物理學(xué)的未來(lái)

回顧物理學(xué)發(fā)展的歷史，更要關(guān)注21世紀(jì)物理學(xué)發(fā)展的方向。21世紀(jì)物理學(xué)將在三個(gè)方向上繼續(xù)發(fā)展：在微觀方向上深入下去；在宏觀方向上拓展開去；深入探索各層次間的聯(lián)系，進(jìn)一步發(fā)展非線性科學(xué)。

1．未來(lái)探索方向

（1）在微觀方向上深入下去。在這個(gè)方向上，已經(jīng)了解了原子核的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了大量的基本粒子及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，建立了核物理學(xué)和粒子物理學(xué)，認(rèn)識(shí)到強(qiáng)子是由夸克構(gòu)成的。今后可能會(huì)有新的進(jìn)展。但如果要探索更深層次的現(xiàn)象，必須要有更強(qiáng)大的加速器，而制造這樣的加速器，是非常艱巨的任務(wù)。

（2）在宏觀方向上拓展開去。1948年，美國(guó)的伽莫夫（1904～1968）提出大爆炸理論，當(dāng)時(shí)并未引起重視。1965年，美國(guó)的彭齊亞斯（1933～ ）和威爾孫（1936～ ）觀測(cè)到宇宙背景輻射，再加上其他觀測(cè)結(jié)果，為大爆炸理論提供了有力證據(jù)，由此大爆炸理論得到廣泛的支持。1981年，日本的佐藤勝?gòu)┖兔绹?guó)的古斯（1947～ ）同時(shí)提出暴脹理論。從根本上來(lái)說(shuō)，現(xiàn)代宇宙學(xué)的繼續(xù)發(fā)展有待向廣漠的宇宙更遙遠(yuǎn)處觀測(cè)的新結(jié)果出現(xiàn)，這需要人類制造出比哈勃望遠(yuǎn)鏡性能更加優(yōu)越的、各個(gè)波段的太空天文望遠(yuǎn)鏡，這也是很艱巨的任務(wù)。

（3）深入探索各層次間的聯(lián)系。這正是統(tǒng)計(jì)物理學(xué)研究的主要內(nèi)容。20世紀(jì)在這方面取得了巨大的成就，先是非平衡態(tài)統(tǒng)計(jì)物理學(xué)有了極大的發(fā)展，然后建立了耗散結(jié)構(gòu)理論、協(xié)同論和突變論，接著混沌理論和分形理論相繼發(fā)展起來(lái)。這些學(xué)科都屬于非線性科學(xué)的范疇。21世紀(jì)，非線性科學(xué)的發(fā)展會(huì)有廣闊的前景。

2．探索未知世界

那么，現(xiàn)代物理學(xué)的重大突破怎樣可能呢？

根據(jù)大爆炸理論，宇宙中物質(zhì)與反物質(zhì)的數(shù)量一樣多。假設(shè)反物質(zhì)存在的話，就會(huì)發(fā)射出反氦或反碳等，這些反物質(zhì)會(huì)穿過(guò)太空而接近地球，我們應(yīng)該能夠在太空中探測(cè)到。但是，由于物質(zhì)和反物質(zhì)在大氣中相互湮滅，它們不可能在地面上探測(cè)到，而只能將探測(cè)器送入太空進(jìn)行探測(cè)。

在物理學(xué)家丁肇中的主持下，一個(gè)龐大的科學(xué)計(jì)劃（即AMS計(jì)劃）正在組織實(shí)施過(guò)程中。AMS－01所用的永久磁鐵是由中國(guó)建造的。AMS－02將采用超導(dǎo)磁鐵，設(shè)想發(fā)射在超導(dǎo)條件下工作的空間探測(cè)設(shè)備，從而大大提高在太空中長(zhǎng)時(shí)間采集更多的數(shù)據(jù)的能力。在太空中使用超導(dǎo)磁鐵不久前還被認(rèn)為是不可能的。這是科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的又一個(gè)嘗試。

3．受控熱核反應(yīng)

