对２１世纪物理学发展的思考

编者的话：

这是一篇关于21世纪物理学发展的短文，奉献给广大读者的却是一份沉甸甸的思考，一份对本世纪未来的美好展望。在这个物欲横流的年代，一个年仅16岁的高二学生甘愿忍受寂寞，苦心孤诣地去关注物理世界的大话题，相信广大读者涌起的惊讶会与编者相似。短短的2个月间，我们接连收到了李山同学的数篇来稿，其中他对“哥德巴赫猜想”的猜想，令人一目。发现新人，扶持新锐，是《知识窗》的办刊宗旨。本着这一愿望，我们特发此文，希望得到广大读者的关注与探讨。

(一)回顾

我们不妨先回顾一下20世纪物理学领域发生了什么——

20世纪中前期，物理学的发展都是同人类一位无与伦比的天才息息相关的，正是他，颠覆了人类旧有的物理学观念，也正是他，开创了物理学发展的新纪元。

19世纪中期，能量守恒和转化定律的发现、热力统计学的建立，特别是法拉第和麦克斯韦在电磁力学上的发现，使得经历了近200年的发展，由伽利略和牛顿建立的古典物理学理论体系取得了史无前例的辉煌，古典物理学也由此达到顶峰。这些辉煌的成就使得当时不少物理学家都认为，在物理学领域里，原则性的理论体系已经建成，留给后人的，只不过是细节方面的补充和发展。

然而到19世纪末期，形势就发生了惊人的大逆转——历史的进程恰恰相反，一连串用古典物理学理论无法解释的现象接踵而来：以太漂移实验，元素放射性，电子运动，黑体辐射等等。在这样的新形势下，不少物理学家都试图在旧的古典物理学框架内部，用进行修补的办法来解决矛盾，但他们的努力却一一遭到失败。

终于在20世纪初期，物理学爆发了人类历史上第一次革命——相对论革命。爱因斯坦以天才的语言彻底推翻了历史悠久的物理学概念，提出了狭义广义相对论，从而成功地解决了物理学矛盾。在相对论革命中，质能方程E=MC的提出更为人类提供了一种新能源——核能，所以相对论革命也是一次伟大的能源革命；爱因斯坦又从根本上改变了人类对时间、空间、运动和物质等基本概念的认识，因而相对论革命又是人类历史上一次重大的思想革命。

经过相对论革命后，物理学的发展达到了一个史无前例的顶峰，相对论革命的辉煌成就，又使得当时不少物理学家认为：物理学领域里原则性的理论已彻底建成，留给后人的，只不过是细节方面的补充和发展。

然而到了20世纪末期，形势发生了惊人的大逆转，历史又呈现了极度惊人的相似，接踵而来的又是一系列让相对论物理学无法解释的现象，其中最具代表性的就是当今的物理学三大悬案：统一力学之谜、基本粒子之谜、宇宙形成及暗反物质之谜。在这样的新形势下，不少物理学家都试图在相对论物理体系内，用进行修补的办法来解决矛盾，但迄今为止，他们的行动都失败了!

统一力学之谜

力学是物理学最主要也是最重要的分支。17世纪，现代物理学的鼻祖牛顿在继承前人的基础上总结出了三大运动定律，并建立起了以万有引力定律为主体的经典力学体系，但其力学理论只适合解决宏观低速运动。进入20世纪，以爱因斯坦为首的一代物理学家，则跳出牛顿力学的框架，建立起了解决宏观高速运动(主要是电磁力)的量子力学体系。这样在当今物理学力学领域就耸立了两座大厦：一座是牛顿经典力学，一座是爱因斯坦量子力学。

爱因斯坦在晚年曾试图把万有引力同电磁力统一起来，尽管他的努力未获成功，但他的思想却在物理学界产生了深远的影响。爱因斯坦逝世后，世界上再没有出现革命性的理论物理学家，而统一力学也渐渐淡出物理的主流研究。

