作者：黃龍光
（照片由Andrei Linde提供）
美國麻省理工學(xué)院物理學(xué)家弗朗克·韋爾切克（Frank Wilczek，因在夸克粒子理論方面所取得的成就，2004年獲得諾貝爾物理學(xué)獎）在4月出版的《今日物理》（Physics Today）雜志上發(fā)表文章《未來100年的物理學(xué)》[1]，預(yù)測了對稱性、多元宇宙、軸子、引力和算法等的發(fā)展，以及諸多大項(xiàng)目帶來的學(xué)科發(fā)展，如引力波天文學(xué)、系外行星天文學(xué)、量子計算等。
超對稱和統(tǒng)一的思想已成功預(yù)測了非零中微子質(zhì)量，決定這一思想的成功與否的關(guān)鍵是重子數(shù)破缺過程，包括質(zhì)子衰變和超對稱伙伴的存在。無論是質(zhì)子衰變還是超對稱伙伴，都將開啟一個新的世界。100年內(nèi)它們應(yīng)該能被發(fā)現(xiàn)。
在多元宇宙理論下，人類觀察到的宇宙只是整個宇宙系統(tǒng)的其中一個宇宙，正如太陽系只是眾多行星系統(tǒng)中的一個。100年內(nèi)人類將能更好地理解這一理論。
軸子是理論物理學(xué)家假設(shè)存在的一種粒子，質(zhì)量很小、相互作用很弱。軸子是構(gòu)成暗物質(zhì)的候選者之一，探測軸子的實(shí)驗(yàn)正在不斷增加中，100年內(nèi)，或者很可能在更短的時間內(nèi)，這些實(shí)驗(yàn)會成功。
下一個百年對引力的研究包括3個重要的問題：
為什么引力的強(qiáng)度與其他的力不成比例？
空間的質(zhì)量密度為什么遠(yuǎn)小于理論預(yù)測，而且是非零的？
廣義相對論直接量子化后的方程為什么在極端條件下會失??？
弦理論緊密聯(lián)系了廣義相對論和量子理論，如果弦理論能有一個更加固定的形式，那么在100年內(nèi)它將能很好地闡釋許多引力問題。
螞蟻的視角指的是人類通過意識及時感知各種事物，把對世界的認(rèn)識分為各種定律，上帝的視角指的是把現(xiàn)實(shí)作為一個整體來理解。根據(jù)相對論，上帝的視角顯得更自然。相對論使人類把時空作為一個有機(jī)整體來考慮。韋爾切克認(rèn)為，未來100年基礎(chǔ)物理最深遠(yuǎn)的挑戰(zhàn)是從螞蟻的視角提升到上帝的視角來考慮物理現(xiàn)實(shí)。
算法的發(fā)展將成為理論物理的焦點(diǎn)，計算機(jī)能運(yùn)行的概念和方程能得到廣泛利用，不能轉(zhuǎn)化為算法的概念和方程將被認(rèn)為是有缺陷的。但這并不意味不用動腦的數(shù)字運(yùn)算將取代創(chuàng)新的洞察力，相反，對普適性、對稱性和拓?fù)涞膭?chuàng)新理解將成為算法思想的前提。
大項(xiàng)目將為人類帶來特別大的機(jī)遇，但要實(shí)現(xiàn)這些項(xiàng)目將需要大量資源的投入。
（1）引力波天文學(xué)已經(jīng)開始打開宇宙的一扇新窗口，為了充分利用引力波天文臺的潛力，人類應(yīng)該在太空部署跨越數(shù)百萬公里的精密儀器陣列。
（2）系外行星天文學(xué)將系統(tǒng)地調(diào)查銀河系，收集數(shù)以百萬計的行星的質(zhì)量、軌道、地質(zhì)和大氣層的信息，以及生命在這些行星上有多罕見和生命存在的條件。
（3）隨著機(jī)器人探測器、虛擬遠(yuǎn)程呈現(xiàn)和合適的生物種子的發(fā)展，觸覺天文學(xué)（Tactile astronomy）將變得輕而易舉。人類文明將擴(kuò)展到太陽系之外。
（4）量子計算將要求和實(shí)現(xiàn)日益復(fù)雜的量子裝置的算法。100年內(nèi)，量子計算將成為化學(xué)和材料科學(xué)的核心方法。
未來100年，除了物理儀器之外，思維方式也有兩個方向?qū)@得變革性的進(jìn)展：自然化的人工智能，如三維、容錯、自修復(fù)的計算機(jī)，自組裝、自再生、自治的創(chuàng)新機(jī)器等；擴(kuò)展的感知系統(tǒng)。
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[1] Physics in 100 years.
http://scitation.aip.org/content/aip/magazine/physicstoday/article/69/4/10.1063/PT.3.3137
（內(nèi)容來源于中國科訊，科學(xué)大院已獲得授權(quán)發(fā)布）
