13.现代物理学的辉煌成就与困难

PAGEPAGE1现代物理学的辉煌成就与困难目录1.物理学与现代科技2.现代物理学的辉煌成就3、现代物理学难以解释的几个实验4、现代物理学中的几个疑难问题5、现代物理学的批判6、理论物理学发展方向一窥1.物理学与现代科技物理学（physics）一词起源于古希腊，拉丁文原意是“自然”。自公元前七世纪，物理学就以自然哲学的形式从人类的生产劳动中萌芽出来，先后经历了古代物理学、经典物理学、近代物理学和现代物理学四个阶段。物理学是研究物质的最基本、最普遍的运动形式以及物质的基本结构的科学。20世纪50年代以来的当代物理学已经发展成为一个相当庞大的学科群，包括了高能物理（粒子物理）、原子核物理、等离子体物理、凝聚态物理、原子分子物理、光物理、声学、计算物理和理论物理等主体学科以及难以数计的分支学科。物理学内部各个分支学科的渗透和交叉，物理学和化学、生物学、材料科学、天文学等其他学科的渗透和交叉，又产生了许多新的、富有生命力的边缘学科，形成了众多极有发展前途的科学前沿。当代物理学还呈现出高速发展的趋势，现代物理学中90%的知识是1950年以后取得的。其发展之快，分支之多，变化之大，已使人们很难及时作出全面的概括。近、现代物理学革命带来了科学图景的巨大变革：相对论打破了经典力学的绝对时空观，量子力学打破了可控测量过程的梦想，混沌粉碎了拉普拉斯的机械决定论……。无论从外延还是从内涵上看，当今物理均处于较高地位，从经典物理不能线性导出当今物理。这其间的范式转换，不仅涉及具体科学知识的变化，更主要的体现在基本思想、基本观念的变革。当代物理学研究的综合性、深入性、复杂性、创新性和可应用性，都呈现出鲜明的时代特点。物理学在21世纪发展的全景，人们无法作出全面的预测。只能根据我们目前的认识水平，根据当代物理学发展的状况和特点，对21世纪最初几十年的发展趋势作“豹斑之窥”。大体说来，在科学技术整体发展的推动下，物理学仍将加速地发展和分化，同时又会出现更多的渠道，增强各个分支之间的交叉和非线性作用，导致更为广泛和深刻的综合，朝着各个分支学科不断深入而整体领域综合交叉的整体化方向进展。p。c。w戴维斯指出：“物理学是最自负的一门科学，物理学家把理解宇宙的奥秘视为自己的职责。而其他科学家只局限于研究一些具体的东西……像神学家一样，物理学家不承认任何系统在原则上处于他们的研究范围之外。”物理学作为精密科学的典范，并以其探索视野的广阔性、研究层次的广谱性、理论适用的广泛性，在今后很长时期内仍将发挥其中心科学和基础科学的作用。它也仍将不断地推出新思想、新原理和新方法，孕育出功能奇特、威力巨大的新技术，成为新技术和新兴产业部门的源泉和生长点。物理学与未来高新技术将更加紧密地发生融合，互相促进，协同发展，成为科学技术革命深入发展的主旋律；物理科学技术领域愈来愈频繁出现的突破性进展，将会更加吸引社会公众对物理学事业发展的热切关注。近10多年来，关于非平衡统计物理学的研究前景也十分诱人，非平衡相变、耗散结构、协同学等就是其中比较活跃的研究领地。这几年，人们注意到，远离平衡的系统可能经过突变进入混沌(chaos)状态，而且混沌态可能并不比时空有序的状态更“无序”，混沌态和耗散结构还可能交替出现。现在，人们大体上已了解到，混沌是非常普遍的自然现象，在一定的意义上讲，混沌状态比无理数要多得多，而且混沌序(内在随机性)比自然界存在的有理序(周期性)、无理序(准周期性)更“高级”，即使在通常认为由决定论统治的牛顿力学中，也普遍地存在着内在随机性，完全确定论的描述在牛顿力学中倒是少如风毛麟角。但是，混沌决不是简单的无序，而更像是不具备周期性和其他明显对称特征的有序态。在理想情况下，混沌状态具有无穷的内部结构，只要有足够精密的观察手段，就可以在混沌态之间发现周期和准周期运动，以及在更小的尺度上重复出现的混沌运动。正因为如此，我国学者才从古汉语中引用“混沌”一词(气似质具而未相离，谓之混沌)来描述这种奇特的现象。混沌转变和非平衡相变都是经过突变而不是渐变实现的，这说明混沌状态的出现也与对称破缺有关。现在重整化技术已经成功地用于混沌转变的研究，已有一批反映通向混沌道路的数学模型，而且新的实验报道也在不断涌现。这个成为80年代重要研究课题的进展，也许不仅会导致数理科学中基本观念的又一次革新，而且可能导致对偶然性和必然性、确定论和概率论等哲学范畴以及自然科学方法论的更深刻的认识。2.现代物理学的辉煌成就二十世纪物理学对人类的思维方式和社会发展做出了三方面的重要贡献：第一，相对论、量子力学和它们相结合产生的量子场论从根本上改变了人类对时空和宇宙万物的看法，使人们从绝对的决定论的宇宙观变为辩证的唯实的宇宙观。第二，二十世纪物理学是带头的学科，它带动了化学、天文、材料、能源、信息等学科的发展，它为生物、医疗、地学、农业提供了强大的探测手段和研究方法。物理学在半导体、集成电路、激光、磁性、超导等方面的发现奠定了信息革命的科学基础。它推动了高技术产业的发展，引发了以微电子、光电子和微光机电技术为核心的工业革命，由物理学研究衍生的新技术和新产品层出不穷，从根本上改变了人们的生产方式和生活方式。第三，通过计算机的帮助，应用古典物理理论讨论流体运动和气象预报时，发现了自组织、混沌和分形等现象。随后发现，这是普遍存在于非线性相互作用的开放系统中的现象，生命系统和社会系统也不例外。物理学是人们对无生命自然界中物质的转变的知识做出规律性的总结。这种运动和转变应有两种。一是早期人们通过感官视觉的延伸，二是近代人们通过发明创造供观察测量用的科学仪器，实验得出的结果。物理学从研究角度及观点不同，可分为微观与宏观两部分，宏观是不分析微粒群中的单个作用效果而直接考虑整体效果，是最早期就已经出现的，微观物理学随着科技的发展理论逐渐完善。现今物理学（狭义与广义相对论、量子力学和量子场论及其发展如标准模型（包含弱电统一理论和量子色动力学））已经把目前实验能触及到的领域都涵盖进去了。从尺度讲，包含从10-17米的极微观到1026米的宇观范围；从能量角度讲，已经到达现在LHC的TeV能标。所以现在的新物理，都只能出现在：（1）10-17米以下尺度（检验超对称、超弦是否存在，检验超引力及量子引力）；（2）从星系尺度到1026米的宇观尺度（检验所谓的暗物质、暗能量是否存在及其本质）；（3）在LHC的TeV能标之上，解决标准模型（弱电统一理论和量子色动力学）中出现的一些疑难。虽然标准模型整个框架已经确定，应该也不存在什么问题，但模型本身提出了不少更为本质的疑问，暗示着新的发展路线。标准模型现在的情况就好比1900－1926年的旧量子论，未来还将存在TeV能标以上的新物理，包括弱、电、强力三者的统一（大统一理论）。