〔提要〕：从原子核核心深处的夸克到宇宙最远处的巨星的崩溃，从爱因斯坦梦想的自然力统一理论的部分实现到在技术、医学和整个现代社会的实际应用，物理学对人类认识宇宙和提高生活质量继续起着深刻的影吻。作者认为，就新发现、新见解以及提出的新问题而论，物理学在过去几年里是在物理学历史中卓有成效的几年，并选择了这门基础科学中一些最重要的新发表提要地加以阐述。

人类对自然宇宙方面的知识中一些普适和永久的部分构成了物理学：说它是普适的，因为在地面实验室中证实的性质假定在宇宙最远处也是成立的；说它是永久的，因为我们现在获得的对自然界的新的了解，一旦确证了，假定对开天辟地的宇宙洪荒时代以及遥远的将来都是成立的。虽然物理学经常是科学中最深奥的，但它的应用深刻地影响着每一个人的生活。昨天的物理学前沿常常证明在明天就有它的实际应用。

过去五年是二十年代后期量子力学发现后，物理学最振奋人心、最艰难复杂而又富有成果的五年。我们似乎处在比以往更为基本的层次上对物理现象作全新理解的前夕。令人高兴的是，我们发现，与成为过去几十年中物理学特点的支离破碎（实际上许多别的学科也是如此）相反，又一次出现了物理学的内在统一与和谐。在一个分支中发展起来的概念和技术迅速地在其它领域采用，使整个物理学丰富多彩。

显然，对物理学这个如此活跃的领域，一篇简短的综述是不可能完整的。为此在本文中，我只是想努力在物理学的每一主要部门中，选择可以说明物理的复兴的以及我相信在未来几年里将出现重大进展的方面。我的叙述将按照自然的层次，即从微观到宏观，从原子核的深处到已知宇宙的边缘。

基本粒子物理

由于涉及到物质的最终基本结构、基本作用力以及自然的对称性，基本粒子物理必然求助于更高的能量以探索至更短的距离并确立自然所选择的规律。

1974年是物理学的奇迹年。这一年不仅出现了对自然中新物质构成单元新的证据（发现ψ粒子），而且第一次出现了把电磁与弱核力（与放射性有关）、强核力（与束缚核力和核能有关）融为一体的大统一理论。

1974年以前，在付出了巨大的努力之后，实验物理学家和理论物理学家得出了共同的结论：普天之下，所有物质都是用三种有质量的、带有分数电荷的实体——夸克组成的。ψ粒子的发现表明，还存在具有称为“粲”的全新量子特性的第四种夸克；在过去二年中，在更高的能量发现的Υ粒子证明，存在具有“底”量子特性的第五种夸克（见图1）。几乎所有物理学家都确信，根据对称性理论，当实验工作者可以达到更高一点的能量时，将会发现具有“顶”量子特性的第六种夸克。现在美国（布鲁克海文和斯坦福）和欧洲（日内瓦和汉堡）正在建造进行这种实验的设备。

这些夸克是强子的构成单元，强子是通过强核力相互作用的粒子。强子有两类，一类是重子，重子中最轻的成员是质子，重子的成员全由不同组合的三种夸克组成。另一类是介子，介子中最轻的成员是π介子，介子假设全由不同夸克 - 反夸克的组合组成。

虽然有报道说观察到了自由夸克，是通过其特征电荷识别出来的，其电荷必须是电子和质子电荷的分数。但现在大多数物理学家确信，束缚夸克的力使自由夸克永远不能分离，要分离它，只能产生夸克 - 反夸克对（即介子）。当然，这并不妨碍对夸克的深入研究，即使它们有可能永远被束缚在强子内部也罢，随着探测能量的不断提高，这些研究的重要性将日益增加。

