導(dǎo)語：物理學(xué)發(fā)展方向論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：回顧了物理學(xué)發(fā)展的歷史，討論了二十一世紀(jì)物理學(xué)發(fā)展的方向。認(rèn)為二十一世紀(jì)物理學(xué)將在三個方向上繼續(xù)發(fā)展：（1）在微觀方向上深入下去；（2）在宏觀方向上拓展開去；（3）深入探索各層次間的聯(lián)系，進一步發(fā)展非線性科學(xué)?？赡軕?yīng)該從兩方面去探尋現(xiàn)代物理學(xué)革命的突破口：（1）發(fā)現(xiàn)客觀世界中已知的四種力以外的其他力；（2）通過審思相對論和量子力學(xué)的理論基礎(chǔ)的不完善性，重新定義時間、空間，建立新的理論。

二十世紀(jì)即將結(jié)，二十一世紀(jì)即將來臨，二十世紀(jì)是光輝燦爛的一個世紀(jì)，是個類社會發(fā)展最迅速的一個世紀(jì)，是科學(xué)技術(shù)發(fā)展最迅速的一個世紀(jì)，也是物理學(xué)發(fā)展最迅速的一個世紀(jì)。在這一百年中發(fā)生了物理學(xué)革命，建立了相對信紙和量子力學(xué)，完成了從經(jīng)典物理學(xué)到現(xiàn)代物理學(xué)的轉(zhuǎn)變。在二十世紀(jì)二、三十年代以后，現(xiàn)代物理學(xué)在深度和廣度上有了進一步的蓬勃發(fā)展，產(chǎn)生了一系列的新學(xué)科的交叉學(xué)科、邊緣學(xué)科，人類對物質(zhì)世界的規(guī)律有了更深刻的認(rèn)識，物理學(xué)理論達到了一個新高度，現(xiàn)代物理學(xué)達到了成熟的階段。

在此世紀(jì)之交的時候，人們自然想展望一下二十一世紀(jì)物理學(xué)的發(fā)展前景，探索今后物理學(xué)發(fā)展的方向。我想談一談我對這個問題的一些看法和觀點。首先，我們來回顧一下上一個世紀(jì)之交物理學(xué)發(fā)展的情況，把當(dāng)前的情況與一百年前的情況作比較對于探索二十一世紀(jì)物理學(xué)發(fā)展的方向是很有幫助的。

一、歷史的回顧

十九世紀(jì)末二十世紀(jì)初，經(jīng)典物物學(xué)的各個分支學(xué)科均發(fā)展到了完善、成熟的階段，隨著熱力學(xué)和統(tǒng)計力學(xué)的建立以及麥克斯韋電磁場理論的建立，經(jīng)典物理學(xué)達到了它的頂峰，當(dāng)時人們以系統(tǒng)的形式描繪出一幅物理世界的清晰、完整的圖畫，幾乎能完美地解釋所有已經(jīng)觀察到的物理現(xiàn)象。由于經(jīng)典物理學(xué)的巨大成就，當(dāng)時不少物理學(xué)家產(chǎn)生了這樣一種思想：認(rèn)為物理學(xué)的大廈已經(jīng)建成，物理學(xué)的發(fā)展基本上已經(jīng)完成，人們對物理世界的解釋已經(jīng)達到了終點。物理學(xué)的一些基本的、原則的問題都已經(jīng)解決，剩下來的只是進一步精確化的問題，即在一些細(xì)節(jié)上作一些補充和修正，使已知公式中的各個常數(shù)測得更精確一些。

