本文扼要汇集当今物理学前沿与边缘各十个课题，探索至今被人们忽视但可能颇有前途的三个领域，并在与物理学发展相关的哲学、数学、教育、实验及研究五个侧面提出若干建议，从而对物理学的前景展开纵向与横向评述。

1. 现代物理的前沿与边缘

20世纪物理学的跃进，带来了现代文明。但在近一个世纪的时间内，物理学的发展速度却经历高、低、高的变化；前1/4世纪，形成理论物理学的研究热潮，创立了量子力学与相对论，随后却进入近半个世纪的缓进，在最后的1/4世纪它又在更广范畴和更深层次上活跃起来，这大概是受粒子加速器和空间探测技术的激励吧。以下，仅列出10个物理学的前沿领域及10个与物理学有关的边缘学科或分支。

1.1前沿领域

（1）统一理论 爱因斯坦梦寐以求统一四种基本力（电磁力、弱力、强力及引力）的思想开始复活。1982年发现W±粒子及1983年发现Z°粒子证实了弱电统一理论，推动了将强、弱、电三种作用统一的大统一理论。

（2）规范场论 是统一理论的最佳数学模型，以对称性原理为基础。包括杨-米尔斯规范场、温伯格-萨拉姆模型（WS模型）及希格斯（Higgs）机制等。强相互作用的规范场论，赋予夸克以“色”（Color），形成量子色动力学（QCD）。超引力理论预言引力作用是通过引力子和引力微子（短程作用）实现的。

（3）暴胀宇宙 是大爆炸宇宙模型的改良。在距今12×10⁹年前的大爆炸后的百分之一秒时间内，有一段宇宙暴胀时期（de sitter相），依次形成强作用与电弱作用对称性破缺、规范沙漠及从夸克中产生重子与介子。宇宙的未来是只有轻子与光子存在的轻子沙漠，而我们现在生活在期间的生命绿洲上。

（4）量子宇宙 一种富有神奇色彩的探索时空、逻辑与物质起源的理论，如超弦、超膜、时间蛀洞等等。超弦理论认为宇宙是由长度为10^-35 m的许多小“橡皮筋”组成，其最大吸引力在于能容纳并解释引力。

（5）粒子质量谱 将粒子分为三类即；物质粒子（6种夸克与6种轻子），规范粒子（光子、中间玻色子、胶子与超重规范粒子），其他粒子（希格斯粒子、磁单极子）。目前流行的观点认为，物质的基本单元是夸克和轻子。

（6）暗物质 又名奇异物质，物质中的物质，推测在宇宙中大量存在，是质量的主要来源，在地球上也可能存在。预言在粒子加速器中重离子的高能碰撞可能会产生这种物质。如果夸克数多达10⁴⁶个，则奇异原子大小如同一辆卡车。奇异物质会吞食自由中子，并发出10倍于核反应的能量。

（7）可控核聚变 1991年已实现持续时间长达2秒的实绩。

（8）超导 以BCS理论解释。重点是高温超导及超抗磁性。

（9）激光 是确定物质几何学结构及动力学特征的有力工具，有助于从根本上理解辐射与物质的相互作用。已应用交叉原子激光测量一个原子能级的间隙。70年代中期开始，对自甶电子激光器（以自由电子为工作物质）的研究十分活跃。

（10）光谱技术 光窄脉冲可达10^-14秒，是研究瞬时物理碰撞及快速化学反应（10^-12秒）的有力工具。

1.2边缘学科或分支

（1）物理哲学 物理学与哲学存在强烈的互补性，物理问题越深入，往往其哲学含量也越大。有成就的物理学家尽管其主观上不愿受某种固定的哲学观点所支配，但他的哲学思想却是十分丰富甚至是庞杂的。1984年我国举行第一次全国现代物理学哲学问题座谈会，国外已开设量子理论哲学等课程。

（2）隐序观念 以P₀玻姆为代表。它放弃以连续时间作为序化手段的显序观念，而用离散的时空观念取而代之。这些不连续的元素彼此关联，相互隐含形成一个全新的序，称之为隐序（Implicata order）。其目标是企图找到一种最一般的却又可以在不同领域和层次内近似退化为各种具体而特殊的语言，来说明包括生命、思维在内的世界的具体性。它以拓扑学的同调（homology）作为数学工具，把量子力学亦一并纳入，预言一个既能说明现代物理学之所以成功又能消除其基本矛盾的未来物理学，在特征上一定不同于现行的各种物理学理论。