自然已给予我们三种轻子：一种是众所周知的电子，一种是较重的μ介子，还有一种是最近发现的更重的τ粒子；这些粒子一般认为是无结构的点粒子，它们各有一相应的不同的中微子。这些粒子组成轻子族，它们通过弱核力相互作用。直至最近，对中微子的所有测量，都和三种静止质量为零的、以光速行进的、并具有特殊手征性的中微子的结论一致。新的尚未证实的资料看来支持下面的设想：三种中微子没有实质上的区别，在一段时间内，彼此“振荡”转移，在每种表现形式中度过其部分寿命。必然的推论是：电子和μ中微子的质量不精确为零，而τ中微子可以有很大的质量。在一些初步和带推测性的模型中，它携带着观测到的宇宙中长期以来一直在寻找着的失去的那部分质量，但所有这一切还有待作进一步的研究。

至今，我们有了六种夸克和六种轻子，一个非常根本的问题是：是否还会找到更多的这种粒子。如图1所示，我们现在只仅搜集至11 Gev的能量，并发现了五种夸克。当布鲁克海文的Isabelle机器达到800 Gev的高能量时，我们只能再找到一个粒子难道是合乎逻辑的吗？确实，有一些初步的理论说明，情况可能就是这样。群论已为我们了解粒子物理的对称性和谱提供了统一的数学工具，但SU（6）群在描述自然上的成功，许多物理学家感到在哲学上有点困难。为什么不是SU（9）或SU（17）？然而，最近有迹象表明，自然可能按照E8群组织起来。E8群是数学奇珍中最复杂的一个五成员封闭族，即李群。如果事情真是这样，那么只有六种夸克和六种轻子。物理学家面前悬而未决的主要问题之—是，是否微观世界的复杂性是有限的——像E8群所示那样，一旦可达到更高的能量时，就会出现寻找如图1所示尖峰的国际性热潮，尖峰是全新的实体的独特的迹象。如果出现新实体，显然的问题是是否还有更基本的构成夸克的实体。虽然还没有很牢靠的基础，初步的理论已在发展之中，这一理论认为自然界万物都是两个实体的组合，即所谓的毛粒子或里许粒子（根据理论缔造者的名字命名的）的组合形成的。

与上述有关构成单元的工作同时进行的还有自然力的大统一理论。多亏麦克斯韦的天才，人们才认识到电和磁是同一个事物，和量子力学相结合，产生了量子电动力学，这是我们已知的最精确的、最彻底检验过的理论。这个理论描述传递电磁力的光子，换句话说，是电磁场的粒子。去年，汉堡和其它地方的先行实验提供了存在胶子的第一个直接证据，它属于强核场的粒子，从统一理论，又发展了有可能统一地描述电磁力与弱核力、强核力的量子色动力学理论。最近的斯坦福——耶鲁的实验提供了支持弱核力和电磁力统一的直接证据。在这一实验中32 Gev极化的电子为质子和氘核所散射。

然而，到目前为止，尽管作了深入的探测，我们没有找到与弱核场相对应的粒子——所谓中间玻色子。我们的结论是，这些粒子极重，因此要高得多的能量才能产生它们，它们是粒子物理学中另一个重要探索课题的对象。与没有电荷的光子相反，我们知道，中间玻色子必须形成一个三重族：两个质量相同而电荷相等相反（W^±），另一个重得多而不带电荷（Z°）。虽然我们不能精确指出这些玻色子的质量，但其质量比却是量子色动力学的一个关键性参数，它的测量将为这一理论作出关键性的检验。目前的理论提出，质量当量分别为80和90 Gev。

大统一理论最惊人的一个预言是，重子和轻子族不是完全分开的（通常假设它们是分开的），质子能够并且最终必须衰变成较轻的轻子，很可能衰变成一个正电子和一个不带电荷的π介子。为了产生这种衰变，必须有一个全新的耦合重子和轻子的场，从质子寿命测量的下限长达10³⁶年这一事实出发，可以认为，这个新场的粒子（现在有时称作轻子夸克）必须有一个相当于10¹⁵ Gev的巨大质量，实际上比细菌还要重，远远超过地球上所能达到的任何能量。因此这种粒子将永远看不到，但从原则上我们能探测到质子的衰变，即使衰变率小到人必须活几百年，他身体中才会衰变掉一个质子。美国已在进行两个大型实验，据称对寿命长达10³³年的质子是灵敏的，而统一理论预言的寿命为10³¹年。如果观测到这种衰变，对统一场理论将是一个有力的证明。

