Physics in 100 Years 是 Frank Wilczek 在布郎大学成立250周年校庆上的一个讲话题目。本博文据此讲话稿编译部分内容。
如果要对未来100年的物理学作为判断,那么先要给出作出这种判断的判据。最为基本的三个原则是:1)当前认识和实践中,不足之处为何?2)就技术和实力层面看,有那几个成长中的领域?3)各类甜点在那里,甜头源于何处?
根据这几个原则,可以归纳出以下7个方面的统一论。
为何要把统一论置于第一位呢?这是基于历史规律:物理学的进步源于统一论的推动。
代数与几何的统一(Descartes)
天体力学与地球力学的统一(Galileo,Newton)
力学与光学的统一(Hamilton)
电学、磁学、光学的统一(Maxwell)
空间和时间的统一(Einstein,Minkowski)
波和粒子的统一(Einstein,de Broglie)
推理和计算的统一(Boole,Turing)
未来100年有如下几类统一论,各有特色!
1 基本力的统一论(经典牛顿力学理念的延伸,如质点系概念类)。对这类统一理论而言,面对的检验性挑战是:将观测到中子衰变,与此相关的实验类研究将成热点;在宇宙中,将观测到铀子,从而成为宇宙学和基础物理学研究热点。
2 力和物质的统一论(规范场论,群论等理念主导)。具有超对称性的粒子将被观测到。超对称物质的研究将开辟粒子物理的黄金年代。
3 空时和物质的统一论(经典连续介质力学理念的延伸,如变形力学,流体力学)。引力与其它力的统一论将更加成熟,并出现具有可观测性的理论推论。引力波将被观测到,它将被开发成为天文学和宇宙探险的常规手段。天体上的很多细节将被直接探测到。
4 演化和起源的统一论(经典数学物理方程法理念的延伸,如经典波动理论)。起始条件如何确定?它们是必要的吗?这类研究将导致结论:基本定律将不再容许任意初始条件,也绝不会是演化方程的形式。
5 作用和信息的统一论(以积分形式表达基本物理定律理念的延伸,如对拉氏力学,哈氏力学,进行信息论解读,关键概念是:信息熵)。基本作用量原理,物理学的定律等,将用信息及信息的变换来做出重新解读和表达。
6 量子和对称性的统一(经典理论构造方式理念的延伸)。未来的研究将表明,量子化和基本对称性并不是独立的原理,而是某个深层统一物的两个方面。
7 思想和物质的统一论(生物学研究的衍生物,把思想作为物质的组成部分)。生物记忆,认知过程,感情,动机,等将在分子层次被物理学所描述。
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