然而，在十九世紀(jì)末二十世紀(jì)初，正當(dāng)物理學(xué)家在慶賀物理學(xué)大廈落成之際，科學(xué)實驗卻發(fā)現(xiàn)了許多經(jīng)典物理學(xué)無法解釋的事實。首先是世紀(jì)之交物理學(xué)的三大發(fā)現(xiàn)：電子、X射線和放射性現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)。其次是經(jīng)典物理學(xué)的萬里晴空中出現(xiàn)了兩朵“烏云”：“以太漂移”的“零結(jié)果”和黑體輻射的“紫外災(zāi)難”。[1]這些實驗結(jié)果與經(jīng)典物理學(xué)的基本概念及基本理論有尖銳的矛盾，經(jīng)典物理學(xué)的傳統(tǒng)觀念受到巨大的沖擊，經(jīng)典物理發(fā)生了“嚴(yán)重的危機”。由此引起了物理學(xué)的一場偉大的革命。愛因斯坦創(chuàng)立了相對論；海林堡、薛定諤等一群科學(xué)家創(chuàng)立了量子力學(xué)?，F(xiàn)代物理學(xué)誕生了！

把物理學(xué)發(fā)展的現(xiàn)狀與上一個世紀(jì)之交的情況作比較，可以看到兩者之間有相似之外，也有不同之處。

在相對論和量子力學(xué)建立起來以后，現(xiàn)代物理學(xué)經(jīng)過七十多年的發(fā)展，已經(jīng)達到了成熟的階段。人類對物質(zhì)世界規(guī)律的認(rèn)識達到了空前的高度，用現(xiàn)有的理論幾乎能夠很好地解釋現(xiàn)在已知的一切物理現(xiàn)象?？梢哉f，現(xiàn)代物理學(xué)的大廈已經(jīng)建成。在這一點上，目前有情況與上一個世紀(jì)之交的情況很相似。因此，有少數(shù)物理學(xué)家認(rèn)為今后物理學(xué)不會有革命性的進展了，物理學(xué)的根本性的問題、原則問題都已經(jīng)解決了，今后能做到的只是在現(xiàn)有理論的基礎(chǔ)上在深度和廣度兩方面發(fā)展現(xiàn)代物理學(xué)，對現(xiàn)有的理論作一些補充和修正。然而，由于有了一百年前的歷史經(jīng)驗，多數(shù)物理學(xué)家并不贊成這種觀點，他們相信物理學(xué)遲早會有突破性的發(fā)展。另一方面，雖然在微觀世界和宇宙學(xué)領(lǐng)域中有一些物理現(xiàn)象是現(xiàn)代物理學(xué)的理論不能很好地解釋的，但是這些矛盾并不是嚴(yán)重到了非要徹底改造現(xiàn)有理認(rèn)紗可的程度。在這方面，目前的情況與上一個世紀(jì)之交的情況不同。在上一個世紀(jì)之交，經(jīng)典物理學(xué)發(fā)生了“嚴(yán)重的危機”；而在本世紀(jì)之交，現(xiàn)代物理學(xué)并無“危機”。因此，我認(rèn)為目前發(fā)生現(xiàn)代物理學(xué)革命的條件似乎尚不成熟。

雖然在微觀世界和宇宙學(xué)領(lǐng)域中有一些物理現(xiàn)象是現(xiàn)代物理學(xué)的理論不能很好地解釋的，但是這些矛盾并不是嚴(yán)重到了非要徹底改造現(xiàn)有理認(rèn)紗可的程度。在這方面，目前的情況與上一個世紀(jì)之交的情況不同。在上一個世紀(jì)之交，經(jīng)典物理學(xué)發(fā)生了“嚴(yán)重的危機”；而在本世紀(jì)之交，現(xiàn)代物理學(xué)并無“危機”。因此，我認(rèn)為目前發(fā)生現(xiàn)代物理學(xué)革命的條件似乎尚不成熟。客觀物質(zhì)世界是分層次的。一般說來，每個層次中的體系都由大量的小體系（屬于下一個層次）構(gòu)成。從一定意義上說，宏觀與微觀是相對的，宏觀體系由大量的微觀系統(tǒng)構(gòu)成。物質(zhì)世界從微觀到宏觀分成很多層次。物理學(xué)研究的目的包括：探索各層次的運動規(guī)律和探索各層次間的聯(lián)系?；仡櫠兰o(jì)物理學(xué)的發(fā)展，是在三個方向上前進的。在二十一世紀(jì)，物理學(xué)也將在這三個方向上繼續(xù)向前發(fā)展。