（4）超低能低温下的丰富的对称破缺。这是凝聚态物理的事情。能量标度上升，对称性增高及得以恢复，各种力都走向同一，物理学趋向统一，所以大统一理论（弱、电、强力三者的统一）以及四种力（弱、电、强、引力）的统一，都必然是在极高能标下完成的；能量标度下降，对称破缺产生，四种力（弱、电、强、引力）都逐渐分离，表现不同行为。总之，高能量标度使得对称性恢复，物理世界变得简单及统一；能量标度下降，世界变得复杂，丰富多彩1.相对论德布罗意认为：相对论好象是：“光彩夺目的火箭，它在黑暗的夜空，突然划出一道道十分强烈的光辉，照亮了广阔的未知领域。”运动着的物体所占有的空间是变动不居的，描写这种变动的就是时间，时间作为广义的空间结构的一个维度。时空不是独立的存在，时空是物质的时空，时空是物质世界的表象，物质本体改变了，其表象必随其变。空间与时间在表述物质时，各有侧重：空间侧重于表述物质相对静止的状态，时间侧重于表述物质相对变动的过程。物质的存在是相对变动中的存在，静止是变动中相对的静止，从这一角度可以认为：物质是变动与静止的统一体，是时间和空间的统一体。时间和空间是不可分的，譬如：当我们看到时钟指针的空间状态就知道时间的位置，知道时间状态就可以推出时钟指针的空间位置；在譬如：当我们知道一个人的形体容貌就可推出其正常条件下的大致年龄及寿命，知道一个人的性别及年龄就可知道其大致的形体发育状态。狭义相对论和广义相对论建立以来，已经过去很长时间，它经受住了实践和历史的考验，是人们普遍承认的真理，相对论对于现代物理学的发展和现代人类思想的发展都有巨大的影响。相对论从逻辑思想上统一了经典物理学，使经典物理学成为一个完美的科学体系。狭义相对论在狭义相对性原理的基础上统一了牛顿力学和麦克斯韦电动力学两个体系，指出它们都服从狭义相对性原理，都是对洛沦兹变换协变的，牛顿力学只不过是物体在低速运动下很好的近似规律。广义相对论有在广义协变的基础上，通过等效原理，建立了局限惯性长与普遍参照系数之间的关系，得到了所有物理规律的广义协变式，并建立了以广义协变的引力理论，而牛顿引力理论只是它的一级近似。这就从根本上解决了以前物理学只限于惯性系数的问题，从逻辑上得到了合理的安排。相对论严格地考察了时间、空间、物质和运动这些物理学的基本概念，给出了科学而系统的时空观和物质观，从而使物理学在逻辑上成为完美的科学体系。相对论是关于时空和引力的基本理论，主要由爱因斯坦(Albert.Einstein)创立，分为狭义相对论和广义相对论。相对论的基本假设是相对性原理，即物理定律与参照系的选择无关。狭义相对论和广义相对论的区别是，前者讨论的是匀速直线运动的参照系（惯系参照系）之间的物理定律，后者则推广到具有加速度的参照系中（非惯性系），并在等效原理的假设下，广泛应用于引力场中。相对论和量子力学是现代物理学的两大基本支柱。奠定了经典物理学基础的经典力学，不适用于高速运动的物体和微观领域。相对论解决了高速运动问题；量子力学解决了微观亚原子条件下的问题。相对论颠覆了人类对宇宙和自然的“常识性”观念，提出了“时间和空间的相对性”、“四维时空”、“弯曲空间”等全新的概念。狭义相对论最著名的推论是质能公式，它可以用来计算核反应过程中所释放的能量，并导致了原子弹的诞生。而广义相对论所预言的引力透镜和黑洞，也相继被天文观测所证实。相对论的提出对人类社会的发展起到了不可估量的作用,但是在如今很多人从多学科多角度发现相对论有不足之处。2。量子力学量子力学（QuantumMechanics)是研究微观粒子的运动规律的物理学分支学科，它主要研究原子、分子、凝聚态物质，以及原子核和基本粒子的结构、性质的基础理论，它与相对论一起构成了现代物理学的理论基础。量子力学不仅是近代物理学的基础理论之一，而且在化学等有关学科和许多近代技术中也得到了广泛的应用。量子理论是关于自然界的最基本的理论，它被认为是人类所创造的最优美、最成功的科学艺术品。它优美的数学形式令人赞叹，它精确的预言与实验惊人地符合，而它的成功应用更是遍及了现代社会的每个角落,比如根据量子电动力学，理论计算出电子磁矩为1。00115965246个单位（这个数称为狄拉克数），而精密实验测得电子磁矩为

1。00115965221个单位。理论值和实验值只相差四十亿分之一！。从激光、核能到计算机、互联网，还有最新的量子计算机，无不留下量子的足迹。可以说，是量子引领人们迈入了现代社会，让人们享受到丰富多彩的现代生活。在浙江大学召开的2009杭州量子物质研讨会上，中国科学院院士、两弹元勋于渌先生说：“科学技术的革新，很多都来自物理方面的基础研究，而物理学研究的核心领域之一就是量子物质。”。量子力学是物理系的基础理论课，物理方面的许多专业课都以它为先修课程，因而它的应用范围也就较为广泛。现在量子力学不仅是物理学中的基础理论之一，而且在化学和许多近代技术中也得到了广泛的应用。19世纪末的一系列重大发现，揭开了近代物理学的序幕。1900年普朗克为了克服经典理论解释黑体辐射规律的困难，引入了能量子概念，为量子理论奠定了基石。随后爱因斯坦针对光电效应实验与经典理论的矛盾，提出了光量子假说，并在固体比热问题上成功地运用了能量子概念，为量子理论的发展打开了局面。1913年，玻尔在卢瑟福有核模型的基础上运用了量子化概念，对氢光谱作出了满意的解释，使量子论取得了初步的胜利。之后经过玻尔、索末菲海森堡、薛定谔、狄拉克等人开创性的工作，终于在1925年-1928年开成了完整的量子力学理论。3。原子核及基本粒子原子核物理学起源于放射性的研究，是19世纪末兴起的崭新课题。在这以前，人类对这一领域毫无所知。从事这项研究的物理学家，他们通过做新创制的简陋仪器进行各种实验和观察，从中收集数据，总结经验，寻找规律，探索不断开拓新的领域。1932年对于从原子核到基本粒子这一研究方向来讲，是具有特别重要意义的一年。但是，作为基本粒子理论研究出发点，是比它早几年的1928年狄拉克所提出的相对论的波动方程式以及由此而得到的正电子的预言。而这一预言在1932年，由于安德森（C.D.Anderson，1905年）发现了正电子，而取得了出色的成功。从那个时候起，又经历了1934年费米（E.Fermi，1901-1954年）β蜕变的理论、1935年汤川秀树（1907年）的介子理论，方才形成了以基本粒子的相互转变为中心问题的基本粒子理论。而成为上述理论研究基础的量子场论是海森堡及泡利在1929年建立的。无论是β蜕变的理论还是介子理论，都是在弄清原子核结构的研究中产生的。原子核物理学可以讲是卢瑟福在1919年发现用放射性物质放出的α射线轰击氮原子核后获得氢原子核及氧原子核作为前兆而开始的。但是，真正的发展应该讲是从有一系列重要发现的1932年开始的。