未来的基本问题是深远、复杂的，令人难以回答。而未来的伟大工程妙不可言。
诺奖得主弗朗克·韦尔切克（Frank Wilczek），麻省理工学院赫尔曼·费施巴赫物理学讲座教授
未来100年物理学会给我们带来什么？当然，我不知道该如何作答，但这却是个值得思考的开放性问题。实际上，本文中经过深思熟虑的猜想仅仅反映了我的兴趣、知识，甚至是我的局限性以及偏见。为了让大家更容易阅读，我不得不对文章的内容精挑细选。希望这些猜想能够激发你思考，甚至最后你会得到不同的答案。
为了获得全新的视角，让我们在展望未来之前先回顾一下过去。
100年以前，物理学处于混乱中。当时爱因斯坦才刚刚发表了具有革命性的理论：广义相对论。卢瑟福发现了物质中心的原子核，它极其微小、致密，并经受各种各样令人眼花缭乱的偶然转换。以玻尔原子模型为特征的量子理论是一整套单凭猜测所进行的工作。超导仅是一个经验事实，无法从理论上进行解释。化学键的本质和恒星的能量来源问题――物质世界极为重要的方面――使得当时的物理学处于两难境地。
随后的50年里，物理学的景象已经变得完全不同。广义相对论是大量文献和实验观测的基础。同哈勃发现的宇宙膨胀一起，广义相对论已经开启了科学宇宙学的新篇章。随后发现的宇宙微波背景辐射，连同宇宙核合成的半定量理论一起，清晰地表明了宇宙创生于大爆炸。虽然量子力学的表达方式和行为似乎令很多人感到奇怪和困惑，但是从数学角度上讲，量子力学在当时已经是一个精确、自洽且非常成功的理论了。
此时，原子物理、化学以及材料科学已经有着牢固的基础。超导已经通过极其美丽和丰饶的理论予以解释。在许多其他值得注意的技术中，激光、晶体三极管以及核磁共振令人印象深刻，并呈现了这些新物理学的可靠性。通过最大程度地连接许多晶体管，集成电路在当时是一个非常有前途的新想法。基于量子理论的核物理已经发展成为一门强大的学科。从较为宽泛的角度上讲，物理学家已经了解了恒星闪闪发光的原因，并且他们知道该如何使用核能去制作炸弹以及发电。另一方面，弱相互作用和强相互作用的描述依然是零碎、唯象的，在宇宙射线和加速器中高能物理实验研究仍然存在许多令人无法理解的现象。
又过去了25年，物理学进一步得到了发展。两个标准模型已经被确定下来，一个用来解释基本相互作用，一个用来解释宇宙学。严格的定量实验才刚刚开始。（这两个标准模型获得了极大的成功，直到今天仍然是粒子物理学和宇宙学的基石。）对材料的深刻理解，特别是半导体量子理论的发展，引发了计算机革命。正如我下面所讨论的一样，计算机对于物理学来说含义深远。
过去的100年中，基础物理学改变的步伐是缓慢的。然而，由物理学带来的创新步伐却是加速的。这些变化反映了可靠且广泛的标准模型的成功。
图1 统一图景：在粒子物理标准模型中，强、弱以及电磁相互作用可能通过它们自身的对称性予以描述，并且这些相互作用都拥有着各种各样的相应电荷。作为分裂的结果，基本粒子以某种笨拙的方式组织起来。本图描绘了它们的组织结构并展现了这些粒子在一个更大对称群的保护下如何让自身变得更融洽。
图a的右侧一列中显示了上夸克（u）和下夸克（d）、电子（e）、电子中微子（ν）。这些粒子本身都拥有着左螺旋（L）或右螺旋（R），左右螺旋是根据它们自旋和动量是平行还是反平行来区分的。例如，左螺旋粒子成对出现。图a中呈现了6组不同的存在形式。图a的左侧显示了这些不同存在形式的特性，并导致了它们强、弱以及电磁相互作用的不同。负责传递强相互作用的胶子，具有三种强色荷。弱相互作用仅对左旋粒子起作用，它具有两种弱色荷。电磁相互作用通过与电荷的耦合起作用。每种存在形式的平均电荷，又称为超荷（Y），通过一个数字来描述并按照质子电荷|e|的单位给出。