人類目前可利用的主要能源資源將在未來(lái)幾十年至100多年的時(shí)間內(nèi)枯竭。綜合各種機(jī)構(gòu)的評(píng)估和專家測(cè)算，按目前世界已探明能源儲(chǔ)量和可開采年限計(jì)算，石油資源儲(chǔ)量為10 195億桶，可供開采43年，高成本油田可供開采240年；天然氣埋藏量144萬(wàn)億立方米，可開采63年，高成本氣田可供開采452年；煤炭埋藏量10 316億噸，可開采231年；已探明鈾儲(chǔ)量436萬(wàn)噸，可供72年使用，海水中的鈾可供使用1萬(wàn)年。（以上沒(méi)有公認(rèn)的權(quán)威數(shù)字，只是綜合各種報(bào)道的平衡數(shù)據(jù)）。

由中國(guó)、美國(guó)、歐盟、日本、俄羅斯、韓國(guó)參加的熱核反應(yīng)堆國(guó)際合作計(jì)劃（ITER）再次引起了人們的興趣。若能在未來(lái)50年內(nèi)開發(fā)成功，將在很大程度上改變目前的世界能源格局。利用熱核反應(yīng)，海水中的鋰能源可開采利用1 600萬(wàn)年，而利用重水反應(yīng)可開采60億年，幾乎是取之不盡、用之不竭的清潔能源。

核聚變反應(yīng)堆的研究能極大推動(dòng)參與國(guó)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展?？煽睾司圩兎磻?yīng)的研究已有幾十年歷史，并帶動(dòng)了尖端科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)步。1996年7月19日，日本熱核試驗(yàn)裝置JT－60成功達(dá)到核聚變臨界，創(chuàng)造了人工獲得5．2億攝氏度的最高紀(jì)錄。美國(guó)的TFTR和英國(guó)的JET都曾成功達(dá)到核聚變臨界，獲得上億攝氏度的高溫，計(jì)劃50年后成功發(fā)電——這就是目標(biāo)。ITER是少數(shù)大型國(guó)際合作項(xiàng)目之一，也是通過(guò)國(guó)際合作為人類造福的嘗試。通過(guò)有關(guān)各方的努力，希望能為人類的未來(lái)帶來(lái)曙光，用人類自己的可控制的“太陽(yáng)”照亮未來(lái)之路。

我國(guó)的全超導(dǎo)非圓截面核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（EAST）也在最近幾年內(nèi)實(shí)現(xiàn)了跨國(guó)遠(yuǎn)程控制的等離子體放電。美國(guó)通用原子能公司的專家通過(guò)專用數(shù)據(jù)網(wǎng)，輕點(diǎn)鼠標(biāo)即可輕松啟動(dòng)并運(yùn)行位于地球另一端的中國(guó)核聚變實(shí)驗(yàn)裝置。

4．物理學(xué)聯(lián)姻生命科學(xué)

物理學(xué)與生命科學(xué)的交叉點(diǎn)是21世紀(jì)物理學(xué)發(fā)展的方向之一，與此有關(guān)的是關(guān)于復(fù)雜性研究的非線性科學(xué)的發(fā)展。面對(duì)生命，我們沒(méi)有認(rèn)識(shí)的問(wèn)題實(shí)在太多了，今天對(duì)生命科學(xué)的認(rèn)識(shí)猶如亞里士多德時(shí)代的人們對(duì)于物理學(xué)的認(rèn)識(shí)，仍處在嬰兒期。因此，在這方面取得突破性的進(jìn)展有很多機(jī)會(huì)。

許多理論物理學(xué)家投入到對(duì)生物學(xué)的研究中。物理學(xué)在生物學(xué)發(fā)展的過(guò)程中為其提供了大量的工具和新思想。物理學(xué)支持著生物學(xué)，而生物學(xué)又支持著醫(yī)學(xué)。因此，將物理學(xué)應(yīng)用于生物學(xué)和醫(yī)學(xué)的潛力是巨大的。物理學(xué)本身、物理學(xué)和社會(huì)、物理學(xué)和生命都將開出更加絢麗的花朵。

當(dāng)代實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家丁肇中認(rèn)為：“基礎(chǔ)研究的原始動(dòng)力是人類的好奇心——學(xué)習(xí)新事物和了解自然現(xiàn)象”，“基礎(chǔ)研究是新技術(shù)和工業(yè)發(fā)展的原動(dòng)力”，“因此，基礎(chǔ)研究應(yīng)該得到支持?！?/p>

對(duì)物理學(xué)和所有科學(xué)最重要也是最根本的支持，就是培養(yǎng)下一代人對(duì)科學(xué)的尊重、熱愛和不懈追求。