这一年，科克洛夫特（J。S。Cockcroft，1899-1976年）同沃尔顿（E.T.S.Walton，1903年）用70万伏的高电压加速质子撞击锂核，成功地实现了第一次人工的原子核转化。还是在1932年，查德威克发现了中子，明确了原子核的构成要素，先是伊凡宁柯（T.D.Ivanenko，1904年）接着是海森堡立即开展了由质子同中子组成的原子核模型的理论研究，并解决了过去有关原子核的性质所产生的混乱。在前一年的1931年，范德格喇夫（R.J.vandeGraaf，1901-1967年）发明了静电高压发生装置，劳伦斯（E.O.Lawrence，1901-1958年）发明了回旋加速器。在1934年，约里奥。居里夫妇（Frederic，1900-1958年；Irene，1897-1956年）发现了人工放射性，同时费米在1935年开始研究由中子引起的核反应。作为刚开始的核反应研究的成果之一，是哈恩，迈特纳（L。Meitner，1878年）以及史脱拉斯曼（F.Strassmann，1902年）在1938年末所发现的铀核裂变。当时的这一发现，由于受到第二次世界大战前夕那种紧张形势的影响，立即促使人们花了很大力量来从事开发原子能的研究。自从P.居里测量了镭的热值时起，人们都普遍认识都原子核中蕴藏着极大的能量。用核反应来解释恒星能量的来源的想法是埃丁顿在1920年首次论述的，而且阿特金逊同霍特曼斯在1929年作了定量研究。在1938年，该研究由盖玛同特勒（E。Teller，1908年）作了进一步的发展，同时，贝蒂（H.A.Bethe，1906年）在1939脑筋以它为依据，提出了作为太阳能量来源的CN循环理论。但是，当时认为这些均是在超高温的天体内部所发生的，因而认为在地球上不可能获得实用的核动力。所以，卢瑟福直至1937年他临终前还认为核能的利用是不可能的。但是，上述消极的情绪由于发现了铀的裂变而为之一变，人们尽管害怕可能出现原子弹，却开始了制造原子弹发研究工作。经过努力，在1942年12月研制了第一台原子炉，并在1945年7月制造成功了原子弹。第二次世界大战以后，当然核物理学作为国家最重要的科学耗费了巨额的资金，并一举成了所谓的重大科研项目之一。正因为有了这种新的社会背景，才可能建造出巨大的加速器，并运用加速器不断从事新的发现核研究，同时伴随着这些实验研究，也产生出许多理论研究的成果。4、固体物理学20世纪初，固体物理学就开始深入到微观领域，人们开始利用微观规律来计算实验观测量。量子力学首先应用于简谐振子及简单的原子上，并显示了其正确性，其次又在化学键的问题上取得了效果。海特勒（W。Heitler，1904年）同伦敦（F。London，1900-1954年）在1927年把量子力学应用于由两个氢原子所组成的系统，成功地说明了氢键的问题，并导入了“交换力”的概念，如此，在建立量子论的化学键理论基础的同时，在第二年的1928年，交换力的概念在铁磁性的理论上也获得了成功。海森堡根据电子的相互交换作用，澄清了韦斯以来没有弄清楚的分子场产生的原因。同样在1928年，索末菲运用费米统计（1926年）解决了金属电子论的难点，同时，布洛哈（F.Bloch，1905年）用量子力学论述了晶体晶格内电子的运动，奠定了能带理论的基础。威尔逊在1913年，成功地运用能带理论说明金属、绝缘体、半导体在理论上的区别。20世纪20年代后固体物理学作为一门学科在物理学领域中诞生了。5、物理学与技术从上述情况开始发展的固体物理学，成了第二次世界大战后各种技术革新的基础。特别是在1948年发明的晶体管，它使电子的面貌焕然一新，这也纯粹是固体物理学研究的产物。此外，诸如铁氧体、量子放大器、莱塞（激光）等对于当今电子学所不可缺少的要素也都是物质结构学发展的产物。当然，如果没有以高分子科学为支柱的许多基础科学的成果，与电子学并驾齐驱、支撑着现代技术革新的合成化学工业也是不可能出现的。但是，综合起来说，这些研究广义地讲应属于物质结构学的范围。由于物质结构学同工程学科之间的联系十分紧密，甚至还可以认为物质结构学的特征就是它各种技术的基础科学。在今日的物质结构学里面，量子力学同统计力学等基础理论所能够应用的领域都已经全部用上了，而研究可以说是指如何使理论能适用于具体条件下的某个具体系统的问题。当然，在这一方面也不断有新的发现。研究人员的独创见解是必要的，但是，研究的性质并非在于追究自然认识的本原。物质结构学中，卡曼林。昂尼斯（H.Kammerlingh-Onnes，1853-1926年）在1911年所发现的超导现象，直到最近还是上述倾向中的一个例外，还停留在理论空谈上。但是，当这一问题在1957年从理论上解决后，立即密切了与技术方面的联系。很早以前曾有人提出，超导物体有可能利用制造高速计算机的电路元件，而由于在1961年第二次出现了超导磁体，这一技术实用的可能性引起了人们极大的注意。以上所讲的是物理学的发展为新技术提供了基础，当然，与此相反的关系也完全存在。假如不采用电子技术的各式各样的机器，今天的物理学，甚至整个科学研究都可能连一天也存在不下去。要建造超高能物理学所不可缺少的巨大加速器，必须要动员当前最先进的精密机械技术和电子学技术才行。同时还应注意到，由于对技术进步的不断要求，作为这些技术基础的物理学的研究也正在日益加强。因而，世界各国在物理学上有关教育以及对研究成果的奖励方面的费用支出也增加了。可以说，没有上述各方面的条件，就不可能存在今天这种大规模、多方面的物理学研究。6、科学的体制化近代物理学的基础工程学科化这种趋势，当然是由围绕科学的新的社会状况的出现所形成和促进的。产业革命的结果，出现了推进科学教育核研究的公共制度及机构，这也是十九世纪后五十年的显著特征。但是，它们还只停留在提供基础教育及公共服务性研究的地步，并且规模也比较小。几乎所有的科学研究还依赖于个人的创造性。而改变这种局面的开端是十九世纪末发展起来的化学工业以及后来的电气工业。因为这些工业是根据当时最新的科学成果为基础建立的，并且，各个领域中占有主导地位的大企业内部设立了研究机关，致力于培植技术基础。而这种倾向到了第一次世界大战（1914-1918年）后又有了进一步的加强。另一方面，各国政府也通过第一次世界大战，从飞机、潜水艇、坦克、毒气等新式武器的作战效果吸取教训，作为国策积极地推行科学与技术的振兴政策。尽管如此，仍未达到预期的效果，倒是1929年爆发的持续数年之久的世界经济大危机，才引起了人们的议论，认为是科学、技术的过分进步造成了这次经济困难。但是，上述状况由于第二次世界大战的迫近而为之一变。大战开始后由各国所进行的科学动员在青霉素、雷达、火箭、原子弹以及作战计划研究等方面取得了惊人的成果。