图b显示了观测到的粒子散射模型可以从源自高阶对称性的统一模型推导而来。图b的右侧给出了这些粒子的名称。这里，每个粒子都是左螺旋的；在较早描述中的右螺旋现在由它们的左螺旋反粒子所描述，这些反粒子由一个符号所表示，因此uR变成了-u，依次类推。图b的左侧表格给出了不同颜色实心和空心圆，并且满足实心圆的个数为偶数的限制。实心圆用来解释正的相应电荷的一半，空心圆用来解释负的相应电荷的一半。根据图片b左侧上面的公式，其出现的超荷值产生于弱和强色荷。
为了寻找图a中所显示的特性，我使用了一条规则：增加相同数量的强色荷或弱色荷并不影响强或弱相互作用。这使得我可以把图b左侧表格的配色方案转换成图b右侧的表格方案。注意现在色荷具有单位并且其颜色和超荷同图a的内容相匹配，这里假设了反粒子有着与相应粒子相反的色荷和超荷
更多对称性
嵌入广义相对论核心的相对论量子场论和局部对称性原理以及强、弱和电磁相互作用的规范理论见证了物理学一路走来。现在，我们已经精确地用公式表达出经得住时间推敲的方程，这些方程为化学、工程的合理形式、所有可观测天体的描述和大量宇宙学提供了可靠基础。然而，还有很大的空间有待提升。
引力子、胶子、W和Z玻色子、光子都是局部对称性的化身。它们的耦合甚至存在是这个深刻原理的反映。在基于对称性的标准模型中，似乎看上去基本物理学最接近实现毕达哥拉斯和柏拉图的设想：物理现实和数学想象之间的一个完美契合。
然而，我们希望能做得更好。由标准模型的局部对称性所支撑的变换无法连接“应当”被连接的许多事情，并留给我们关于物质的一个杂乱描述。然而，依赖于标准模型的想法，尽管有一些不匹配的地方，但是我们或许能看到对称性会最终取得成功：正如图1所描述的那样，已知粒子完美地符合一个大的对称方案。
这个诱人的结果对未来的发现具有深远含义。如图2中所解释的那样，引力并不享有任何特权，它应当同其他三种力一起作为自然界的基本作用力。它激励我们要进一步地引入新的对称性以及观察新的具体现象。
图2 四种基本作用力的统一
图1所示的令人印象深刻的成功分类方案嵌入在综合理论框架之中。该框架的一个重要预言是不同相互作用的基本强度相等。被观测到的强度却是不同的，但是我们了解到它们的基本强度仅在极高相互作用能量上有所显示。为了找到它们，我们必须正确预测实际虚粒子，这些虚粒子能够屏蔽或反屏蔽一种相互作用――这种效应被称为真空极化。当我们考虑到所有已知粒子的贡献时，我们找到了一种平衡的可能方式，然而却不能定量描述，见左图。然而正如右图所示，当我们考虑来自于超对称粒子的额外贡献时，正如超对称所建议的一样，我们找到了精确的统一。
在可接近的能量尺度下，当引力在基本粒子中起作用的时候，引力要比其他三种基本作用力弱很多。然而在其他三种基本作用力统一的能量尺度下，引力的强度却是相容的。从另一个角度来看，由规范耦合统一所设定的四种作用力的统一假设解释了为什么观测到的引力如此微弱
为了把所有的粒子统一起来，我们需要能够连接不同自旋粒子的对称性变换。这条鸿沟可以通过狭义相对论的洛伦兹变换拓展到更大的范围：超对称。这种拓展的对称性要求我们所熟知的粒子都要拥有它的伙伴粒子，这个伙伴粒子带有不同的自旋，但是其电荷、强色荷、弱色荷的值同粒子本身相同。
完整的超对称需要粒子同其伙伴粒子有着相同的质量，但是，我们并没有观测到这种伙伴粒子。令人满意的是：并不需要其解，我们单单使用基本方程中的超对称就能模型化它们的特征。换句话说，超对称是自发性破缺。引人注目的是，如果超对称破缺的尺度并不是很大――即，如果已知粒子的伙伴粒子并不是很重的话――那么耦合的定量统一可以完美地结合，正如图2中所示那样。