为了实现爱因斯坦的统一的梦想，在统一理论中必须把引力包括在内；令人高兴的是，最近几年在超引力理论方面有了重要的进展，其中，走向统一的第一步，即引力场的量子化已取得成功。初看起来，又出现了个新的希奇古怪的场。过去在物理学中有个信条，认为具有质子自旋奇数倍的粒子（费米子）和具有质子自旋偶数倍的粒子（玻色子）形成服从不同统计规律的各不相同的族；仅仅一个费米子但有无数个玻色子可以占有一个给定的量子态。然而在超引力中，有两个预言的场粒子——一个是引力子（玻色子），另一个是引力中微子（费米子）——该理论要求有包括两者的超对称性。虽然到目前为止没有观察到这些场粒子中的任何一个，但对引力子，正在进行广泛的探测，因为人们认为引力子是我们银河系或附近星系中超新星爆炸过程中的产物。这也是基本粒子物理学的前沿阵地之一。

大统一理论中最根本的是下述的物理概念，即当进入愈来愈小的距离时，电磁力、弱力和引力变得愈来愈强，而强力变得愈来愈弱。在我们：现在的测量中，我们很像传说中摸象的盲人；我们对基本自然力的印字完全取决于我们从什么方向去探索它。

如果我们能成功地描述自然界的基本构造单元和基本力，它将是人类智力活动最伟大的胜利。与此同时，我们不得不承认，尽管量子力学在描述物理宇宙中是非常成功的，但在经过五十多年之后，我们仍没有大家都接受的量子力学的哲学解释。所谓量子力学的隐变量解释，打算恢复一些决定论，（不存在决定论使不少人感到不高兴），仍继续进行积极的讨论和检验。

原子核物理

核子在粒子物理的几体问题和等离子体和金属物理的多体问题之间形成一个重要的桥梁，在多体问题中只适用统计方法。在原子核中，相互作用的核子（中子和质子）的数目大到足以产生丰富的阵列现象，而同时又小到至少在可能的范围内足以进行微观的理解，图2是原子核的领域图。

与粒子物理的情况相类似（见图1），在核物理学家作了精确测量的每一个较高的能量处，找到了象征核运动新方式的清晰结构。已发现百倍于质子自旋的固有自旋，就像奇异分子态所具有的那样。在某些特殊能量处、核子把它们自己排成清晰的小单位，它们以庄严的小舞步彼此作相对运动。过去几年中，已收集到这方面的以及较简单的核量子态的有价值的资料。

最近几年中最引人注目的发现是、这些量子态也能根据极简单的根本的构造单元（它服从群论的简单原理）来理解，这和粒子物理的情况相似。

原来在经验基础上假设，后来理解并证明是反映基本核子 - 核子力的已知特性的这些构造单元是核子对。在低能时，只包括两种核子对：一种带有零总角动量（s玻色子），另一种带有两个单位的角动量（d玻色子）。较高的能量时认为有更高的f和g玻色子，但它们尚未被发现。包括s和d玻色子和它们的相互作用的模型，在描绘整个周期表上的核数据上已取得显著的成功，较早的旋转和振动集体模型，作为玻色子模型在有限核质量区中的特殊情况。最重要的是在中间区（在那些较早模型适用正确的区域之间）的新模型的成功，因此，我们第一次对整个周期表的低能核结构现象有一个统一一致的理解。在这些成就的基础上，对核反应数据中等效的简单动态对称性已获得初步的证据。并且至少有希望揭开针对现有大量反应数据的基本物理学的盖子。