（3） 混沌学（Chaos） 伊 · 普里戈金在“从 混沌到有序”一书中写道，“有序和组织可以通过一个‘自组织’的过程真的从无序和 混沌‘自发地’产生出来”。 混沌学研究现实世界的无序、不稳定、多样性、不平衡、非线性关系（小的输入可引起大的结果）、暂时性（对时间流的高度敏感性）等的产生与转换问题。它把生物学和物理学、必然性与偶然性、自然科学和文化科学重新装到一起。但是，近年也有些学者问：“ 混沌理论，进展有多大？”

（4）协同学（Synergetics） 是关于系统之间相互竞争、相互合作的科学，而系统或子系统可以是原子、分子、细胞、动物、机器、社会集团等等，它们均受相同原理支配协同，提出慢变量（变量指力、能量等）可支配快变量新概念。

（5）生物物理 已有不少物理学家向分子生物学（提高到分子水平的生物学）转移，将先进的仪器及物理概念引人到动植物和人体。克里克（Crick）说：“现代生物学研究的最终目的是以物理学和化学解释生物学。”从分子水平深化到电子层次的电子生物学，更具有广阔的前景。因为电荷传递过程是一个最基本和最普遍的反应，诸如药物与激素的反应、能量转换机制、学习和记忆性质、基因的调控机理等重大问题在电子水平上分析，可望获得进展。

（6）表面物理 研究固体表面比研究其内部更困难，但它却与新材料、激光及催化等技术紧密相关。

（7）非线性物理 研究强非线性现象，如湍流以及神经网络、免疫系统等。

（8）凝聚态物理 已发展到一些特殊体系和材料，诸如表面、界面、微粒、薄膜、无序材料、复合材料、亚微米结构、各向异性固体、准一维和准二维材料等。

（9）新几何学分支 包括以研究运动和过程为前提的前几何学（Pregeometry），用于研究复杂动态系统的非整数维几何学（Fractals）以及与现代物理有关的纤维丛理论等。

（10）对称性原理 包括相应的群论与拓扑。这门古老的数学在现代物理中已从工具（如研究晶体旋转对称性等）上升到根本理论，即规范场论或标准理论。标准理论认为电磁作用等四种相互作用都是一个局域对称性原理产生的。每个基本粒子的特征是用动量、能量、电荷量等一系列的数表示，而这些数的意义仅仅是表达在所有对称群的变换下变换方式的特征。弱电相互作用与SU（2）×U（1）群相联系，强相互作用与SU（8）群相联系，因此，宇宙也只能用对称性表示。对称性破缺也许就是质量、物质乃至生命的起因。人体不也是一种近似的对称吗？

2. 对物理学新领域的探索

上述列出的现代物理前沿和边缘的“清单”是不完备的，何况这个清单还会随时间而变化。以下，作者提出至今被人忽视但可能颇有前途的三个新领域，即自然常数、“个体”粒子及“跃迁”物理。

2.1自然常数

自然常数又名物理学常数，自18世纪开始陆续出现。经过二个世纪的时间，数量增多且精度大为提高。但面临基本粒子层次的深入及宇宙奥秘揭示，有可能建成独立学科，在此取名自然常数学。

该学科除了在完善常数定义，提高测量精度方面展开工作外，应承担下列主要课题：

——研究常数的相互关系并拓宽应用领域；

——分析哪些常数是时间的“缓变”函数，这是宇宙进化的反映；

——分析哪些常数可能是多维的（不是标量），这是宇宙结构复杂性的反映；

——探索新的常数，例如反映夸克等粒子特性的常数是什么？

——将某些现有的常数进一步精细化，例如是否存在比普朗克常数h更小的常数反映自然的量子性？

——根据统一、简化与完备原则，建立自然常数体系。体系包含数个“基本自然常数”。（详见《世界科学》1991年2期“自然常数浅析”）。

——在深入研究常数过程中，促进对某些基本物理定律的修正或重建。

2.2“个体”粒子

量子物理学认为，基本粒子是全同的。更严密的说法是，费米子（电子等）的状态波函数Ψ呈相同形态，且这与泡利不相容原理等效。至今，人们往往研究基本粒子的“集团”行为或统计结果，而不去注重基本粒子的个体行为或独立特性，例如只研究电流有无而不深究电子的踪迹。当我们弄清“全同”与“可分辨”是两个不同概念后，就有可能建立一门专门研究单个基本粒子的学科或分支。这里，我们将从电子入手分析，因为电子的活动基本上决定了材料的物理与化学特性，而在1973年就已用彭宁捕集法（Penning trap）振集到单个电子。

