施郁教授

中国科学技术大学物理学院、人文与社会科学学院

根据历史经验和现实考量，我对物理学的未来充分乐观。

首先，未解之谜表明物理学的活力。19和20世纪之交，物理学天空曾经漂浮两朵乌云，一个是探测不到假想的以太（光波媒介）相对于地球的运动，另一个是，用“能量均分定理”计算的固体比热与实验不符。这两朵乌云很快被相对论和量子力学驱散。

现在的物理学天空也漂浮着几朵乌云，例如：我们不知道暗物质和暗能量是什么；引力的量子化还没有完成；我们不完全理解为什么在同一个世界中，量子力学与经典力学共存；我们还没有能力用原子组装病毒；我们甚至还没有公认的高温超导理论。

在科学的征程上，困难时有发生，但是历史上的类似情况后来都柳暗花明。诸如“物理学的终结”的预言都失败了。

高能物理方面，当年虽然美国的超导超级对撞机被否决，但是后来希格斯粒子被欧洲的大强子对撞机发现。虽然提高对撞机的能量越来越难，但是非加速器高能物理大有可为，比如中微子物理、质子衰变的研究。即使实验上出现暂时停滞，在一定时期、一定范围，理论也能驱动基础物理的进步。1970年代初，特 · 胡夫特和韦尔特曼证明了规范场的非阿贝尔规范理论或杨-米尔斯理论的可重整化，1999年获诺贝尔奖。这保证了粒子物理标准模型的自洽。

曾几何时，凝聚态物理被很多人误以为是基本规律的应用和外延，不外乎求解复杂的方程。但是后来人们认识到，凝聚态物理充分体现了复杂系统的层展现象，揭示出复杂聚集体的行为并不能从单个粒子得到解释。凝聚态物理中建立起一系列重要概念，如自发对称破缺等。这些概念也被应用到粒子物理、生命科学和计算机科学。高能理论家盖尔曼早先曾将固体（solid）物理学称为肮脏（squalid）物理学，但后来他本人却投身复杂性研究。近年来凝聚态物理学研究了许多量子和拓扑物态，也在拓展到物理学的其他领域，包括高能物理。

近年来物理学也有了新的机遇。天体物理学和宇宙学迎来黄金时代。各种探测卫星琳琅满目。引力波探测打开了探索宇宙的新窗口。2021年成功发射的韦布空间望远镜是历史上最大的光学望远镜，可以比哈勃望远镜观察到更远更老的天体，包括最早的恒星和最早的星系。

另一个机遇来自量子信息和量子技术。它们不仅受应用推动，而且为探索量子物理学的新极限和新视野提供了新的平台。基础量子物理的进步也促进对凝聚态物理、量子场论和粒子物理的认识深化。

物理学的研究模式也在变革中。互联网带来科学合作新模式，提供了共享资源的平台，例如大强子对撞机的数据，以及虚拟天文台，也诞生了所谓公民科学，使得公众可以参与科学研究，例如，普通人可以查看望远镜输出的图像，可以用智能手机探测宇宙射线。

机器学习和人工智能将对物理学的研究方式产生冲击。机器学习在物理学中已经有许多应用，主要是在各种分类和模式识别问题上。更先进的人工智能对物理学将带来更多的帮助。最近备受关注的ChatGPT已初现端倪。但是物理学工作者如何整合人工智能工具，还有待在实践中摸索。

人工智能也带来有趣但也有危机感的问题，不过危机也是机遇。人工智能能否发现新的物理定律？“科学家”（scientist）会不会像“计算员”（computer）那样成为一种机器的名称？正如computer现在译为计算机，scientist会不会改译为科学机？“物理学家”（physicist）是其中一类，会不会改译为物理机？或者，物理学家将成为物理机的操纵者？或者人工智能与物理学家的大脑连接？