通俗意义上讲，超对称所提供的大统一理论显示出它的深远特点。20世纪物理学的一个巨大成功就是超越两种表面上看似不同物质的差异：由经典光线所描述的波动性，以及由原子所描述的粒子性。在单个层面上，光子和电子具有波粒二象性。然而，从整体层面上来看，它们的描述仍然非常不同，涉及到是量子统计学中的玻色子还是费米子。超对称向我们展现了这些不同是不可超越的。
上面所概述的大统一和超对称之间的可行想法在几十年里变得越来越成熟，它们的辉煌岁月即将来临。除了要整理我们核心理论的量子数和耦合强度外，它们主要的成功就是期望现在被观测到的小且非零质量的中微子。包含质子衰变在内的重子数不守恒过程和超对称粒子的存在是引人注目的，这是对上面所描述的观点孤注一掷的预言。
多重宇宙的幽灵
我们核心理论的其他方面并不那么完善。在图1中所介绍的基本实体以三种形式出现在自然界中――e、μ、τ。我们缺乏对这三种物质的合理理解，更加缺乏对这三种物质混合的复杂模式的认知。我们的观测粗略地借助于24个独立参数，这些参数描述了希格斯场是如何同夸克及轻子（例如，电子和中微子）发生耦合的。尽管这个数字是相当平稳的――例如，远低于元素周期表中的数目――但是成功让我们变得雄心勃勃，并且我们想要做得更好。
然而，我们能做得更好吗？虽然现有的观测同核心理论结构以及它们所包含的参数值的想法一致，逻辑上却存在事实并非如此的可能性。的确，暴胀宇宙学可以在空间多个区域进行，每个暴胀区域是均匀的，但在一个更大的范围内却是不均匀的，并且弦理论提供了实现这种非均匀的多种可能性。为了描述这种状态，我们才提及在一个更大、非均匀多重宇宙中的许多均匀宇宙。在多重宇宙框架中，我们所观测到的宇宙仅仅是多个具有不同性质宇宙中的一个样本，我们的太阳系也仅仅是多个行星系统中的一个。
当计算多重宇宙中观测到的一个已知结构或参数集时，我们必须要使用一个选择标准。那些不允许出现观测者的宇宙不应当纳入到观测宇宙中。在使用这样的选择标准后，如果我们发现大多数或所有可能的宇宙分享着同样的特性，那么我们可以声称其特征可以用人择原理来解释。相反，如果我们找到了令人印象印刻的人择解释，那么我们应当把它们看做蕴含着多重宇宙假设的证据。如此一来，多重宇宙的幽灵赫然显现。
相应地，迄今无法解释的参数值可能是环境事件，它们不能被理论所解释。这种有诱惑力的结论――大致上理解为“如果我们已经足够的聪明，但是我们还是不理解其原因，那么它就不可能被了解”――有着显而易见的危险。这是绝对借口投降的胜利宣言。在未来100年里，我们或许会找到更好的理解。
轴 子
质量和混合的一个方面提供了一个更加鼓舞人心的展望。核心理论的一般原理允许一个参数θ的存在，该参数在强相互作用的空间反演和时间反演变换中引起对称性破缺。实验上给出该参数的最强限制为|θ|<10-10；我们所期望的先验结论为θ接近1。人择原理在解决这个难题上无能为力，因为观测实验决定了任何θ接近1的可能性都是不合理的。
实验对θ的精密限制暗示着存在一个新的原则来解释参数θ小的原因。最好的候选者是一种被称为佩西-奎恩的新对称性，该对称性是由罗伯特·佩西（Roberto Peccei）和海伦·奎恩（Helen Quinn）发现的。这个新的对称性引起了不寻常的物理结果。它预言了一种新的超轻、超弱粒子――轴子――的存在。如果轴子存在的话，那么它们或许在宇宙的早期就大量的存在。轴子是暗物质的一个绝佳候选者，天文学家想要观测到轴子，但直到现在仍然没有观测到它。精巧的挑战性实验正在通过宇宙背景或者一些效应来搜寻着轴子。在未来100年里――或许要花费更长的时间――应当会探测到它们。
引力问题