1）在微觀方向上深入下去。在這個方向上，我們已經(jīng)了解了原子核的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了大量的基本粒子及其運規(guī)律，建立了核物理學(xué)和粒子物理學(xué)，認(rèn)識到強子是由夸克構(gòu)成的。今后可能會有新的進展。但如果要探索更深層次的現(xiàn)象，必須有更強大得多的加速器，而這是非常艱巨的任務(wù)，所以我認(rèn)為近期內(nèi)在這個方向上難以有突破性的進展。

2）在宏觀方向上拓展開去。1948年美國的伽莫夫提出“大爆炸”理論，當(dāng)時并未引起重視。1965年美國的彭齊亞斯和威爾遜觀測到宇宙背景輻射，再加上其他的觀測結(jié)果，為“大爆炸”理論提供了有力的證據(jù)，從此“大爆炸”理論得到廣泛的支持，1981年日本的佐藤勝彥和美國的古斯同時提出暴脹理論。八十年代以后，英國的霍金[2,3]等人開始論述宇宙的創(chuàng)生，認(rèn)為宇宙從“無”誕生，今后在這個方向上將會繼續(xù)有所發(fā)展。從根本上來說，現(xiàn)代宇宙學(xué)的繼續(xù)發(fā)展有賴于向廣漠的宇宙更遙遠(yuǎn)處觀測的新結(jié)果，這需要人類制造出比哈勃望遠(yuǎn)鏡性能更優(yōu)越得多的、各個波段的太空天文望遠(yuǎn)鏡，這是很艱巨的任務(wù)。

我個人對于近年來提出的宇宙創(chuàng)生學(xué)說是不太信的，并且認(rèn)為“大爆炸”理論只是對宇宙的一個近似的描述。因為現(xiàn)在的宇宙學(xué)研究的只是我們能觀測到的范圍以內(nèi)的“宇宙”，而我相信宇宙是無限的，在我們這個“宇宙”以外還有無數(shù)個“宇宙”，這些宇宙不是互不相干、各自孤立的，而是互相有影響、有作用的?，F(xiàn)代宇宙學(xué)只研究我們這個“宇宙”，當(dāng)然只能得到近似的結(jié)果，把他們的延伸到“宇宙”創(chuàng)生了初及遙遠(yuǎn)的未來，則失誤更大。

3）深入探索各層次間的聯(lián)系。

這正是統(tǒng)計物理學(xué)研究的主要內(nèi)容。二十世紀(jì)在這方面取得了巨大的成就，先是非平衡態(tài)統(tǒng)計物理學(xué)有了得大的發(fā)展，然后建立了“耗散結(jié)構(gòu)”理論、協(xié)同論和突變論，接著混沌論和分形論相繼發(fā)展起來了。近年來把這些分支學(xué)科都納入非線性科學(xué)的范疇。相信在二十一世紀(jì)非線性科學(xué)的發(fā)展有廣闊的前景。

上述的物理學(xué)的發(fā)展依然現(xiàn)代物理學(xué)現(xiàn)有的基本理論的框架內(nèi)。在下個世紀(jì)，物理學(xué)的基本理論應(yīng)該怎樣發(fā)展呢？有一些物理學(xué)家在追求“超統(tǒng)一理論”。在這方面，起初是愛因斯坦、海森堡等天才科學(xué)家努力探索“統(tǒng)一場論”；直到1967、1968年，美國的溫伯格和巴基斯坦的薩拉姆提出統(tǒng)一電磁力和弱力的“電弱理論”；目前有一些物理學(xué)家正在探索加上強力的“大統(tǒng)一理論”以及再加上引力把四種力都統(tǒng)一起來的“超統(tǒng)一理論”，他們的探索能否成功尚未定論。