在这项工作中，最新的和最有可能起深远影响的发展之一是这些玻色子模型扩大到奇质核。这里，除核心中的玻色子之外，我们还有一个价核子，这个价核子显然是费米子。在这个范围内，我们又需要能包括玻色子和费米子的超对称性，就像超引力情况那样。在原子核情况下的初步结果是非常令人鼓舞的，因为超对称性理论预言的某些奇质核激发量子态的特征图样可以和相邻的偶质核相比；例如，较早的模型中包括奇质谱的某些态，为超对称性所禁止。过去几个及的工作已表明，在可得到完整的数据的几种情况下，超对称性所预示的和实验观察的非常吻合。如果这种新的超对称性首先出现在原子核物理中，那确实是令人庆幸的，这是把原子核用作检验和考察最基本自然概念的微观实验室的又一个例子。原子核是所有自然力都同时作用着的唯一的实体。

但是，必须指出，我们只是开始探索和理解核现象；我们只是局限于核的费米表面和接近费米表面的核轨道。在某种意义上，我们好像是个固体物理学家，生来相信世界上只有爱因斯坦晶体，而才知道有液体存在。我们为泡利不相容原理所限制，而不用核子探针去探索原子核深处。当我们移向新的能量领域时，这些限制正在被消除。在较高的能量，我们用介子作为探测器；在一个最强的反应中，一个K介子（带有一个单位“奇异数”的量子特性）把核深处的一个中子转换成一个Λ粒子（仅比中子重20%的最轻的奇异重子）和一个使能量和动量守恒的π介子。因为Λ粒子非常像中子，所以被轰击的核子仍然基本上不变，成为一个超核；又因为Λ粒子不同于中子，它能占有泡利原理不允许中子占的量子态。超核研究已得到极重要的新数据，尽管它还处在初始阶段。

用精确的高能电子和强子束，我们能探测到以前从未探测到过的中子和质子不同的性质。具体地说，在海森堡测不准原理所允许它们的短时间内使用核子，进入较高的激发组态（例如Δ态），全部被浴在带有强核场的π介子云中、我们已感觉到核比早期假设的简单模型复杂得多。电子测量对这些π介子流特别灵敏，但是，我们在这方面的研究也还只是刚刚开始。

随着各种核种束的使用，我们已有可能以全新的方法和在以前达不到的参数范围探索核物质。在重核的靠近碰撞中出现的较高的密度，较高的离心力以及较高的库仑场，都产生关于核多体问题的新的特征性的资料。例如，在全新的和意想不到的称为深度非弹性散射的核相互作用下，一种人们还不清楚的机理，迅速把相对运动的动能变成相互作用核的内部激发能，而两个核的相互的静电斥力使它们分离，几乎完全像核的裂变。

在高能粒子物理中，我们把愈来愈高的能量驱入愈来愈小的体积中以探测短距离观像，而在超高能重核碰撞中，我们把愈来愈高的能量驱入包含大量核子的较大的体积中，从而对可能产生的全新的集体现象变得较灵敏。例如有人提出在这种碰撞中，有可能会产生一种全新的物质，在这种物质中，核子放弃它不少的质量以形成一个密集的π介子云，而减少的核子就在介子云中运动。如果存在这种系统，预计将有惊人的特性。通常核质量数的范围是从1到250左右，而新系统的范围约从350 ~ 100,000。此外，它们对中子可能有一个贪得无厌的胃口，因此如果把它们放进大的核反应堆里，可以利用它们直接吸收中子而储存大量能量，遗憾的是，对怎样取出这个储存的能量我们还没有任何好的办法，但我深信如果我们能成功地发现这些新系统，办法不久就会有的。

