6.物理学理论发展趋势.docx

物理学理论发展趋势

1.现代物理学的辉煌成就

20世纪初叶起始的现代物理学，以相对论和量子论为理论支柱，成就了无与伦比的辉煌功业；无疑，这辉煌会延续到21世纪，现代物理的理论支柱更显稳固.这两个伟大理论依然充满着蓬勃向上的生命活力，表现在两个方面.一是应用：它们对于现代科技的应用非常广泛，新应用的生长点层出不穷，在新生长点上并形成新的学科和科技前沿领域，如量子信息论即是前景看好之一例.二是理论本身，且就此稍作评述.

其一，两理论有深厚的真理涵容，有待进一步挖掘和阐发.例如20世纪末叶由天文观测确定宇宙因暗能量驱使而在加速地膨胀，并测出暗物质、暗能量对于物质总量所占的比例数值，这就促使对广义相对论重作考查，深入研究后已得到满意的理论诠释.而LHC运转后的新发现，也会促成对粒子物理标准模型中尚存疑难深入探讨后予以适当解释.

其二，两理论体系在继续拓展.例如已延拓出的相对论宇宙学标准模型、相对论天体物理、黑洞理论、粒子物理标准模型、超统一理论以及与技术应用联系较密切的量子电子论、量子光学等等，都尚待进一步充实、修缮、拓展.

其三，两理论的结合体系还会延拓出新的理论领域，例如量子宇宙学、量子黑洞理论、量子真空理论等.其四，量子统一理论探索会取得更大进展，此探索或许会成为新世纪（以至更晚）物理学基本理论深层研究的主流.超弦-超膜理论的缔造者之一威腾说得明白：“弦论是21世纪的物理学，它是出于偶然才闯入20世纪的”.有人以其无实验验证而质疑之.但是优越的实验条件要待21世纪高科技总的水准一再提升以后才可逐步创造；而LHC或许会使近十余年来粒子实验搜索的（相对）冷落景况有所转机.超弦-超膜理论是粒子物理标准模型的逻辑拓展体系，采用优美的对称性数学表述，属于量子规范场论范畴.它虽然没有化解相对论与量子论的观念抵牾，却从原则上实现了引力场的量子化，并推导得出广义相对论的一些结论.而圈量子引力论是另一种超统一模型.它更推崇广义相对论的基本观念，从时空量子化着手实现引力场量子化，以达成其引力理论与量子场论相结合的结果，并可望部分地解除观念抵牾所造成的统一困难.不同的超统一模型都旨在使相对论与量子论进一步结合；这是现代物理基本理论研究最重要、也最棘手的课题，此难题从20世纪遗留到21世纪.解决此难题或许宜以解析真空本质作为切入口.当然，此难题不是短时间所能解决的，因为这归结到对一些最基本概念（诸如时空、量子场等）之认识的革命性转变.

然而，本世纪的探索者或许会尽量避开上述观念抵牾的障碍，依然着力于构建一个比现有超统一模型更巧妙、更圆满的高级统一理论体系，把两个理论作为适用于不同场合的特例包容其内；这不失为一种聪明而气度非凡的设想.尚须指出一点，LHC的能量标度与实现大统一、超统一所需的甚高能量尺度相去很远，故而它还只能为弦论等模型提供间接的验证.甚至可能连希格斯粒子和超对称对偶粒子的隐约踪影也搜索不到，则便至少表明这些粒子具有比理论预言值更高的质量下限，抑或就需修改理论模型；即使如此，也算得是一项进展.可见，困难终究不小；但爱因斯坦所倡导之统一场论的壮美建树，毕竟是现代物理基本理论之深层研究的最高目标.所幸者，相对论、量子论及其诸多延拓体系，在21世纪将会显示愈益强大的应用能力；反过来，或可另辟蹊径，亦即为基本理论本身开发多样化的深入探讨和有效验证的途径和手段.因此，以后可能会掀起大统一、超统一研究的新热潮；这研究热潮将会带来基本理论体系的卓越创新和巨大发展，而无数新奇应用更会出乎意料、出神入化.所以说，相对论和量子论还会再创新的百年辉煌，新世纪物理学必定精彩异常、前程似锦.

2.现代物理学的困难

一般以为，广义相对论比狭义相对论数学更深，对近代理论物理的影响也应该更大.其实不然.

20世纪的理论物理可以大致地分为微观物理和宏观物理.如果以涉及的大师级人物和诺贝尔奖以及从业人员的数量和消耗的科研经费作为量度，微观物理也就是粒子物理显然是起主导作用的，宏观物理是相对次要的.粒子物理之所以起主导作用还因为人们一直把它宣扬为基础科学，好像科学的未来发展必须建立在粒子物理理论之上，这就使粒子物理理论的社会地位具有不可动摇的主导作用，而宇宙学则还没有如此地位.有了这点认识，我们就能了解狭义相对论对20世纪理论物理的影响至深至巨.这里最为关键的两条就是洛伦兹协变性和质能等价原理.