作为引力的理论，爱因斯坦的广义相对论概念上是如此的严密以至于仅有两个自由参数出现在该理论中：牛顿引力常数和宇宙学常数。它已经通过了物理学家和天文学家设计的所有实验检验。然而，我们仍然有理由来检验它的有效性。
首先，引力的强度与其他力的强度相比极其不成比例。如果我们相信自然界四种基本作用力的大统一理论，那么引力同其他三种力又如何变成了今天我们所看到的样子？第二，缺乏物质的空间质量密度测量值――宇宙学常数，经常称之为暗能量――同理论的合理估计值不相容。为什么宇宙学常数的观测值要比理论估计的小很多？第三，由广义相对论简单的量子化所产生的方程在极端条件下就会失效。它的后果是什么？在物理学发展的未来100年里，这些是重要的议题。在图1和图2中，我给出了一个有前途的方法来处理引力太弱的问题。本文中我提出了对这些问题的评论。
理论学家们已经对宇宙学常数做出了大量的估算――有正值有负值――但这些估计值的绝对值仍然同观测值相差太多。因此，宇宙学的观测结果显示了我们核心理论不能解释的东西。或许，正如史蒂文?温伯格所建议的一样，对该问题的解释就是人择原理。如果宇宙学常数的值过大的话，那么宇宙会膨胀得过快，这样就会抑制宇宙的结构形成。如此一来，星系和恒星甚至行星都不会形成，观测者也不会出现。人择原理是物理学最合理的解释吗？对它的质疑是徒劳的吗？又或者是否存在一些更深层次的有效原理？
统一广义相对论和量子力学是一个难题。因此，我认为这是当前急需解决的最重要问题。
图3 由离心力来抵御引力的太空电梯能够在地球表面和外太空可到达处之间铸造一段桥梁
在实践层面上，不存在任何问题。天体物理学家和宇宙学家使用引力和量子力学成功计算了在两个理论同时作用下的物理行为。通过这个工作，并没有出现显著的模糊或奇异性。
如果我们企图把这些方程应用到诸如大爆炸早期或黑洞的内部深处等极端条件下，那么问题就会显现。关于小黑洞行为的思维实验也会出现概念上的难题。然而，具体的可观测现象会带来决定性的成功和重大进展，这样的观测能够真正特性化超越半经典近似的量子引力。实际观测会把这个课题带向另一个高度。
弦理论是一个生机勃勃的理论，在它的框架中广义相对论和量子理论是密切相连的。它支持一个丰富且部分被理解的对称性结构。在这个对称性结构中，不但能够容纳规范对称性，而且还包含了超对称和轴子。目前，弦理论对于宇宙模型的应用是无固定形式的。如果弦理论能够被塑造成一个更加确定的理论时，那么它或许会最大程度地解释上面指出的许多问题。未来100年的时间应当足够了。
上帝视角
在过去的几十年里，物理宇宙学已经十分完善。我们已经搜集了非常明确的证据显示宇宙创生于一个极其特殊且简单的初始状态。在极高温度下，非引力处于热平衡之中。然而，物质的分布并不是完美的均匀。按照广义相对论的场方程，空间急剧膨胀。要注意的是均匀性代表引力极端不平衡，这就需要同物质混合在一起。来自宇宙起点的引力不稳定性形成了星系团、星系、恒星以及行星――今天我们所看到的宇宙结构。
宇宙的大致轮廓是毋庸置疑的，但是其中的许多细节却是不完整的。在宇宙学的前沿领域中，多条证据显示了宇宙的早期经历了暴胀――一个超光速膨胀的时期。这个非同一般的现象由基本物理学中的观点所支持；事实上，暴胀就是由基本物理学提出的。然而，目前我们对暴胀的理解仍然是一种设想而不是一种物理理论。例如，并不存在令人信服的方法来鉴别它的物理起源。在暴胀期间的量子涨落能够引起小的不均匀性，而这些不均匀正是宇宙结构形成的种子，此外这种不均性还能够形成可以测量的引力波。暴胀令人无法解决的问题不能缺少实证结果。我期望未来的100年里，在经历理论和观测进步之后，暴胀将会从一个设想进化到一个确凿的事实。