我们正进入一个前所未有的碁本的层次上理解核现象的新时代。德国、法国、日本和苏联正在建造重要的新设备，它们将把这一领域的前沿阵地向前推进一大步。

等离子体物理学

等离子体是一种由带电的原子核和电子组成的，而从整体来看是电中性的物质状态，这也就是物质的第四态，在我们的宇宙中，95%以上的物质就以这种等离子体状态存在着。等离子体的密度，在星际空间可低至每立方厘米1 ~ 100个原子核，实验室的等离子体可高达10⁸ ~ 10²⁰；而星体内部则可高达10²² ~ 10²⁵。

目前，等离子体物理学的研究很大一部分工作是集中于在地球上获得热核反应，即在地球上实现聚变能。太阳，作为二个聚变反应堆，每一秒钟要燃烧16,400万吨氢，其中，16,000万吨变成了氦尘，4,000万吨物质就按E=mc²的关系以能量方式向宇宙辐射。在太阳中，重力提供了维持反应的约束条件——即温度接近于100,000,000°C，同时压力超过每平方英寸2,000万磅。显然，要在地球上获得这样的条件在技术上有难以克服的困难。

在这个领域中，人们梦寐以求的是达到劳逊判据——nτ=10¹⁴，其中，n是等离子体的密度（原子核数/立方厘米）、τ是约束时间（秒）。在劳逊判据的条件下，且对使用燃料的类型又能达到适当的温度时，等离子体就会产生保持反应继续进行的能量，这也就是达到了能量的得失相当。目前，有两种基本的聚变途径正在探索之中。第一种是磁约束，密度较低的等离子体（低n）在相当长的时间内（高τ）被约束在一磁瓶中；第二种是惯性约束方法，它把巨大的能量对称地传递到一固体燃料靶丸上，其能量传递的时间短至燃料的惯性在产生聚变前就阻止其向外飞散，从而得到一个非常短时间内（低τ）约束的密度非常高的等离子体（高τ），这些巨大的能量可以，或将可以由脉冲式的光子、电子、质子或像氙那样的重离子传递，这依所选择的方案而定。

所有这些方案，在技术上至今都尚未完善，每一种方法都有其特有的优点和缺点，现在，环形托卡马克磁约束技术已经取得了最有希望的结果。美国马萨诸塞理工学院Alcator装置已报道了达到劳逊判据三分之一的结果，普林斯顿大学的大型托卡马克（DLT）已达到了迄今最高的等离子体温度，60,000,000°C。在惯性约束领域，劳伦兹 · 利弗莫尔和洛斯 · 阿拉莫斯实验室分别在SHIVA和HELIOS激光聚变装置上获得了20万亿瓦的功率和提供了重要的等离子体物理数据。但是，它们至今尚未达到能量得失相当计算要求的燃料靶丸10,000倍的压缩。典型的燃料靶丸的结构是：外面是一个直径为100 ~ 200微米薄壳（厚一微米）玻璃中空小球，内装有10 ~ 100个大气压的氘、氚气体混合燃料，并具有一金属膜以引起内爆压缩波。虽然用电子和轻离子激励的惯性约束研究已取得了重要资料，目前看来像氙那样的重离子激励器在业已成熟的加速器技术方面具有重大的优越性，但这些都处于设计阶段。

等离子体物理学家一般都对聚变在以后几年内达到能量得失相当抱有乐观态度；但是，想起那些确实难以对付的工程问题（与核裂变涉及的问题相比），即使按上述时间进程，很少人对大约在2020年以前得到经济的聚变电能表示乐观。

原子和分子物理学

原子和分子系统的测量精度，传统上一向要比物理学中任何其他可以获得的测量精度要高得多。其中一个原因是，电磁力是物理学中了解得最为透彻的一种力。这一趋势尚在继续。

直到如今，在测量中可达到的精度会到处遇到的极限，这就是大家熟知的反映靶原子或分子无序热运动的多普勒效应。在一场技术上的角逐中，已经表明可调激光器能去除这个极限（见图3的说明）。目前，其精度已可能达到1/10¹⁶，历史的经验告诉我们，实验精度如此之大的提高，肯定会在理论认识上引起演变与激变。1/10¹⁶的测量精度，且不说它在原子和分子物理学中将会开辟许许多多新老问题的全新研究，且使得直接检验物理学中基本常数是否确实在任何时间是恒定的已差不多成为可能（对此，下文还要谈到）。