对电子特性，试提出相同参量及相异参量两个类别。相同参量系指描述电子的静态、稳态、群体行为的参量，如质量、电荷、平均寿命、自旋、宇称、衰变模式及轻子数等。相异参量则指描述电子的动态、变态、个体行为的参量。作者试提4个相异参量：附加能量?E或附加质量?m（起因于运动速度）；附加磁短?μ（因圆周运动而产生）；自旋轴向θ（自旋轴与参考轴之夹角）；电磁场中受力（包括库仑力及洛仑兹力）引起的电子加速度ae。

现代电子信息实际上是“群体”电子信息，相比之下，“个体”电子信息要大得多，例如：1微安电流的有与无（1与0）作为2比特（bit）信息量，但在单位时间内却包含着6×10¹²个电子，而如上所述，每个电子又有4个相异参量，若每个参量取2个水平，就有约10¹⁴个信息组合。因此，只要能在技术上解决电子相异参量的两个极值的检测问题，就可能创造出新一代电子计算机，向以“微弱电流，特大容量”为特征的人脑信息水平靠拢！

2.3“跃迁”物理

在此借助“跃迁”这个名词，旨在快速沟通理论物理学与应用物理学，在两者间架起一座相互促进的“桥梁”。理论物理常常过于抽象，应用物理又往往“涉世不深”。以理论物理紧密指导应用物理，既使前者有用武之地，又能使现代技术获得突破。例如，1991年实现的用激光“慑住”原子获得百万分之一开氏度超低温以及用一个氙原子构成开关的重大成果便是生动写照。窄义地说，“跃迁”物理就是将新的材料、仪器、装置等提高到堡子（原子、电子、光子等）水平的物理学。以下，作者仅提出几个“跃迁”的设想：

——波粒二象性原理应用于波与粒子的作用过程，康普顿效应（光与电子作用）与植物光合作用建立联系；

——宇宙暴胀模拟。宇宙暴胀是万物之源，能产生新的粒子与元素。现代技术还远不能产生如此高温、高能量的条件。能否利用超高频超强度的电磁场聚焦于一个极小的空间模拟，这种模拟还可起一个微型粒子加速器的作用；

——粒子人工转换。例如，极大提高电子速度（V≈0.99999 C），电子能否变成μ子；又如，增加电子能量又使其突然降低能量，则可能产生光子等等，建成生产光子及其他基本粒子的“工厂”；

——反光电效应，光电效应是光使电子逸出金属表面。设想用光（或其他外加电磁场）将电子“压入”原子的轨道中去，形成新的材料并改变元素特性。我们将这种核子数相同而电子数不同的新的“子元素”取名为“同核子异电素”；

——将人的营养、药理及衰老问题，从现有的组织、细胞水平提高到原子、电子水平。

3. 促进物理学进展的建议

从哲学、数学、教育、实验及研究五个侧面提出若干建议。由于与某些传统思想观念相悖，因此，虽充满新意却难免谬误。仅供读者参考。

3.1哲学立观点

提出三个性，这是迄今虽为一些科学家默认但尚未（或不愿）清晰表达的有关物理理论的哲学观点。

（1）演化性 请注意！这不是指人的认识的进化，恰恰相反，这是指自然本质的演化。分析问题时，人们习惯于把宇宙与自然视作固定不变的，认为人的认识总可以逐步趋近于宇宙与自然的本质。但是，宇宙不变，何以从无到有经暴胀产生？值得注意的是，这种演化可能不受一个固定的先知的规律支配，而是随机的、偶然的或者说是创造性的。因此，人与自然的关系，从本质上分析，倒有些类似于战争双方敌变我变的关系。

（2）多重性 解释一种（或多种）现象的理论不是唯一的，可以是两个直至无穷多个理论，犹如为了到达一个目的地可以走许多道路一般。不同的多种理论却可以获得同一结果，我们称之谓理论的多重性。事实上，经典力学中哈密顿原理与牛顿运动定律等价，而前者没有力的概念；在量子力学中，薛定谔的波函数方程与海森伯的矩阵力学等价。这在数学思想中，可以用集合论中几个不同集合有部分重叠解释。因此，一个理论预言的一个结果被证实就认为这是唯一正确的理论，这种概念并不准确。原则上可以这样说：验证或预测的事实越多而本身又十分简洁的理论，可以被认为是接近真实的“经济”的理论。