经历了第二次世界大战的经验，如何来维持和推动科学研究的问题，目前已成为产业界、军队核政府的重要工作。为了要维护经济上、政治上、军事上的生存核领先地位，终于认识到全面地加强培养技术基础的科学必不可少的。在围绕科学出现的新情况当中，特别是物理学处于中心地位。这是因为物理学已成为在第二次世界大战中完成的雷达同原子弹以及战后的技术革新的基础，所以上述趋势也是理所当然的吧！如今研究物理已远远不能单靠个人单独的创造了，因为它规模太大，同时，对军队上核经济上的意义也太重要了。所以说，现代的物理学已经成了现实的社会秩序中不可缺少的一个环节深深地扎下了根。物理学能够如此深入社会，同时反过来又会受到社会的限制这种情形，在十七世纪以来的近代物理学的历史上还是第一次出现。其结果是，物理学中的很大一部分转变成基础工程学，同时，无论从资金或从人员角度来看都开始能够建立起以加速器为象征的巨大的基础科学。7、物理学在地理上的扩大物理学的变迁，同时也伴有物理学在地理上扩大的含意。回顾一下历史，到量子力学建立为止的物理学史上起重要作用的文献，开始用拉丁文，后来几乎极大多数用英文、法文、德文写成而用意大利文和荷兰文写的只不过少数。尽管这种情况是近代物理学中带有普遍性的问题，直到最近它还表现出是欧洲范围内的语言。俄国（苏联）、美国还有日本正式参加到物理学行列里来也不过是近六、七十年的事。但是，目前处于世界物理学领导地位的却是美国，其次是苏联。日本也开始在世界物理学中占有不可忽视的地位。同时，在不久的将来，中国也会有很大的实力，这一点大致是可信的。所以，物理学在地理上的扩大，随着第二次世界大战后亚洲、非洲的旧殖民地国家的发展，必将会进一步扩大！虽然这些国家，目前还不能讲已经在进行尖端物理学研究，但为了迅速地推进经济建设，都将提高技术水平看作是至高无上的命令，花大力气在培养科学家和技术人员。所以，没有理由认为这些国家将来不会产生真正的物理学研究。8、研究技术化可以把这一趋势同由物理学所支撑着的各种各样新技术所持有的可能性相结合，看作是社会进步的一个标志。但同时，又不能忽视事物的另一个半面。提起所谓的另一个半面，谁都会立即想到是核武器的那种可怕的破坏性，有关这一问题无需在此再作介绍。而这里必须指出的，是在物理学本身内部所能见到的“技术化”同常规化的倾向。再回顾一下量子力学成立以后物理学的发展就一目了然了，尽管物理学的研究是非常丰富多彩的，但是从质的深入这一点来讲并没有划时期的变化。虽然从基本的方法及想法的角度来看是连贯的、相同的，但是从中要发现诸如新的、全局性的以及带有根本性的思想或概念的变化、直至新的规律性等困难的（请同二十世纪初的状况相比较）。而在这里所要研究的多数问题是，基本的定律及方法都是现成的，关键在于如何将它应用于具体的问题；如何说明一些具体问题。所以，从这种意义上讲，现代物理学研究的多数问题是“技术性的”。并且这种“技术性”，再探索基本粒子未来世界的超高能物理学的领域中却以另外一种形式展开。首先，从实验方面来看，有关负责建造、操作和保养活动，还不如说是一项必须共同进行的技术性工作。并且，对所得到的实验数据的处理以及使用这些数据所推行的理论计算也是一样，与其说是新的创新还不如说是接近于一种技术性的处理。所以，像基本粒子理论这种最基础的所谓的“纯粹的”物理学领域中技术性研究也占据了相当大的部分，即常规化的情况并非是很强的。彭罗斯说，统统这些物理理论的完成逻辑体系，都可以分成三大类：第一类是超等的，如牛顿、麦克斯韦、玻尔兹曼、爱因斯坦的理论体系。第二类是有用的，如标准模型、宇宙大爆炸理论体系。第三类是尝试的，如暴涨、K—K、超引力、超弦理论等能导致新的实质性理解上的进步的理论体系。实质上这像高、中、矮三种类树，每一种既要看到它的局限性，也要看到第一类理论体系不行，但还有第二类理论体系；第二类理论体系不行，还有第三类理论体系。Hawking教授在其2011年最新著作《大设计THEGRANDDESIGN》的最后一页，给我们提出的研究思路：“M理论是爱因斯坦所希望找到的统一理论。我们人类我们自身只不过是自然的基本粒子的集聚已经能够这么接近理解制约我们和我们宇宙的定律，这一事实就是一项伟大的胜利。但真正的奇迹也许在于，逻辑地抽象思考导致一个唯一的理论，它预言和描述了我们所看到的充满令人惊异的千姿百态的浩瀚宇宙。如果该理论被观测所证实，它就将是过去超过3000年的智力探索的成功终结。我们就将找到大设计。”著名物理学家、诺贝尔奖得主杨振宁参加2007年科协年会期间，对物理学的发展前景作出这样的判断：“今后二三十年物理学的成就会远远不及100年前，每一门学科的发展都是有起伏的。未来相当一段时间，物理学不会在理论上有大的突破。”但他还指出：“此时的物理学很多新领域出现了，为我们打开了很多门，每一个门走进去都能大有作为。”3.现代物理学难以解释的几个实验理论物理学是对自然界各个层次物质结构和运动基本规律进行理论探索和研究的学科。物理学及其相关交叉科学的基本理论的建立是一个艰苦的、需要长期积累的过程，它需要各种思维类型的科学工作者，特别是高素质的优秀人才相互合作、多方探索方可取得突破。而正确的理论一旦建立，常会出人意料地把许多表面上看起来互不相干的现象联系起来，发挥理论的指导作用，带动物理学、其他自然科学乃至技术科学的发展。这些充分显示出理论物理研究作为基础研究的长期性、前瞻性和先导性，同时也清晰地表明同相关学科之间的相互交叉是理论物理适用范围的自然延伸。理论物理几乎包容了从小到基本粒子、大到宇宙天体所有物质世界的物理规律的认识，它几乎渗透到现代一切科技领域，与数学、天文、化学、生物、材料、信息、能源、工程、环境、航空、航天等许多领域都有着深层次层面上的交叉。深层次的基础理论队伍的存在，不仅是人类对认识世界的追求的要求，也是保证交叉学科持久兴旺的前提；同时，兴旺的交叉学科也为理论物理基础研究源源不断地提供源头创新的机会。前期的实施取得了显著的成绩。有的工作在国际上受到相当多的引用和重视;有的工作可能会开拓出新的研究方向;有的工作预言了新的实验，有的工作对实验工作有指导意义;有的工作成功地解释了国际上一些较为重要的实验。人类进入21世纪，现代科学向何处去，走到了一个历史的转折点。物理学被夸克卡住了，甚至认为实验无法发现，掉入神学的泥潭；地球被板块卡死了，没有追问板块究从何来？医学陷在西医与传统医学的矛盾中，宇宙在无限地膨胀。这样的矛盾比比皆是，整个自然科学处于凝固之中,例外的是实验科学、技术科学，特别是天文观察，没有停止，，仍然在大踏步前行。物理学家Ｂ.霍夫曼说：“随着实验的精密化，空间和时间开始呈现新的面貌。甚至早在1887年迈克尔逊和莫雷的相对来说比较粗浅的实验，最后也导致了相对论破坏我们关于空间和时间的一些概念。