自然哲学中反复出现的主题是上帝眼中的现实世界和人类意识里蚂蚁眼中世界之间的较量。自从牛顿时期开始，牛顿世界便主导着基本物理学，我们把对整个世界的描述分成了许多不依赖时间的动力学定律和许多这些定律起作用的初始条件。这些动力学定律并不能决定用来描述现实世界的初始条件。这种方法在当时非常有用和成功，然而它距离我们所认识的科学世界还远远不够。这种情形――事物之所以是这样是因为它们就是这样――便引发了疑问，为什么事物是以这种方式而非其他方式存在呢？
根据相对论，从上帝的角度来看似乎再自然不过了。相对论告诉我们将时空看做一个有机整体，其中的各个方面通过对称性相连。如果我们坚持将自己的经历分割成不同的时间片段，那么这些对称性就很难被描述。赫尔曼·外尔（Hermann Weyl）在他1949年出版的《数学和自然科学的哲学》一书中阐述了这个有机论（普林斯顿大学出版社，第116页）：
“客观世界实际上并没有发生什么。然而，沿着我的世界线并从我的视角来看，随着时间的演化却发生了许多事情。”
对我而言，想从蚂蚁的视角上升到上帝的视角来认识物理实体是未来100年里基本物理学中最深刻的挑战。
算法崛起
图4 激光干涉空间天线（LISA）能够探测频率范围从0.1mHz到100mHz的引力波。相比较而言，由激光干涉引力波天文台所发现的引力波频率为100Hz。横跨数百万公里，LISA将是迄今为止人类建造的最伟大工程。它将是人类好奇心、抱负和创造性的永恒光辉和荣耀
按照摩尔定律，集成电路的速度和密度历经25次翻番――给人类和物理学家呈现了算法的非凡能力。尽管指数增长步伐放慢，但是我们至少能够预期在未来几十年中还会有几个翻番。可行的量子计算机也即将要上线。增长的计算能力将会改变我们的问题、答案以及我们所追寻的研究。最后，但并非最不重要，这将会改变研究者的本质：“我们物理学家”工作的实质是什么。
强相互作用理论量子色动力学（QCD）的近期发展已经预示着一些未来可能性。这个理论的初步验证已经获得了成功，例如在涉及大量能量和动量转换的过程中，QCD给出了准确的定量描述。那些所谓的硬过程要经得起复杂微扰理论的考验，然而它们仅是我们所关注现象的一小部分。例如，它们并不包含核物理，这使得人们首先来研究强相互作用。通过分析方法，物理学家想要求解QCD的方程。但是，到目前为止最成功的方法就是让计算机来运行这些方程。
早在1929年的时候，保罗·狄拉克就曾在《英国皇家学会院刊》（123卷第714页）上指出：
“众所周知，基本物理学定律需要很大一部分物理和整个化学中的数学理论，唯一的难题是这些定律的具体应用，由于这些方程太过复杂以至于根本无法解决实际问题。因此，理想的方式是研发量子力学的实际近似方法，这种方法无需太多计算便会给出复杂原子系统主要特点的解释。”
狄拉克的论述使我们了解到基本定律足以很好地解释同化学、材料科学或任何其他现实问题相关的任何物理过程。然而，定义“太过复杂”和“太多计算”的界限已经发生了根本性的变化。现代计算机的计算能力要比1929年的高出很多量级，我们有充分的理由相信：在未来的100年里，计算机的计算能力会有更多数量级的提高。
会存在支持太空电梯的材料（图3中给出了艺术家想象的太空电梯）吗？会存在室温超导现象吗？这些以及其他的一些问题将在核物理、恒星物理、材料科学以及化学的基础上通过计算来获得，因为计算机在基础理论的基础上已经用于飞行器的设计：通过计算给出补充以及最终替代的实验室实验。
逐渐地，计算机算法的发展将成为理论物理的核心。计算机能够运行的概念和方程将会被强有力地使用；不能转变成计算机算法的概念和方程将被视为是有缺陷的。这并不意味着不用动脑的数值计算会取代具有创造性的洞察力。相反：诸如普适性（不相关细节的忽略）、对称性（有根据的迭代）和拓扑学（连续和离散的出现）的创造性理解就是要用计算机的算法思维来描述。