基本粒子之谜

与力学受冷落相反，基本粒子是当今物理学研究最最热门的课题。

基本粒子，原意是指内部结构不可再分的物质基本单元。早在19世纪中期，英国的道尔顿和意大利的阿伏加德罗就建立了原子——分子论：任何物质都是由分子或原子构成的，原子是不可再分割的微粒。但到19世纪末，经过汤姆生、卢瑟福、玻尔、查德威克等人的共同努力，又发现了电子、质子和中子，并且知道质子和中子组成原子核，原子核和电子组成原子，这时人们就把电子、质子和中子称为组成物质的最基本粒子，简称基本粒子。

随着科学技术的发展，从20世纪30年代以来，人们又源源不断地从宇宙射线和原子核实验中发现了大量的新基本粒子，例如正电子、超子、介子、反粒子等等，这些新基本粒子现已经发现了几百种之多，而且预计还有尚未发现的。

迄今为止，尚未有一种理论能解释这一奇怪现象，也没有一种理论能够统一这几百种粒子，包括当今最流行的夸克模型在内。

值得一提的是，在过去几十年中，有不少从事基本粒子研究的物理学家荣获诺贝尔奖，其中就有美籍华裔巨擘丁肇中和朱棣文。

宇宙形成及暗反物质之谜

迄今为止，大家普遍认为宇宙是由大爆炸形成的，但具体说法国际上还存在相当大的争议。“暗物质”是在20世纪30年代由天文学家提出的。与“哥德巴赫猜想”一样，“暗物质说”也是有概念而无实体，也就是说，直到现在还没有谁能最终证明所谓“暗物质”的存在。

天文学家却对“暗物质”给予高度评价，他们声称通过观察，宇宙中90％以上是“暗物质”。有的天文学家还认为，就算把宇宙中所有的物质(指地球、恒星、行星等可见物质)都移去也不会影响整个宇宙的命运，因为真正主宰宇宙命运的上帝是“暗物质”。因而可以说“暗物质”的发现和研究对整个物理学是个巨大的挑战，一旦把它找到，整个物理学就得改写。

在物理学界又有一种“反物质”的说法，物理学家大都认为：宇宙在大爆炸之初，产生了正物质和反物质，我们居住的是正物质宇宙，而事实上还有一个反物质宇宙!反物质宇宙在哪里?什么样?有外星人吗?跟UFO又有什么关系?

以上的三个谜难道只有“天”才知道吗?

(二)预测

假如让一个性急的人下一个预测，那他也许会说，在2005年我们就能见证物理学的又一场革命；假如从科学的角度出发，我们却可以下一个肯定的结论：21世纪必然要发生物理学革命!

从历史上看，人类的认识总是由不完善到相对完善，相对完善后，随着科学技术的进步，人类肯定又会再积聚一些问题，当积聚达到一定程度时肯定就会发生革命——各个领域都一样，物理学领域尤为明显。

要掀起物理学革命肯定需要一位天才人物来领导，他是谁?他又怎样去解决当今的物理学三大悬案?我们不妨先作一些大胆的猜测：

首先，他肯定会非常年轻，甚至年轻到我们意想不到的程度，这跟相对论革命会有着相似之处——1905年爱因斯坦提出狭义相对论时年仅26岁!

第二，他极有可能是一个“门外汉”，一个极度聪明的“门外汉”，就像相对论革命一样，真正起来领导一次成功革命的，不是哪个国家大名鼎鼎的科学教授，相反仅是一个在瑞士伯尔尼专利局默默工作、默默奋斗的小公务员(1902-1909年爱因斯坦在伯尔尼专利局当了7年审查员)!

注意!以上两个结论是非常有科学道理的：人类科学的进步就是一个不断否定旧理论和提出新观点的过程，而他的年轻就注定他会有一个开放、喜欢探究和充满活力的头脑，“门外汉”的身份则为他敢于向权威挑战提供了可能!

他在哪里?他是谁?让我们一同期待!