现今，靠现代物理学家的较精湛技术，人们发现，我们十分熟悉的空间和时空，甚至连相对论所认识的空间和时间，都不符合原子实验所揭露的更深奥的存在形式”。1.测量电子速度的实验用上海应用物理研究所的飞秒直线加速器初始段的均匀静电场加速电子，加速器的五级能量使电子得到近光速的五种速度和相应的动能。按照爱因斯坦的质速公式和动能公式，电子速度增加导致它的动质量和动能急剧增加，以致于超过了加速器提供的能量，加速器效率竟大于100%！按照新相对论的质速公式和动能公式，电子的动质量不但不增加，反而随其速度增加而下降，加速器效率不仅没有达到100%，反而随着电子速度的增加而降低。电磁作用力的传递速度是光速，随着电子速度趋近光速，电磁场的有效作用力下降使加速器效率下降，加速器提供的能量被浪费。这就像风吹帆船一样，船速永远不可能达到风速，随着船速趋近风速，风的有效作用力下降，风速与船速之差越小，风的效率越低，大量的风能被浪费。2.电子束流轰击铅靶的量热法实验用上述飞秒直线加速器输出的电子束流轰击铅靶。电子的动能使铅靶的温度升高。实验使用了加速器的五级能量。按照爱因斯坦相对论的质速公式和动能公式，近光速电子的动质量和动能很大，因此铅靶的温升应该很高，而且温升应该与加速器能量成正比。但是，实测的温升值却很小，而且加速器能量成倍地增大只导致铅靶的微量温升，爱因斯坦的相对论与实验结果矛盾。3.高速电子在均匀磁场中偏转的实验用上述飞秒直线加速器输出的电子束流垂直射入由永磁铁产生的均匀磁场，电子受洛伦兹力偏转而作圆周运动。实验使用了加速器的六级能量。按照爱因斯坦的质速公式，电子的动质量随其速度趋近于光速而急剧增大，但洛仑兹力难以偏转大质量的近光速电子，因此电子圆周运动的半径应该随着加速器能量的增加而成正比地急剧变大。令人惊讶的是，对于加速器的六级能量，屏幕上显示的斑点位置变化极小，六个小斑点聚成一个大斑点；也就是说，圆半径几乎不变。4、关于物体“热轻冷重”的物理现象，早在1923年就有人进行过这方面的实验，2008年两位俄国教授圣彼得堡大学的Dmitriev和莫斯科大学的Chernyaev也发表了有关论文。下面是一份有关“热轻冷重”实验的测试报告：2008年9月9日重庆市计量质量检测研究院力学计量检测中心的测试报告试件名称室温重量测定值高温重量测定值重量减轻值轻重比黄金试件22℃的室温下600℃高温下g(克)

黄金试件53.74332克53.73034克0.012980.999758482注：重庆市计量质量检测研究院测试编号“FT17字第2008098230”中国科学院研究员范良藻和冯劲松、刘武清把六种金属（金、银、铜、铁、镍、铝）从100加温到600，用精度高达十万分之一的电子秤测量这两个温度下的金属样品重量，发现重量变轻了。2010年7月底，范良藻出席俄罗斯圣彼得堡的《2010自然科学根本问题国际大会》，得知两位俄国教授（圣彼得堡大学的Dmitriev和莫斯科大学的Chernyaev）也不约而同地用高精度电子秤发现了物体加温后质量减轻。但至今世人不知为何变轻的原因，更不知其中隐含着更为普便的物理规律。设物体在绝对零度时的质量为静质量，当物体升温后，金属物体内的微观粒子（分子、原子和电子）是不断运动着的动粒子，相对于电子秤而言，它们的质量是动质量。加温是给金属物体增加能量，使物体内部粒子的运动速度增加。按照爱因斯坦相对论的“速度愈大，动质量愈大”的质速公式，物体的重量应该增加，与实验结果相逆。实验的进展不断推动理论的进展，但是，理论又不断为实验的进展指出前进的道路。李政道教授认为如果没有实验物理学者，理论物理学家将在空中飘浮；如果没有理论物理学者，实验物理学者将迷失前进的方向。可是，在工作方法上，实验物理学家和理论物理学家却具有原则性的区别。张文裕教授认为实验物理学家没有修改他测到的任何一个数据的权利；而理论物理学家永远需要不断修改他所塑造的理论模型。4、现代物理学中的几个疑难问题爱因斯坦在其《关于光的产生和转化的一个启发性观点》文章的一开始，便用统一性观点分析了当时物理学的现状：物理学家们关于气体或其他重物体所形成的理论观念同麦克斯韦关于所谓空虚空间中的电磁过程的理论之间，有着深刻的形式上的分歧。正是为了消除这种形式上的分歧，他大胆提出光量子论，指出光不仅具有波动性也具有粒子性。光的波粒二象性思想使关于光的本性的几百年来飘摇不定的争论从此画上一个圆满的句号。中国科学院理论物理研究所的朱传界提出了理论物理学中的10个顶级问题：所有刻画自然界的无量纲参数是原理上可计算的呢，还是有些仅仅是由历史或是量子力学的偶然因素确定而不可计算的？量子引力如何能帮助解释宇宙的起源？质子的寿命是多长？我们如何解释之？自然界是超对称性的吗？如果是，超对称如何破缺？为什么宇宙看来只有一个时间和三个空间维数？为什么宇宙常数会有它有的值？这个值是零吗?它是常数吗?M-理论的基本自由度是什么？这一理论确实描述自然界吗？黑洞的信息佯谬如何解决？引力尺度和基本粒子的典型质量尺度之间的巨大差异是由什么物理解释的？我们能定量地解释量子色动力学中的夸克胶子的禁闭和质量间隙(massgap)的存在吗？李政道教授在《场与粒子》一书中对粒子物理理论有一段比较开明的评论：“单是统一规范理论的标准模型就需要大约20个参数：e、Ｇ、θw、三代轻子及夸克的各种各样的质量以及四个弱衰变角θ1、θ2、θ3及δ。……因此，一方面，我们可能已经得到对于直到大约１００GeV的物理过程的有效描述。另一方面，把我们已有的理论看成实质上是唯象理论更为合适。毕竟，谁曾听说过，一个基本的理论要求２０个左右的参数呢？（李政道《场与粒子》，463页，山东科技出版社）。李政道曾提出21世纪晴朗的天空上有四朵乌云：(1)夸克为什么会禁闭？（原子中的电子不会掉到原子核中，预示着量子力学存有不确定原理，而夸克的跑不出来却预示着真空有特殊的性质）；(2)什么是暗物质；(3)什么是类星体、类星体的巨大能量从何而来？(4)何谓真空？真空有什么结构？真空是否蕴藏着巨大的能量，暴胀宇宙论的真空是什么？为什么暴胀后的宇宙的恰好等于1？四朵乌云＋暗能量，汇集成为物理学晴朗的天空上的大大的一团乌云。中科院自然科学研究史董光壁研究员在《21世纪100个科学难题》，提出了今天科学发展是《协调相对论和量子论的困难》。李政道在该书《导言》中说：目前，微观和宏观的冲突已经非常尖锐，靠一个不能解决另一个，把它们联系起来会有一些突破，这个突破会影响科学的将来。

