年代以來，人們又源源不斷地從宇宙射線和原子核實驗中發現了大量的新基本粒子，例如正電子、超子、介子、反粒子等等，這些新基本粒子現已經發現了幾百種之多，而且預計還有尚未發現的。

迄今為止，尚未有一種理論能解釋這一奇怪現象，也沒有一種理論能夠統一這幾百種粒子，包括當今最流行的夸克模型在內。

值得一提的是，在過去幾十年中，有不少從事基本粒子研究的物理學家榮獲諾貝爾獎，其中就有美籍華裔巨擘丁肇中和朱棣文。

宇宙形成及暗反物質之謎

迄今為止，大家普遍認為宇宙是由大爆炸形成的，但具體說法國際上還存在相當大的爭議。“暗物質”是在20世紀30年代由天文學家提出的。與“哥德巴赫猜想”一樣，“暗物質說”也是有概念而無實體，也就是說，直到現在還沒有誰能最終證明所謂“暗物質”的存在。

天文學家卻對“暗物質”給予高度評價，他們聲稱通過觀察，宇宙中90％以上是“暗物質”。有的天文學家還認為，就算把宇宙中所有的物質(指地球、恒星、行星等可見物質)都移去也不會影響整個宇宙的命運，因為真正主宰宇宙命運的上帝是“暗物質”。因而可以說“暗物質”的發現和研究對整個物理學是個巨大的挑戰，一旦把它找到，整個物理學就得改寫。

在物理學界又有一種“反物質”的說法，物理學家大都認為：宇宙在大爆炸之初，產生了正物質和反物質，我們居住的是正物質宇宙，而事實上還有一個反物質宇宙!反物質宇宙在哪里?什么樣?有外星人嗎?跟UFO又有什么關系?

以上的三個謎難道只有“天”才知道嗎?

(二)預測

假如讓一個性急的人下一個預測，那他也許會說，在2005年我們就能見證物理學的又一場革命；假如從科學的角度出發，我們卻可以下一個肯定的結論：21世紀必然要發生物理學革命!

從歷史上看，人類的認識總是由不完善到相對完善，相對完善后，隨著科學技術的進步，人類肯定又會再積聚一些問題，當積聚達到一定程度時肯定就會發生革命——各個領域都一樣，物理學領域尤為明顯。

要掀起物理學革命肯定需要一位天才人物來領導，他是誰?他又怎樣去解決當今的物理學三大懸案?我們不妨先作一些大膽的猜測：

首先，他肯定會非常年輕，甚至年輕到我們意想不到的程度，這跟相對論革命會有著相似之處——1905年愛因斯坦提出狹義相對論時年僅26歲!

第二，他極有可能是一個“門外漢”，一個極度聰明的“門外漢”，就像相對論革命一樣，真正起來領導一次成功革命的，不是哪個國家大名鼎鼎的科學教授，相反僅是一個在瑞士伯爾尼專利局默默工作、默默奮斗的小公務員(1902-1909年愛因斯坦在伯爾尼專利局當了7年審查員)!

注意!以上兩個結論是非常有科學道理的：人類科學的進步就是一個不斷否定舊理論和提出新觀點的過程，而他的年輕就注定他會有一個開放、喜歡探究和充滿活力的頭腦，“門外漢”的身份則為他敢于向權威挑戰提供了可能!

他在哪里?他是誰?讓我們一同期待!