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美国国家科学基金视点－物理学
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http://www.istis.sh.cn/list/list.aspx?id=4828 概 述 从蓝色的天空、缤纷的彩虹、苹果落地、月亮转动，到物质、能量、空间、时间的奥秘，物理学通过运用力、运动、重力、热、光、电和磁等丰富而又详细的概念，不断地为我们解答这里发生了什么、为何以这种方式运行、它们是什么、它们深层而统一的原理在哪里等问题。 对于这些问题的探寻，为物理学家们通向内部指引了一条很长的道路，从最初的原子结构，到原子核里隐藏的巨大而又危险的能量，到更近的夸克、胶子、轻子等亚原子颗粒的排序。同时，通往外部的研究也是一条很长的路，如恒星如何发光、黑洞如何运行、星系如何形成，以及宇宙如何扩张。如今，这两条道路似乎正在将物理学家引向同一个地方。微小颗粒的物理学研究显示它们与宇宙有密切的联系，可能正是137亿年前的大爆炸造就了它们。 物理学正在积极成为一门实用科学。许多现代技术都源自物理学研究，如X射线仪、电台、雷达、激光、全球定位系统、超导、核磁共振扫描，而芯片的产生也是基于固态物理的基础研究。今天，从事波色－爱因斯坦凝聚和量子计算的物理学家们也正在为新一代技术奠定基础。 NSF（美国国家科学基金）一直尽力扶持物理学研究，从高校的独立实验室到大型粒子加速器上的探测器。同时，NSF给予未来将从事物理学研究的新一代学生极大的支持，因为他们很快将参与到攻克巨大挑战的队伍中去，这些挑战包括：对演生现象的理解（请参见《美国国家科学基金视点-化学与材料》）、新量子革命、生命与意识的物理学、终极统一的探索、宇宙物理学。 一、新量子革命 量子力学是建立在原子尺度的物理学领域。在这一尺度的世界中，一个电子可以同时出现在两个地方，一个原子核可以同时顺时针和逆时针转动。一旦人们企图观测这种尺度的物质，它们会如“幽灵般的”很快消失，但它们确实是真实存在的物质。过去的二十年中，在量子研究领域诞生了数位诺贝尔奖得主，而这一领域的发展对二十世纪的技术进步起到了重要作用，从晶体管、激光，到原子钟、核磁共振扫描等。美国科学院最近有一篇名为“第二次量子革命”的报告，指出 21世纪物理学最大的问题将是我们如何驾驭量子的特异性，从而创造出更新的技术。 例如，由于量子效应，物质在超低温下表现出十分奇怪的特性。人们最熟悉的就是“超导”，即某些特定的金属和化合物可以传导电流而不损失任何能量。实际上，超导体在需要超强电磁场的仪器设备上具有广泛用途，如核磁共振扫描仪和高能粒子加速器。此外，还有一种相关的特性被称为“超流”，即液体流动的过程中没有摩擦力。最近NSF资助的物理学家还发现了“超固体”，即在一种混合状态中，一些原子可以穿越另一些原子，如同超流没有摩擦力，即使物质是凝固的。最后，在极端低温下，量子效应可以导致形成波色－爱因斯坦凝聚态。在这种凝聚态，原子、分子都会失去其独立的特性，而处于一种单一的量子态。 人们仍需要多年的研究才能实现超流、超固体和波色－爱因斯坦凝聚态的应用。波色－爱因斯坦凝聚态最有意义的研究方向之一即是量子计算机，这也是量子领域最受人期待的。叠加和纠缠是两种非常有研究价值的量子效应，这两种现象可能同时发生。探索量子奇异的行为是困难的，但一旦这个挑战被攻克，量子计算机解决问题的速度将远远快于现在最强大的传统超级计算机。不久前，科学家们发现量子纠缠和叠加在另外一些技术中有很实际的应用。