笔者结合自己物理学思考的过程，搜集整理了现代物理学中存在的几个问题，下面列举其中的几个，其它的问题在后面的文章中陆续列出。1.物理理论是否与环境相关：物理的基本参数和规律都可以计算，还是仅由历史的或量子的偶然性决定，或者是由人择原理来确定？景观的图像是对的吗？2.新物态：存在常规实验可探查的一般非费米流体行为吗?超导体为何无电阻，目前超导体研究现状如何？超导中的库柏对为何两个电子的自旋方向相反，动量方向也相反？高温超导的微观机理是什么？可否发现室温超导体？现代科学如何认识地磁场形成的原因的，以及磁偏角？波的衍射条件背后是否存在更本质的规律？全反射现象说明了光在同一种介质中并非一定沿直线传播，是否与广义相对论矛盾？能量最低原理认为物体只有处于最低状态才稳定，在这些现象背后是否存在着更本质的规律？3.量子计算机：如何防止量子计算中的“退相干”？如何实际制造量子计算机？4.物理学的应用：如何得到室温甚至室温以上的超导材料？如何用电子材料（如半导体）制造室温铁磁体？5.计算物理学：计算机能代替解析计算吗？如果是，那么将来物理学家所受的训练该如何相应改变？6.物理学的分化：物理学自身发展日益分化，如何面对这种状况？7.还原论：是否应该怀疑这个物理学的根本逻辑？是否保持一个开放的态度？8.“理论”应该扮演何种角色：“理论”是否应仅仅靠实验来判断正误，或者应该是由基本物理原理发展出来的对自然“更高”层次的理解，而可以不顾及是否能在实际中实现？在对复杂系统的细节描述中，如何估价物理学家一贯坚持的“简洁性”和数学“优美性”等原则？9.物理学未来发展中潜在的危险：如何面对越来越大、越来越难以实现的物理学实验计划？在这种形式下，新的研究途径该是怎样的？理论在探索自然方面应该起什么作用？量子隐形传态中的两个相距甚远的关联粒子之间的‘相互作用’机制是什么？基本粒子质量谱可能与何因素有关？在大统一理论中为何存在“大沙漠”现象，其物理原因是什么？10．为什么类星体具有难以想象的巨大能量辐射？它内部应具有什么样的结构？部分类星体光谱超常值红移到底是由什么原因引起的？所有的天体光谱红移都是多普勒红移吗？11．量子物理学、宇宙物理学和相对论之间的所有基本物理学定律该如何统一？现代物理学和经典物理学之间的强、弱、电、磁相互作用与万有引力场作用又该如何统一？现代物理学和经典物理学的所有基本物理定律又该如何统一？……。19、基本物理常数的数值会随时间改变吗？自然界的基本常数为什么具有现在的数值？为什么物理学的基本方程都具有时间反演不变性？解释为何粒子物理标准模型中自然界的自由常数（宇宙常数）会被选为特定的值。理论物理模型是一种数学框架，需要设定某些参数以便能进行预测。在粒子物理学的标准模型中，这些参数是由理论预测的18个基本粒子来体现的，这意味着参数可以通过观测来测量。然而，一些物理学家仍相信这些参数是由理论中物理学的基本原理所决定的，这是独立于测量的。这个在过去推动了很多狂热者为统一场论而奋斗，并引发了爱因斯坦的著名问题：“上帝创造世界的时候有没有别的方案可选？”宇宙的形式由它的本质属性所确定，如果是不同属性的话这个宇宙就不能正常运作，原因仅仅是这样吗？既然这样，现在问题就变成为什么我们宇宙的属性会设定得如此精准使得其环境适合生命的存在。这个问题被称作“微调问题”并促使一些物理学家转向人择原理的解释，认为我们的宇宙之所以有这样的属性是因为如果不是这样的话，我们就不会在这里问这个问题了。12、为什么绝对零度不可达到？为什么热水比冷水冻结快些（Erasto

Mpemba问题）？运动物体的温度会改变吗？开放系统的熵具有什么物理意义？湍流形成的机理是什么？13.地球磁场极性颠倒的原因是什么？南极空洞是怎么形成的？生物体内有核反应吗？地震前的地光是怎么形成的？

为什么闪电多‘之'字形少球形？14.声音在密度高的物质中（例如在水或钢中）要比在空气中传播得快；但它在暖空气中又比在冷空气中传播得快，而暖空气的密度却比冷空气低。这是不是自相矛盾呢？为什么会形成晶体？为什么晶体总有一定的形状？什么是戈德尔证明？戈德尔证明是否说明真理是不可得知的？红光通过棱镜时的变化最小，而在通过衍射光栅时变化最大，为什么会有这种差别？当两道光束互相干涉并产生暗区时，能量发生了什么变化？数学家为什么对素数感兴趣？当一个不可抗拒的力遇到一个什么力都不能使之运动的物体时，将会发生什么情况？增殖反应堆是什么东西？我们得把氢加热到多高的温度和保持这个温度多长的时间，才能使聚变反应持续进行下去？为什么人们说“宇宙空间的低温？”一个空虚的宇宙空间怎么会有温度呢？什么是宇宙尘？它们是从哪里来的？什么是脉冲星？气泡室是怎样工作的？恒星的温度能达到多少度？在一颗恒星上，聚变反应可以进行到什么程度？如果太阳的表面温度是白热的，太阳黑子为什么又是黑的呢？如果黑子真是黑的，它们就该也是冷的。太阳上的东西怎么会是冷的呢？为什么所有行星的轨道都近似地位于同一个平面上？冥王星与其它各行星有什么不同？为什么会有这些不同？彗星为什么有尾巴？时间是一种幻觉呢，还是确实存在的东西？怎么来描述时间呢？时间的最小可能单位是什么？15.地外智慧生物是否存在?狄拉克的大数之谜;中子星、脉冲星与黑洞?16．带电粒子任意运动产生的推迟电磁场不满足宏观电磁场运动方程和电磁场相对论变换。宏观电磁场相对论变换导致电磁场运动方程解的唯一性破坏和其他严重问题，因而是不可能的。写成四维电磁势的形式后，不考虑电磁场相对论变换，宏观电磁场运动方程的形式在不同的惯性参考系中可以保持不变，但洛伦兹条件不可能保持不变。因此经典宏观电磁场理论不存在相对性，爱因斯坦时空相对性赖以生存的最重要的理论基础被破坏。17．狭义相对论逻辑系统中存在三个基本问题：1.采用纯惯性参考系建立时空理论的超验性问题。2.参考系相对运动速率V’=V与真空光速不变c的相容性和一致性问题。3.基本时空佯谬不可消除性问题。18.为什么是这个宇宙？在不断追寻自然界基本规律的过程中，物理学家们一直试图在搞清楚一个长期悬而未决的问题：为什么宇宙是我们所看到的这个样子。为什么我们居住的空间是3维，而不是2维、10维或者25维？为什么光速是如此之快而音速是如此之慢？为什么原子是如此得渺小，而恒星又是如此得硕大？为什么宇宙是如此得年老？如果还存在其他的物理定律，那是不是意味着在其他地方还存在着不同的宇宙？“对于我们所处的宇宙来说，也许我们最终会发现它别无其他的可能，只能是这个样子，”美国加州理工学院的物理学家肖恩·卡罗尔（SeanCarroll）说，“但我怀疑这并不正确。”很容易想象，如果自然界允许不同的宇宙拥有不同的物理规律，那么这个问题就变成了，在我们这个宇宙中为什么是这些物理定律而不是其他的？