愛因斯坦當(dāng)初探索“統(tǒng)一場論”是基于他的“物理世界統(tǒng)一性”的思想[4]，但是他努力探索了三十年，最終沒有成功。我對此有不同的觀點，根據(jù)辯證唯物主義的基本原理，我認(rèn)為“物質(zhì)世界是既統(tǒng)一，又多樣化的”。且莫論追求“超統(tǒng)一理論”能否成功，即便此理論完成了，它也不是物理學(xué)發(fā)展的終點。因為“在絕對的總的宇宙發(fā)展過程中，各個具體過程的發(fā)展都是相對的，因而在絕對真理的長河中，人們對于在各個一定發(fā)展階段上的具體過程的認(rèn)識只具有相對的真理性。無數(shù)相對的真理之總和，就是絕對的真理。”“人們在實踐中對于真理的認(rèn)識也就永遠(yuǎn)沒有完結(jié)?！盵5]

現(xiàn)代物理學(xué)的革命將怎樣發(fā)生呢？我認(rèn)為可能有兩個方面值得考試：

1）客觀世界可能不是只有四種力。第五、第六……種力究竟何在呢？現(xiàn)在我們不知道。我的直覺是：將來最早發(fā)現(xiàn)的第五種力可能存在于生命現(xiàn)象中。物質(zhì)構(gòu)成了生命體之后，其運動和變化實在太奧妙了，我們沒有認(rèn)識的問題實在太多了，我們今天對于生命科學(xué)的認(rèn)識猶如亞里斯多德時代的人們對于物理學(xué)的認(rèn)識，因此在這方面取得突破性的進展是很可能的。我認(rèn)為，物理學(xué)業(yè)與生命科學(xué)的交叉點是二十一世紀(jì)物理學(xué)發(fā)展的方向之一，與此有關(guān)的最關(guān)于復(fù)雜性研究的非線性科學(xué)的發(fā)展。2）現(xiàn)代物理學(xué)理論也只是相對真理，而不是絕對真理。應(yīng)該通過審思現(xiàn)代物理學(xué)理論基礎(chǔ)的不完善性來探尋現(xiàn)代物理學(xué)革命的突破口，在下一節(jié)中將介紹我的觀點。

三、現(xiàn)代物理學(xué)的理論基礎(chǔ)是完美的嗎？

相對論和量子力學(xué)是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱，這兩大支柱的理論基礎(chǔ)是否十全十美的

呢？我們來審思一下這個問題。

1）對相對論的審思

當(dāng)年愛因斯坦就是從關(guān)于光速和關(guān)于時間要領(lǐng)的思考開始，創(chuàng)立了狹義相對論[1]。我們今天探尋現(xiàn)代物理學(xué)革命的突破口，也應(yīng)該從重新審思時空的概念入手。愛因勞動保護坦創(chuàng)立狹義相對論是從講座慣性系中不同地點的兩個“事件”的同時性開始的[4]，他規(guī)定用光信號校正不同地點的兩個時鐘來定義“同時”，這樣就很自然地導(dǎo)出了洛侖茲變換，進一步導(dǎo)致一個四維時空（x，y，z，ict）（c是光速）。為什么愛因勞動保護擔(dān)提出用光信號來校正時鐘，而不用別的信號呢？在他的論文中沒有說明這個問題，其實這是有深刻含意的。

時間、空間是物質(zhì)運動的表現(xiàn)形式，不能脫離物理質(zhì)運動談?wù)摃r間、空間，在定義時空時應(yīng)該說明是關(guān)于什么運動的時空?，F(xiàn)代物理學(xué)認(rèn)為超距作用是不存在的，A處發(fā)生的“事件”影響B(tài)處的“事件”必須通過一定的場傳遞過去，傳遞需要一定的時間，時間、空間的定義與這個傳遞速度是密切相關(guān)的。如果這種場是電磁場，則電磁相互作用傳遞的速度就是光速。因此，愛因斯坦定義的時空實際上是關(guān)于由電磁相互作用引起的物質(zhì)運動的時空，適用于描述這種運動。

