朱邦芬：什么是物理学 为什么要学物理——物理学的过去、现在和未来（8）

三、物理学的未来

下面我讲讲物理学的未来。以我自己的观点来看，物理学最有希望发展的几个分支领域，首先还是凝聚态物理。什么是凝聚态，实际上我们平时接触的基本都是凝聚态物理，它最早叫固体物理，但后来又把液体、液晶加进去了，这样就把固体、液体、液晶都加在一起，起个名字叫凝聚态。我觉得凝聚态物理是比较有发展前景的。物理学家原来总是认为，我们把最基本的东西弄清楚，其他的事情就很简单了。无非是，如果我们把基本粒子弄清楚了，基本粒子怎么来构成原子，原子怎么构成分子，分子怎么来构成凝聚态，这些都只不过是数量更多、更复杂一点。这是原来很多物理学家的概念，包括爱因斯坦也有这个概念。但是这个概念实际上是不完全准确的，并不是说你对夸克怎么运动清楚了，你对一个生命体里蛋白质怎么折叠、对DNA分裂就清楚了；也不完全是你对夸克弄清楚了，你对一块半导体里面的电子是怎么导电就清楚了。我们原来学过辩证法，三大定律其中有一个叫“量变会引起质变”，你的粒子多到一定程度以后，它会产生新的规律，这个新的规律跟原来的少数几个粒子的规律是不一样的。所以，一方面物理是基础，但是另一方面物理学家不是包打天下，并不是说会解量子力学，知道了广义相对论，就对化学里所有的问题都清楚了，对生命物理的过程也清楚了。每个层次都有自己特殊的问题。

那么，凝聚态物理的特殊问题是什么呢？粒子数一多，电子如果到10的23次方，甚至更多，这时候它会出现很多很复杂的集体现象。这么多的电子之间的相互作用，完全是个新的领域。所以，这实际上是物理的一个很重要的分支领域，而这个分支领域很多问题是基本的。比如相变怎么发生的，比如相互作用到一定的程度以后，特别是相互作用很强的关联的时候会怎么样，这是一方面。另一方面，凝聚态物理当然跟应用最有关系，我们很多日常的应用，不管是信息科学、能源科学还是材料科学，基本上它的基础都是凝聚态物理。所以凝聚态物理当然是很有前景的。

美国物理学会在前几年提出下一个十年最有挑战的六个问题，其中包括未来的能源需求，下一代能源到底怎么来解决，这里面涉及到怎么节能、怎么储能、怎么开发可再生新能源，这都是跟物理密切相关的。

再比如信息技术，现在集成电路的芯片集成度越来越高了，未来的集成电路到底应该走哪条路，是电子作为一个信息载体，还是用电子的自旋作为信息载体，或者根本不是用电子的电荷与自旋作为信息载体，而是用电子的量子态作为信息载体？这样将来就是用量子态叠加量子比特，作为未来信息技术的基础。这个问题是很重要的问题。

再比如说，我们现在讲的纳米，当物质小到一定程度，这时候更多是量子力学在起作用，这里面到底有什么新的东西，这是值得我们研究的。

又比如说，我们生命的过程很复杂，它里面的物理基础到底是什么？一些复杂现象到底是怎么从最简单的成分发展起来的？我们平时物理上对平衡态研究得比较清楚，但有很多远离平衡态的物质过程是什么？这些问题都是凝聚态物理要回答、要解决的问题。这里面有大量的科学问题，也有大量的应用的实际问题，它会引起很多高技术的根本改变，所以我觉得这个领域非常有前景。

第二个领域当然是现在讲得比较多的量子物理。量子物理最重要的一块是什么呢？所谓的凝聚态物理，实际上都是以量子力学为基础的，它本质上都是量子物理。但是量子物理并不限于是凝聚态，它可以是原子、分子，也可以是光；可以作为一个信息载体，也可以研究量子现象。所以，量子物理与凝聚态物理既有交叉，又有不同的地方。对现在来讲，量子物理最重要的是与信息技术密切相关。所以我觉得量子物理也是非常有发展前景的，特别是现在的量子计算机，可以算得非常快。当然，要真的实现一般的计算，这条路可能还很长。但是一些特殊的应用，可能会比较快地出现，比如某种算法，所以这是比较有应用前景的。

第三个领域是所谓的冷原子领域。冷原子领域是原子、分子、光物理里面的一个分支领域，这涉及到爱因斯坦讲的波色-爱因斯坦凝聚，这里面有很多的新现象，特别是它跟精密测量有关系。我们有很多全球定位系统、精密测量，都是要靠冷原子物理。我们的钟要做得越来越准确、精密，也是冷原子物理方面的应用。

第四个领域是天体物理和宇宙学。这涉及到宇宙到底是怎么起源的？宇宙中的“暗物质”是什么东西？这些现在还不清楚。这里面有很多吸引人的地方，这些问题解决了也许会有革命性的改变，就像上世纪“两朵乌云”一样。

另外，粒子物理涉及到一个基本的大统一理论。我们的作用力有四种：强相互作用力、弱相互作用力、电磁作用力、引力。现在我们把前三种力都可以给它统一起来了，这是粒子物理的标准模型，但是怎么把前面三种作用力跟引力给统一起来？粒子物理学家的一个野心当然就是想把这四种力给统一起来，这样也许对大自然会有更进一步的认识。但是这里面涉及到一个困难，就是说我们原来通过加速器把粒子的能量给加大，然后让两个粒子来对撞，但是现在加速器的能量越大，造价越来越贵，而且要超出标准模型需要的加速器的能量不是几倍的增强，而是几个数量级的增加，这样实验就会有比较大的困难。当然，粒子物理也可以开辟其他途径，比如可以跟天体物理结合。

最后一个最广泛的领域就是应用物理，怎么把物理应用到各种高科技，应用到国防、民生，这里面有大量的做不完的工作。

谢谢大家！

（根据宣讲家网报告整理编辑，

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