19。世间万物由什么组成？现在已经清楚地知道，普通物质——原子、恒星和星系——只占据了整个宇宙的4%。美国密歇根大学的物理学家凯瑟琳·弗里兹（KatherineFreese）则致力于弄清楚其余的96%是什么。每个星系都包含有暗物质，也正是这些不为人知的物质使得我们所居住的银河系免于瓦解。当暗物质聚集到相当数量的时候，它们就会发生碰撞湮灭，产生电子、质子、正电子和反质子。弗里兹非常兴奋，因为暗物质的性质即将被解开。美国宇航局费米γ射线空间望远镜的最新观测数据证实，银河系中暗物质粒子之间正在以能被我们观测到的速率在湮灭，这将揭示出它们的性质。但是对驱动宇宙加速膨胀的暗能量的发现又带来了一系列新的难题，且在短时间恐怕难以有所进展。这些问题包括暗能量自身的特性是什么？为什么它是如此之小，能让星系和恒星得以形成以及生命出现在这个宇宙中？20.复杂性是如何产生的？对一般的复杂大系统而言，其内在的混沌特性决定了系统的不可预测性。如何运用计算手段来分析这类系统、鉴别哪些特征？从金融市场的不可预测行为到生命的出现，美国芝加哥大学的物理学家和应用数学家利奥·卡德纳诺夫（LeoKadananoff）则致力于复杂系统的出现。他担心，如果粒子物理学家和宇宙学家仅仅关注最小和最大尺度的东西，那么他们将会错过非常重要的东西。“我们仍然不知道窗玻璃是如何保持它的形状的，”卡德纳诺夫说，“因此研究我们熟悉的事物也同样的重要。”只有破解了简单的成分和简单的相互作用如何产生出复杂的现象之后，生命才有可能真正被了解。21.什么是真正的实在？物质世界在一定程度上可能超出了我们的认识，但是维也纳大学的物理学教授安东·蔡林格（AntonZeilinger）认为物理学家仅仅是抓住了它的表面。量子力学中经常会出现古怪而难以想像的现象，例如一个粒子可以同时出现在两个地方。然而随着我们从原子大小的尺度进入苹果大小的尺度，模糊的量子世界便让位给了我们熟知的、确定的经典物理世界。蔡林格的专长是量子实验，他的小组通过富勒烯（碳60）之间的量子干涉证明了测量仪器的选择决定了被测物体的行为是量子的还是经典的。这同时也彰显了观测者对物理实在（实验结果）的影响。他说：“也许当我们开始了解实在、知识和我们行动之间的联系时，真正的突破就会到来。”这一观点看似虚幻，但却是实实在在的。蔡林格和其他人已经证明，彼此远离的粒子的量子态有着某种联系，因此观测其中一个就为影响另一个的状态。还没有人知道这一现象背后的真正原因。22.物理学有没有终点？也许最大的问题是，自伽利略和开普勒以来不断探索这个宇宙的过程是否正在临近终点。美国亚利桑那州立大学的劳伦斯·克劳斯（LawrenceKrauss）说：“我担心我们已经到达了实证科学的极限。”他想知道，为了了解我们的宇宙为什么会如此是否必须要认知其他的宇宙。如果这些认识是无法企及的，那也许这就是进一步深化我们对这个宇宙认识过程的终点。人们习惯于把理论物理的进展看成是某种偶然，是否存在一条途径可以加速我们的认识和发现。物理学是否仍将是最重要的科学？23.上述问题中,哪些又是物理学中的基本问题?24.1937年Dirac指出，宇宙Hubble半径与电子经典半径之比N1、质子和电子间静电力与万有引力之比N2是近似相等的两个无量纲大数N1≈N2≈1040，此外还存在一系列大纯数，它们分别与N11/2≈1020的整数幂大致相等，而且都可以归结到一个通过量纲和数量级拼凑起来的“奥秘”的数字关系，式中m是介子的质量。Dirac认为，大数之间的相关性、尤其上式给出的数字关系并非毫无意义的巧合，而是暗示了一个尚未得到阐明的基本事实。质子与电子之间的静电力与万有引力之比N1=(/2)2=2.27×1039(1020)2Hubble半径与电子经典半径之比N2=(/)2=4.64×1040(1020)2电子经典半径与Planck长度之比N3=(/2)0.5(/)=1.74×10201020Planck长度与质子的Schwartzchild半径之比N4=(/8)0。5=6.50×10181020Hubble半径与质子的Schwartzchild半径之比N5=(2/4)4=5.26×1079(1020)4（式中为精细结构常数、为电子与质子的质量比、为圆周率）以上各式显示：i)所有这些大数都含有因子；ii)大数的数量级大致由的整数幂决定；iii)大数并不是模糊的，它们都有严格精确的数值，其细节部分由、、等无量纲小数决定。现代物理学各分支及其适用范围：作用因素力学体系适用惯性系研究对象物体性质静态引力场动态引力场公旋向心力自旋磁场适用范围运动轨迹牛顿力学地球惯性系宏观物体刚性无无外加力无低速直线或曲线牛顿万有引力太阳惯性系宏观物体刚性质量场无质量场力无低速直线或曲线刚体力学地球惯性系宏观物体刚性无无外加力无低速直线或曲线电磁学原子核惯性系微观物体刚性电磁场变化电磁场电磁场力无光速直线或曲线电磁波理论原子核惯性系无物体刚性电磁场变化电磁场电磁场力无光速直线和曲线相对论力学所有惯性系宏观与微观物体刚性、非刚性时空弯曲场曲率张量场时空弯曲场力无光速和亚光速直线或曲线量子力学原子核惯性系微观物体刚性电磁场自旋和公旋磁场电磁场力有亚光速无确定轨迹自旋理论所有惯性系宏观与微观物体刚性、非刚性自旋磁场自旋和公旋磁场自旋和公旋磁场力有所有速度直线或曲线5、现代物理学的批判科学是最高意义上的革命力量，科学需要学术自由，这就是科学研究或科学探究的自由，当然也包括科学教学和科学传播的自由。何谓自由？斯宾诺莎把自由定义为：“凡是仅仅由自身本性的必然性而存在，其行为仅仅由它自身决定的东西叫自由。”尼采则称自由是“人所具有的自我负责的意志”。正如当代著名的哲学家施太格缪勒（Wolfgang

Stegmuller）在《当代哲学主流》一书中写的那样。他写道：“未来世代的人们，有一天会问：

二十世纪的失误是什么呢？对这个问题，他们会回答说：在二十世纪，一方面唯物主义哲学(它把物质说成是唯一真正的实在)不仅在世界上许多国家成为现行官方世界观的组成部分，而且即使在西方哲学中，譬如在所谓身心讨论的范围内，也常常处于支配地位”。