愛因斯坦把他定義的時間應(yīng)用于所有的物質(zhì)運動，實際上就暗含了這樣的假設(shè)：引力相互作用的傳遞速度也是光速c.但是引力相互作用是否也是以光速傳遞的呢？令引力相互作用的傳遞速度為c＇。至今為止，并無實驗事實證明c＇等于c。愛因斯坦因他的“物質(zhì)世界統(tǒng)一性”的世界觀而在實際上假定了c=c＇。我持有“物質(zhì)世界既統(tǒng)一，又多樣化的”以觀點，再加之電磁力和引力的強度在數(shù)量級上相差太多，因此我相相信c＇可能不等于c。工樣，關(guān)于由電磁力引起的物質(zhì)運動的四維時空（x，y，z，ict）和關(guān)于由引力引起的運動的時空（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）是不同的。如果研究的問題只涉及一種相互作用，則按照現(xiàn)在的理論建立起來的運動方程的形式不變。例如，愛因斯坦引力場方程的形式不變，只需把常數(shù)c改為c＇。如果研究的問題涉及兩種相互作用，則需要建立新的理論。不過，首要的事情是由實驗事實來判斷c＇和c是否相等；如果不相等，需要導(dǎo)出c＇的數(shù)值。

我在二十多年前開始形成上述觀點，當(dāng)時測量引力波是眾所矚目的一個熱點，我曾對那些實驗寄予厚望，希望能從實驗結(jié)果推算出c＇是否等于c。令人遺憾的是，經(jīng)過長斯的努力引引力波實驗沒有獲得肯定的結(jié)果，隨后這項工作冷下去了。根據(jù)愛國斯坦理論預(yù)言的引力波是微弱的，如果在現(xiàn)代實驗技術(shù)能夠達到的測量靈敏度和準(zhǔn)確度之下，這樣弱的引力波應(yīng)該能夠探測到的話，長期的實驗得不到肯定的結(jié)果似乎暗示了害因斯坦理論的缺點。應(yīng)該從c＇可能不等于c這個角度來考慮問題，如果c＇和c有較大的差異，則可能導(dǎo)出引力波的強度比根據(jù)愛因勞動保護坦理論預(yù)言的強度弱得多的結(jié)果。

弱力、強力與引力、電磁力有本質(zhì)的不同，前兩者是短程力，后兩者是長程力。不同的相互作用是通過傳遞不同的媒介粒子而實現(xiàn)的。引力相互作用的傳遞者是引力子；電磁相互作用的傳遞者是光子；弱相互作用的傳遞者是規(guī)范粒子（光子除外）；強相互作用的傳遞者是介子。引力子和光子的靜質(zhì)量為零，按照愛因斯坦的理論，引力相互作用和電磁相互作用的傳遞速度都是光速。并且與傳遞粒子的靜質(zhì)量和能量有關(guān)，因而其傳遞速度是多種多樣的。

在研究由弱或強相互作用引起的物質(zhì)運動時，定義慣性系中不同的地點的兩個“事件”的“同時”，是否應(yīng)該用弱力或強力信號取代光信號呢？我對核物理學(xué)和粒子物理學(xué)是外行，不想貿(mào)然回答這個問題。如果應(yīng)該用弱力或強力信號取代光信號，那么關(guān)于由弱力或強力引起的物質(zhì)運動的時空和關(guān)于由電磁力引起的運動的時空（x，y，z，ict）及關(guān)于由引力引起的運動的時空（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）有很大的不同。設(shè)弱或強相互作用的傳遞速度為c＇＇，c＇＇不是常數(shù)，而是可變的，則關(guān)于由弱或強力引起的運動的時空為（x＇＇，y＇＇，z＇＇，Ic＇＇t＇＇），時間t＇＇和空間（x＇＇，y＇＇，z＇＇）將是c＇的函數(shù)。然而，很可能應(yīng)該這樣來考慮問題：關(guān)于由弱力引起的運動的時空，在定義中應(yīng)該以規(guī)范粒子的靜質(zhì)量取作零時的速度c1取代光速c。由于“電弱理論”把弱力和電磁力統(tǒng)一起來了，因此有可能c1=c，則關(guān)于由弱力引起的運動的時空和關(guān)于由電磁力引起的運動的時空是相同的，同為（x，y，z，ict）。關(guān)于由強力引起的運動的時空，在定義中應(yīng)該以介子的靜質(zhì)量取作零（在理論上取作零，在實際上沒有靜質(zhì)量為零的介子）時的速度c＇＇取代光速c，c＇＇可能不等于c。則關(guān)于由強力引起的運動的時空（x＇＇，y＇＇，z＇＇，Ic＇＇t＇＇）不同于（x，y，z，ict）或（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）。無論上述兩種考慮中哪一種是對的，整個物質(zhì)世界的時空將是高于四維的多維時空。對于由短程力（或只是強力）引起的物質(zhì)運動，如果時空有了新的一義，就需要建立新的理論，也就是說需要建立新的量子場論、新的核物理學(xué)和新的粒子物理學(xué)等。如果研究的問題既清及長程力，又涉及短程力（尤其是強力），則更需要建立新的理論。