例如，量子密钥术可以通过授权的密钥来交换信息，目前商用产品已经问世。量子纠缠还可以使原子钟更准确、更完善，从而可以应用于全球定位系统和移动通信网络。 当然，这仅仅是开始。对量子领域的探索可以为纳米科学和物理学其他领域带来无限新的可能，并开创出当代物理学家无法想象的新技术。 二、生命与复杂系统的物理学 所有科学的终极挑战之一即是理解生命。生命从何而来？如何进化并随着时间改变？生命如何工作？这些问题的答案是极其复杂的，因为生命并不是以单纯的形式存在。越来越多的物理学家被这个挑战所吸引，因为他们通常在理解复杂系统上已经有多年的经验。除了生命之外，这个世界还充满了很多其他的复杂系统。例如，从湍流到原子内粒子的相互作用，从经济市场到宇宙大尺度结构的起源。这些复杂性探索大多需要依赖于计算机的快速发展，但更为重要的是需要物理学家能更深地理解用于阐述复杂系统的非线性数学。非线性方程很容易写出，但可能具有意想不到的结果。例如，一个非线性系统可能瞬间从明显稳定状态转变为彻底的混乱，大众媒体经常提到的混沌理论即是解释非线性数学的理论之一。 因此，物理学家理解复杂性的努力需要横跨一系列的学科，从数学、计算科学到经济学、人类学。NSF 近年来对这一方向给予了很大支持，其中最有名的可能要数位于新墨西哥的圣塔菲研究所，有部分基金提供给独立的学者，而部分则用于支持西北大学、伊利诺斯大学等特定研究中心的复杂性研究。 从人类基因组测序上可以看出这些基因的系统工作是如何造福生命的。基因图谱本身仅是一张蓝图，一张零件目录表，一份指导细胞内无数蛋白质分子工作的说明书，它无法提供对这些零件如何协同创造出有效系统的工作机理更为深入的理解，其原因是复杂的。即使细胞内最简单的化学过程都需要一系列的蛋白，而它们由相应基因转录而成，同时需要许多其他的基因参与调节。然而物理学家有望为研究打开缺口。他们通过应用计算机模拟与复杂的分析相结合，将为多种相互作用找到答案。例如，何种细胞状态有利于病毒复制，或在宿主内大量繁殖，或者潜伏休眠等待时机。 复杂性分析可以解释机体如何设法生存并且将遗传信息精确地传递给下一代。从细菌到人类，每个物种都具有复杂地控制完成任务反应网络，尽管个体间存在巨大的差异，但任何生命自有的复杂控制都远胜于人们对试管中化学实验的严格控制。生态学中存在同样的非线性反应，应用物理学中的复杂系统也可以帮助理解种群随着时间迁移的机理。物种的兴旺或衰退取决于复杂的个体间相互作用，与其他物种的竞争，以及无法控制的环境因素，从月亮周期到恶劣的天气。在更前沿的复杂性研究中，物理学家尝试用物理学原理探索人类的意识呈现。或许意识来源于大脑中神经元之间生化物质的传递，又或许大脑运用神经元的超微结构来创造出高级量子计算机的运行状态，实现复杂的运算，譬如语言、肢体运动或思考生命的意义。 利用物理学在复杂系统模拟中的成果，探索生命运动的本质将成为二十一世纪研究的巨大挑战。 三、终极统一的探索 在许多方面，物理学的历史就是人们认识自然的历史。令人吃惊的事实是尽管我们周围的世界是纷繁复杂的，但整个宇宙却是被一系列的规律支配着，其中隐藏着深远而潜在的统一性。 事实上，目前对终极统一的探索已成为物理学的重要挑战之一。在二十世纪后期，这种追求已经促使研究者们认识到在可见宇宙中的一切都是由两类基本物质组成：一种是轻子，包括人们熟悉的电子、中微子在内的轻量级粒子家族；另一种是夸克，构成质子和中子的较重量级粒子家族（注：夸克与轻子的根本区别在于：轻子不参与强相互作用，而夸克受到被称为色荷的强力束缚，不可能从核子中单个地分离出来）。