（3）超人性 这是一个很不恰当又极易引起争论的名词，其含义是，存在某种理论（或规律）是越出人的智能范畴的。“超人”，这意味着认识论中的不可知论，是科学家的感情所不能接受的，但是如果我们反思，人是宇宙进化中偶然的产物，他不但要全部认识自己而且要全部认识他的“父母”，这样的要求与不可知论不是同样使人难以接受吗？事实上，人对于高速的、多维的、瞬间的、细微的事物或现象的理解很不适应。物理学家尼斯 · 波尔说：“脑也许不可能自己理解自己，也许比脑更复杂更为精彩的东西才能理解脑”。我们不必为此沮丧，相反地在正视这个现实后，要设法建立一种“智能过渡系统”，即建立特殊的智能装置，来填补一部分人的认识与自然本质之间的空白区域。犹如，使用电子计算机，填补了人在处理高速、大信息量认识能力上的空白。

3.2数学建分支

现代物理在一段时期远离数学（基本粒子曾只需字母和数字表示）之后，又在快速地向数学靠拢，对称性群论已把人引进高度抽象的数学迷宫之中。数学为什么在物理学中具有超常的效力呢？这可以用狄拉克的话作解释，“数学感兴趣的原则也正是自然界所选择的规律。”但是，物理学究竟要依赖哪些数学？现有的数学分支对物理学是否应付自如？这是需要两方面的专家经常共同探讨的问题。这里，提出一个重要疑问：量子理论充分应用了微积分（如薛定谔方程式等），但是微积分的基本概念如无穷小、极限及数轴连续性概念，却与量子的，间断的、整数倍数的概念严重抵触。怎样来统一两者的矛盾呢？

3.3教育顾未知

大概是出于严谨或省事，许多物理学教科书把无争议的内容都作为已知定论介绍给读者，很少或根本不去涉及未知的有争论的重大问题。这大概是为什么物理学的新思想刚一露头就“遭扼杀”的原因之一。但是，教科书又不能成为一个似是而非争论不休的园地。如何合适？从已知引向未知，偏重已知兼顾未知可能是一种方法。美国的一些物理教科书已进行了改革的尝试。例如介绍些物理学发展史、物理学家名著中的原话以及出一些探索未知的思考题都是好的办法。物理学教科书的改革质量无疑将影响新一代物理学家的成长。

3.4实验求简易

现代物理固然需要极复杂昂贵的实验装置去验证去发现。但是，我们也不要忘记物理学发展史却是依靠一些较为简易但却构思精巧的实验和验证方案谱写成功的。卢瑟福用氦核轰击原子发现原子核结构，J. 汤姆孙用电磁场平衡测定电子荷质比，密立根用油滴在电场和重力场中的平衡发现e值，均可堪称科学与艺术结晶之最！1989年春天，弗里希曼和庞斯在室内常温条件下，把电极置于重水中加上电压，发现了“冷核聚变”。尽管对此至今仍无定论但此实验发生了新的核现象却是肯定的，用较简易的方法居然实现了向核层次的冲击！

3.5研究创生机

物理学家的任务是什么？简而言之，是构造有用的和有趣的模型，以甶它们获得准确的结果和良好的预言。但是，科学史表明，每当物理学重大发现出台之时，少数大科学家总是持怀疑阻挠态度。爱因斯坦提出光子假说，查德威克发现中子等都曾遭冷遇，就连费米发现核裂变反应也被他本人传统的知识结构贻误了五年之久！提倡研究方式的多样化和思维的创造性，有助于物理学研究出现生机。有组织的攻关与个人的选题相结合，适当增强政府机构与学术团体的协调功能；个人研究与集体的讨论相结合，且讨论不采取矢口否定而采用锦上添花的方式，都值得一试。

我们应该怎样看待这诱人而迷惘的物理学前景呢？让我借助一位诺贝尔物理奖获得者的话作为本文结尾。1979年谢尔登 · 格莱肖在领奖仪式上发表了题为《趋向统一理论——织锦中的几个线头》的演讲，他说，“我们现有的理论（注：指粒子物理标准理论）是件完善的艺术品，百纳被已变成了织锦。织锦是由许多工匠协力织成的，在完工的织物中，难以区分每个工匠的贡献，而错漏的线脚也遮盖了。……让我强调一下，我并不相信这个标准理论作为一幅正确而完备的物理图像会永远存在下去……标准理论也许会作为终极理论的一部分而存在下去，也许终于证明是根本错误的。不管是那一种情况，它始终是个重要的中转站，而以后的理论会更好……我还要注意几根新的线头，这可能预示着织锦的未来发展。”