洛伦兹协变性被量子场论当作最为重要的法律，从二次量子化中拉格朗日函数密度的构造，运动方程的建立和表示成对易关系的粒子场的量子化，都不能违背洛伦兹协变性.因此，没有洛伦兹协变性，整个量子场论根本就跨不出第一步，也跨不出后续的步伐.量子场论之所以把洛伦兹协变性当作不可动摇的法律，是因为非如此便无法确定（或假定）拉格朗日函数密度.

基本粒子理论总而言之统而言之就是一个根据定积分数值（散射截面）猜测积分函数（相互作用哈密顿函数）的过程.这种猜测是无边无际的.有了洛伦兹协变性，猜测的范围就小得多（其实也还是无边无际）.由此可见洛伦兹协变性对粒子物理的重要性.

狭义相对论对粒子物理影响至深至巨的另一个概念是质能等价原理.根据这一假定的原理，散射截面能谱图上几百个共振峰被认定为“粒子”.这是基本粒子研究失控的最重要的一个转折.没有这几百个不存在的“粒子”，也就不会有今天的标准模型.其重要性自不待言.

相比之下，广义相对论对粒子物理理论的影响几乎为零.当然也还可以找到一点蛛丝马迹.比如在电磁场的量子化中，由于洛伦兹条件的限制，无法使真空态（没有横光子的状态）归一化.也就是说，即使在真空态中也存在无穷多的纵光子和标量光子.

为了克服这种困难，Gupta和Bleuler在1950年代引用一种“不定度规量子化”，将希尔伯特空间中的状态矢量的长度，归一化条件和统计平均值重新定义，以消除归一化的困难和真空态中无穷多的纵光子和标量光子.这里用到的数学技巧和广义相对论中度规的概念可以勉强扯到一起，但是最多也只是数学技巧而已.量子场论中的“不定度规量子化”和广义相对论中的时空度规在物理实质上没有任何联系.

广义相对论对基本粒子物理不仅毫无帮助，反而带来了一个极大的麻烦：引力场根本无法量子化.换句话说，引力场没有办法重整化.所以引力场是被量子场论和标准模型根本排斥在外的.这不仅对“大统一理论”是一个致命打击，它甚至直接挑战量子场论的“正则量子化”方法的合理性.

如果说广义相对论对粒子物理还有一点点好处的话，那就是从爱因斯坦失败的宇宙模型的遗体中生长出来的大爆炸理论为粒子物理的“大统一理论”的梦想提供了一个做梦的席梦思：据说宇宙开始大爆炸时的原点的能量和质量密度都高得足以让大统一理论施展功夫.而这，是全世界人民倾家荡产都做不到的.但是大爆炸理论的这点功劳，也不应该记在爱因斯坦名下，而应该是背离了他的宇宙路线的后学们的业绩.

历史往往极具讽刺性.爱因斯坦终生不相信量子力学，可是量子理论家们却活生生地将相对论和量子论联姻，产生了量子场论.量子场论理论家们把相对论当作比质量守恒和能量守恒定律都还基本的不可违背的原旨教义，把爱因斯坦捧为20世纪最伟大的科学家，可是爱因斯坦的广义相对论偏偏告诉人们重整化方法的背理.

同样具有历史讽刺性的是，爱因斯坦开始构思宇宙模型的时候，他心目中的宇宙是有限的，封闭的，宇宙的有限半径是实数.因为他的宇宙模型是不稳定的，于是他就生造出了万有斥力和宇宙因子.又因为这种万有斥力和距离成正比，是不折不扣的星相学，所以他不得不抛弃自己发明的宇宙因子.可是爱因斯坦的追随者们却检起了他抛弃的宇宙因子，把宇宙半径变成虚数（听说过半径是虚数吗？），把封闭宇宙变成了开放宇宙，宣布宇宙湮灭不会发生.广义相对论的拥趸们继承着爱因斯坦的引力方程和理论武器，正在一步步地否定爱因斯坦的理论构想，证明着有限宇宙思想之荒唐.证明着引力使时空弯曲思想之荒唐.如果以宇宙物质密度系数Ω为空间曲率的量度，大爆炸理论给出的空间曲率与平直空间（Ω=1）的差别不到10的负58次方，最近的实验测量给出的Ω的数值与1之间的差别不到10的负120次方.时空还是弯曲的吗？

最具讽刺意味的是，曾经是爱因斯坦的忠实信徒，以研究黑洞起家成名，被捧为爱因斯坦以后最伟大的科学家的霍金在2014年宣布黑洞不存在，说相对论与量子理论不相容.这无疑是坦承了全世界花了几十年将广义相对论应用到宇宙学的伟大运动只不过是一场闹剧.难道理论物理学界还要将20世纪的历史讽刺剧继承下来，继续演下去？