“但是另一方面，恰恰是这个物质概念始终是使这个世纪的科学感到最困难、最难解决和最难理解的概念”。对于时间和空间这个描述物质世界的‘共同舞台’，也还没有一个基本的逻辑理念。“牛顿明确地说，他的超距作用的力是任何具有正常思维的人所无法接受的”，他说他的理论只是比以往更好地描述了太阳系行星的运动规律。“爱因斯坦在三十年代明确地指出量子力学不是‘真货色’”，“到晚年更明确地指出相对论还不是纯粹的物理学，需要有新理论来代替”。但现代物理学界的一些学者，他们把人类已有的物理学知识视为不可逾越的高峰，把历史上本来还在争论着的观念当成真理来膜拜，从本根上阻碍着物理学的发展。实际这些人才是当今物理学领域最无知者。量子力学作为量子测量的一种唯象理论，对于纯物理学家在工具或实用层面或许已经足够了。但是一个具有完美数学形式的理论还不是一个成熟的理论，成熟的理论既应有完美的数学形式，还应有对数学形式所作的诠释性原理或与数学形式相对应的合理的物理模型及对物理模型的说明。物理大师们费尽了脑筋，发起了多起世界性的大辩论，也未能最终达成统一的意见。时至今日，还是给后人留下了许多必须讨论的问题。不同的研究方法会得出不同的结果和结论,但是不同理论的结论的正确与否只能根据是否符合观测和实验的数据予以确证。物理学开创期所必经的形而上学发展阶段，决定了牛顿力学的“基本理论都是线性的”（北大王晓钢语）。相对论和量子力学虽然在两个相反方向对它做出了有质变意义的扩张，但均未涉猎非线性交互作用的现实力学原型。三者的数理方程对时间的反演均具有对称性，其揭示的物理过程均具有可逆性。既然“真正的物理学定律不能是线性的”（杨振宁语），那么物理学新发展的突破口也就日益清晰了。200多年前，托马斯·杨发现了光的干涉与衍射现象，由于这个工作与牛顿的光粒子理论相冲突，在一段时间里，托马斯·杨的工作倍受责难，当时托马斯·杨写下这样一段话：“虽然我仰慕牛顿的大名,但我并不因此认为他是万无一失的,……我遗憾的看到他也会弄错,而他的权威也许有时甚至阻碍了科学的进步”。【1】今天，我们或许需要用同样的态度来看待爱因斯坦和霍金。虽然爱因斯坦和霍金都很伟大，但是，我们不应该因为他们的伟大而拒绝对他们的批评。事实上，正是因为他们的伟大，他们的理论中的一个微小疏忽，都可能成为今天科学进一步发展的巨大障碍。罗巴切夫斯基认为：“人类的认识史就是一部认识错误的历史。”笛卡尔认为：“怀疑是智慧的开始”。中国科学院理论物理研究所研究员郭汉英说过，近代物理学的经典理论、量子理论和相对论这三大理论体系都没有完成。物理学正面临着新的挑战，酝酿新的重大突破。纵观科学史，我们看到成就和辉煌，也看到科学曾经的挫败和荒唐。由于先入为主，科学经常是在愚昧和谬误的压制下，在嘲讽和诋毁的包围中极其艰难地挣扎着前进，现代科学是在充满艰辛的坎坷历程中跌跌撞撞的走来。当年科学主体：地心说、燃素论已经飞灰湮灭，今天的主体虽貌视伟岸却隐含荒谬，现代物理学正处在革命的前夜。英国当代科学史家F·查尔默斯在《科学究竟是什么》中写到：在这些领域里自称为“科学家”的人，往往认为自己是遵循物理学的经验方法的……幽禁在他们现代化的实验室里，透过数字仔细端详世界，不能知道他们努力遵循的方法不仅必然是无结果和没有成效的，而且也不是使物理学取得成功的那种方法。丁肇中认为：“物理学的进步，就是推翻所有人已知的东西而发展的。”许多人尚未敏感的意识到∶世界科学技术许多领域处于即将发生对原有基本理论实现重大科学技术创新的一场科技革命大风暴的前夕。这场科学技术革命大风暴在哪个国家首先掀起，哪个国家就首先受益；哪些大学对此能够有足够的敏感性，哪些大学就能有所准备且从中受益。反之，哪些大学对此没有任何感觉，就可能落伍。科学迫使我们创造新的观念和理论。它们的任务是拆除那些常常阻碍科学向前发展的矛盾之墙,所有重要的科学观念都是在实在跟我们的理解之间发生强烈冲突时诞生的。物理学形成了一套不断进化的逻辑的思维体系，其基础不能由任何归纳法从经验中提取，而只能通过自由创造获得。这个体系的正确性（真理内容）在于其在感觉经验基础上导出的定理的有用性，而后者与前者的关系只能直觉地理解，进化的方向是朝不断增加逻辑基础的简单性的方向迈进的。为进一步接近这个目的，我们必须决心接受下列事实：逻辑基础离经验事实愈来愈远，而从根本基础通向那些与感觉经验相关联的推论的道路变得愈来愈艰难漫长。山东大学数学学院副院长朱昱昌说过：“对于自然科学而言，如果发现矛盾，只有两种态度。一是首先检查自己是否存在理解错误或者计算错误；二是在确认自己不存在错误的前提下，就应该大胆地怀疑原理本身存在问题。”俗话说得好：“暴风雨来临之前总是宁静的”，或许这也是当时最好的写照吧。当代科技工作者必须以一种诚实和严肃的态度追溯、探询、梳理和解决自然科学体系一系列基元概念上长期存在的认识不当，重新确立一切“有意义”科学陈述必须严格遵循的“无矛盾性”原则。物理学的天空乌云密布，积聚了太多的问题，已到了不实现重大的理论变革就不能进步的境地。库恩科学革命观：“从整体上看，最能作为合理性事业的科学是处于不同形式的种种阶段的发展中。其中，具有稳定发展的常规科学阶段的任务，是扩展科学上重大成就的范围，提高其精确程度和应用范围。但这也绝不意味着科学发展就是直线式的积累过程，因为正是在这类大量的扩展性工作中会不可避免地遇到同作为一个领域的权威成就（如牛顿引力论、相对论、进化论、原子论）相矛盾的现象。而这些现象发展到无论如何都不能用权威成就去解决并构成对该权威成就本质的威胁时，科学革命的风暴就起来了。在革命期间，整个科学共同体的成员都处于动荡彷徨中，不少人尝试着以种种新的设想去代替旧的权威成就。在这场竞争中，最终有一种能为科学共同体接受的新成就涌现出来，找到它，并公认它就标志着这场科学革命的结束。于是，狂飙过后便是壮丽的日出，新的常规科学便开始了。物理学出现这么多问题，是科学发展阶段性规律的必然结果。《量子物理学——伯克力物理学教程第四卷》，这是美国上个世纪60年代以来大学理工科流行教材。在全书最后的结束语中告诉你一个真实的物理学：“读完本书直至最后一章结尾的读者已初步看到某些近代物理学中最核心的问题，他知道了物理学还不是成熟的学科，存在很多基本问题，这些问题目前还看不到解决的办法。”——[美]E.H.Wichmann量子物理学（伯克利物理学教程第四卷），复旦大学物理系译，科学出版社，1978年，502页。史蒂文·温伯格说：“（基础物理学）历史的风险在于，在思考过去的伟大工作（比如相对论、量子力学等）的那些伟大而勇敢的思想过程中，我们增加了对它们的这种崇敬，在我们想象的一种终极的物理学理论中，我们变得无法再重新评价它们的地位。物理学并不是一个应经完成的逻辑体系。相反，它每时每刻都存在着一些观念上的巨大混乱，有些观念像民间史诗那样，从往昔英雄时代流传下来；而另一些则是像空想小说那样，从我们对于将来会有伟大的综合理论的向往中产生出来。”中国科学院理论物理研究所郭汉英先生在《COBE获奖与相对论物理》这篇文章中指出：“我们无需详细解释近几年物理学家提出的这些重大问题及其变迁，只需浏览并加以比较，就会发现当前物理学的状况，与19世纪末20世纪初时非常相似，物理学的发展，特别是相对论物理又到了一个重要关头，面临着巨大的挑战。事实上，爱因斯坦相对论体系的建立和发展的过程表明，物理学理论并不完备，总是处在不断追求完备的过程之中。那么向哪里进化？向哪里追求？什么是可能正确的途径？在结合新的观测事实，在尴尬中冷静地周密思考，探索相对论物理进化方向的过程中，爱因斯坦关于“进化的方向是增加逻辑基础（原理）的简单性”的教诲，值得我们注意。这也是对于爱因斯坦相对论进行检验的一个重要方