设计算法的工作被认为是教学的特殊形式，其目的在于培养那些聪明绝顶且没有任何计算机经验的学生。目前，这些学生缺乏动力和好奇心，然而这些问题是可以解决的。在未来100年里，随着适合这些学生天分的独特思维风格的培养，他们将成为我们的同行以及最终成为他们老师的继承者。
大科学
图5 通过拓展的人类感知所看到的事物，能够揭示出人类所不了解的事物本质。这张照片是作者在红外频段拍摄的
埃及金字塔、雅典帕台农神庙、西班牙的阿尔罕布拉宫、中世纪欧洲大教堂、埃菲尔铁塔――这些还有其他的一些都是伟大的工程，通过它们可以展现一个国家民族的文化。现在，非同寻常的机会就摆在我们面前，但要说清楚这些问题，需要大量资金的投入。
引力波天文学 已经开启了宇宙的新窗口，一个可以进入宇宙隐藏区域和天体剧烈事件的新手段。今年2月，激光干涉引力波天文台报告了首次直接观测到了引力波。为了充分开发引力波天文学的潜能，我们将配置精密仪器阵列，这个阵列在太空中横跨数百万公里。激光干涉空间天线的一个候选者如图4所示。
系外行星天文学 将会系统地搜寻我们的银河系，并收集数以百万计行星的质量、轨道、地质和气候等信息。作为一个副产品，我们将会了解到生命的罕见及其所需要的生存条件。我们所发现的或许会支持人择原理的检验和完善。
触觉天文学 将更加快速地发展。脆弱的人类无法适应外太空，触觉天文学将会把机器人探测器、虚拟远程呈现和合适的生物种子送往外太空。人类文明将会延伸到太阳系以外；更不用说人类移民。
反向天文学 将会在大型加速器项目中接触更短的距离和更高的能量。
量子计算 将会寻求并启用计算机算法来解决越来越多的复杂量子过程。在未来的100年里，量子计算会成为化学和材料科学的核心方法。
在接下来的100年里，物理仪器和头脑中的观念都将会承担新的任务。两方面的发展将会变化：移植人工智能和扩展感官系统。
现代的主流计算机本质上是二进制的。它们由芯片构成，这些芯片在高度洁净的条件下生产，这是因为任何故障都会导致计算机运行的错误。如果计算机被损坏了，几乎不可能修复。在这些方面，人类的大脑是不同的。它们是三维的；是在杂乱、松散条件下生成的；并且大脑在出故障或受伤后还会运转。所以有必要去实现半导体技术在密度、速度以及可伸缩性方面的这些特性，并且这样做并不存在明显的障碍。具有容错系统且能自我修复的良好三维计算机即将研发。在设计这些特性的过程中，我们将会了解到与神经生物学相关的信息。
同样地，我们会渴望可以同时研制类人体机器和类人脑计算机。自我装配、自我复制以及自主创意机器将会被研发。它们的设计将会根据生物界来改编一些概念和物理模块。
人类的感知是很有限的。以色觉为例，到达我们眼睛的电磁信号是极化的并且包含了大范围的连续频率，我们看到的颜色是一个粗糙的散列编码，它把功率谱混合成三原色并忽略了极化。当然，我们不能看到包含紫外和红外的频率，它们超出了人眼的可视范围。我们不能感知的东西还包括了关于自然环境的许多重要信息，更不必说数据可视化和数据艺术的可能性。
现代的微电子学和计算机信息处理技术为获取上述这些信息提供了颇具吸引力的可能性。通过合适的转换，我们能够在某些共同感觉的现有通道中对它们进行编码。通过极大地拓展人类的感觉器官，我们将会开启人类感知的大门并能够感受这个世界的真实模样。
前景可期
宣告物理学的终结还为时尚早，我们无法估计它未来的发展。我们能够并且也将会在很多方面取得进步。我们也定会深入探索具体的真实物理现象，并最终征服整个物理学。物理学发展的广阔前景即将来临。以上只是我仅仅列举的未来的一些发展可能性而已。
资料来源 Physics Today
责任编辑 彦 隐