1）對量子力學(xué)的審思

從量子力學(xué)發(fā)展到量子場論的時候，遇到了“發(fā)散困難”[6]。1946——1949年間，日本的朝永振一郎、美國的費曼和施溫格提出“重整化”方法，克服了“發(fā)散困難”。但是“重整化”理論仍然存在著邏輯上的缺陷，并沒有徹底克服這一困難?！鞍l(fā)散困難”的一個基本原因是粒子的“固有”能量（靜止能量）與運動能量、相互作用能量合在一起計算[6]，這與德布羅意波在υ=0時的異性。

現(xiàn)在我陷入一個兩難的處境：如果采用傳統(tǒng)的德布羅意關(guān)系，就只得接受不合理的德布羅意波奇異性；如果采納修正的德布羅意關(guān)系，就必須面對使新的理論滿足相對論協(xié)變性的難題。是否有解決問題的其他途徑呢？我認(rèn)為這個問題或許還與時間、空間的定義有關(guān)。現(xiàn)在的量子力學(xué)理論中時寬人的定義實質(zhì)上依然是決定論的定義，而不確定原理是微觀世界的一條基本規(guī)律，所以時間、空間都不是嚴(yán)格確定的，決定論的時空要領(lǐng)不再適用。在時間或空間的間隔非常小的時候，描寫事情順序的“前”、“后”概念將失去意義。此外，在重新定義時空時還應(yīng)考慮相關(guān)的物質(zhì)運動的類別。模糊數(shù)學(xué)已經(jīng)發(fā)展得相當(dāng)成熟了，把這個數(shù)學(xué)工具用到微觀世界時空的定義中去可能是很值得一試的。

1）在二十一世紀(jì)物理學(xué)將在三個方向上繼續(xù)向前發(fā)展（1）在微觀方向上深入下去；（2）在宏觀方向上拓展開去；（3）深入探索各層次間的聯(lián)系，進一步發(fā)展非線性科學(xué)。

2）可能應(yīng)該從兩方面去控尋現(xiàn)代物理學(xué)革命的突破口。（1）發(fā)現(xiàn)客觀世界中已知的四種力以外的其他力；（2）通過審思相對論和量子力學(xué)的理論基礎(chǔ)，重新定義時間、空間，建立新的理論

3）由于現(xiàn)代物理學(xué)尚未發(fā)生“危機”，因此目前發(fā)生現(xiàn)代物理學(xué)革命的條件也許還不成熟，物理學(xué)的發(fā)展和物理學(xué)革命都有賴于在物理實驗和對客觀物質(zhì)世界的觀測中獲得新的結(jié)果，實驗和觀測是發(fā)展物理學(xué)的量重要手段，這是我們要關(guān)注的首要問題。然而，科學(xué)的發(fā)展和物理學(xué)的發(fā)展有本身的邏輯，符合客觀規(guī)律的、有真知灼見的思維也是一個關(guān)鍵。

我的觀點與眾不同，可能不算什么真知灼見，也可能被有些人認(rèn)為是不合常規(guī)、有悖常理的。然而我期望這些觀點能起到拋磚引玉的作用，引出大量有真知灼見的“玉”。當(dāng)不合目前的“常規(guī)”和“常理”的思想在物理學(xué)花園中百花盛開的時候，我們將迎來物理學(xué)更光輝燦爛的明天！