可调激光器与微波波谱结合也已经揭示了一个始于1879年的领域——里德伯原子。1890年，里德伯对一个原子谱系的波数提出了著名的表达式：σ=C－R(n＋δ)^-2，这里，n是变动的整数，这数现被认为是辐射态的主量子数（见图3），δ是个近似常数（至少对大的n来说），R是个普适常数，称为里德伯常数。这个表达式的量子力学基础是薛定谔在1926年获得的首批成果。

高n数的原子领域的探索，只在最近才有了可能；显然，原子能级的间距是随n^-2而变化的，对大的n数，间距就变得非常小。但是，也有其他令人感兴趣的特性：原子的半径随n²而变化，且实际上要是可能深入到最近正在研究的里德伯态电子轨道，那么它们用肉眼也可以看到了；辐射寿命随n³变化，因此这些里德伯原子生存非常长的时间；在电场的作用下，它们高度极化，且极化量随n⁷变化；由于它们的几何大小是随n⁴变化的，所以它在碰撞中容易被破坏。

用可调激光器感应原子基态的大能量跃迁，以及微波场在离解极限附近靠得很近的原子能级间进行精细调谐，使得研究n≤100的里德伯态成为可能，从很多方面来看，对于各种各样原子现象，为我们提供了极好的测试系统，并被广泛采用。

令人尤其感兴趣的是经过适当制备的里德伯原子，用来作为非常有效的室温黑体辐射的检测器，例如可来自装有里德伯原子的腔壁上的黑体辐射。在室温时，黑体辐射通量大约是每平方厘米25瓦，相应的电场和磁场在1.5×10¹²赫频率时，分别为10伏和10^-2高斯，这个电场能使里德伯能级相对于原子的基态产生大的频移（~ 2.2千赫）且可容易地被测出来。还应该指出，这个磁场能使原子钟使用的原子超精细频率移动1/10¹⁶，正如我们上面指出的，这是现在原子物理学中的实验精度的水平。这里，非常感兴趣的问题是里德伯原子是否能制备成适当的状态，以作为宇宙背景3 K黑体辐射的有效探测器。

目前，可以分离单个原子进行详细研究的技术发展，仅仅是制备量子态完全限定的原子系统的方法的总发展的一部分，使原子系统成为极为基本的物理问题的良好测试系统：电子和质子的带电量在大小上等同到什么程度（1/10²⁰）？电子和正电子的质量又一样到什么程度（1/10⁷）？以及宇宙物质的分布又均匀到什么程度（1/10⁵¹）？

如果弱力和电磁力确实是统一的，那么在原子中就存在弱力（虽然它非常弱），存在弱力的特征迹象就是它们违背了宇称守恒这个事实，而电磁力是遵循宇称守恒的。在重原子中已对这种违背进行了广泛的探索，预计重原子中这一效应会最大，但因在计算原子多体波函数中的不确定性，其结果还是含糊的。对氢原子这种不确定性最小，而实验极为困难，但仍在进行中。

在分子物理学中，近年最使人兴奋的领域是整套物理探测方法，包括X射线谱，穆斯包尔谱，中子衍射等，已经对生命大分子的结构和动力学研究产生了影响。哺乳类动物中，血红朊分子的血红素铁基团担负着把氧输送到细胞中的使命，这一机理第一次已用量子力学的隧道效应作了解释，较小的分子穿过一系列由较大血红朊分子的结构产生大小不一的势垒、这是理论认识上的一项重大成果。生命过程进入到量子水平的详细研究，为我们打开了一个全新的研究前景（待续）。

（Science，1980年7月4日，110—114页）