科学家们进一步阐述了粒子携带的四种基本力中的三种，分别是：电磁力，核子之间的强力，存在于放射能和核子分裂间的弱力（注：第四种力是万有引力粒子传递的引力，目前尚未被了解）。此外，研究者们还用数学框架来定义这些粒子与力的相互作用，这一标准模型至今仍被认为是科学编年史中最精确可信的理论。 当然探索仍在继续，因为标准模型还相当不完整，特别是其中没有说明轻子与夸克的关系，以及它们中任何一个与基本力的关系。缺口给予物理学家充分的理由相信，仍存在有更深层次的统一，即每种表现独特的物质形态实际上是某些未知基本实体的不同表现方式，而每种力实际上只是某一“超力”的不同形式。如果确实如此的话，将帮助解释令人疑惑的诸如“守恒违反”等问题。 NSF资助一系列与“大统一理论”相关的研究。一些人对理论假设进行探索，如难懂的希格斯介子领域。另一些人找寻超对称性的证据，该观点认为各种不同的粒子，如光子、电子和夸克等实际上是构成所有物质的未知“超家族”中的兄弟姐妹们。 实验学家们正在探索粒子加速器中物质与反物质相互碰撞产生巨大能量所揭示的新现象和背后的原理。同时，理论学家们正在试图统一二十世纪最伟大的两大理论：在最微观层次阐述物质与能量行为的量子力学，和解释重力造成时空弯曲的爱因斯坦广义相对论。两者均被实验证实完美无误，但目前为止，两者仍无法兼容。架起它们之间的桥梁需要大胆的新观念，它揭示的宇宙将超过我们日常所熟悉的四维（三维空间和一维时间），而达到七维。 两个NSF 资助的研究统一的领域已有眉目：超弦理论与圈量子引力理论。两者都为连接量子力学和引力贡献了理论框架。其他的探索将推动物理学家更加靠近物质与能量的基本原理。 四、宇宙物理学 在过去的二十年间，科学家们有了惊人的发现，并对宇宙的内涵和进化提出了深刻的问题。这些新的观点来自于对超新星的观察，对宇宙微波背景（CMB）的分析，对可怕的中微子颗粒的测量和对原子核超高能量碰撞的测试，对宽角度天空观测，以及许许多多其他来源。这些观点具有革命性意义，因为它们无法用传统思想和方法解释。 例如，宇宙中95%的物质和能量是以与我们熟悉的质子、中子、电子、力等完全不同的“暗”形式存在的。宇宙的扩张正处在加速状态，被一种称为“暗能量”的奇异力量所驱动着。空间的抽真空实际上是被一种研究者无法完全理解的力所激发。在同样的真空中可以充斥着超高能量的粒子，如伽马射线和宇宙射线等，而它们的起源却无从得知。 理解这些和其他的神秘现象需要的不仅仅是天文学，还需要一种整合的方法，涵盖着粒子物理学、宇宙学、量子理论、核物理学，以及结合空间观测和地对空观测的实验与理论知识。 NSF 已经资助很多类似的研究，包括深度分析宇宙微波背景的计划、监测和研究暗物质、通过各种观测方式研究暗能量、研究神秘的高能量宇宙射线。 此外，NSF 还资助兴建了世界上最大、最具实力的引力波观测台LIGO，它的探测将为爱因斯坦广义相对论预言提供证据：诸如黑洞或中子星等巨大质量物体的加速度将使时空产生波纹。 未来，NSF 计划与其他联邦机构合作，投资能提高实验分辨率的更为灵敏的仪器和技术，这是解答宇宙物理学绝大多数问题所必须的。这些实验包括预测质子的终极衰变、测量三种微中子的质量、理解元素重于离子的起源（并不是由恒星熔化自然形成）、确定宇宙加速器如何工作、解释极端能量密度条件下光和物质的行为。 这是宇宙学和物理学的令人兴奋的时刻，科学家们正在揭示可与哥白尼日心说、牛顿万有引力和爱因斯坦相对论相媲美的重要发现。 [ Last edited by fenghbu on 2007-12-29 at 10:50 ] |
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