前不久，2004年諾貝爾物理學獎獲得者、美國UCSB理論物理研究所所長大衛．格羅斯（David Gross）教授在北京中科院物理所做了題為“物理學的未來”的科學報告。報告中格羅斯教授討論了當前物理學面臨的25個問題及它們如何引導物理學未來25年的發展。

格羅斯說，過去25到35年中，物理學取得了巨大進展，但與之同時人們面臨的未知事物同樣增多。他將這些“未知”歸納為當前物理學面臨的25個問題，認為它們將引導物理學下一個25年的發展。分屬宇宙論、 天體物理學、凝聚態物理學、粒子物理學、弦理論、生物物理學和科學政策及社會學七大領域的這25個問題，廣泛涉及宇宙起源、暗物質、暗能量、星體形成、廣義相對論、量子力學、複雜性、量子計算機、理論生物學、基因組學和計算物理學等。

試答格羅斯問題

陳叔瑄

本文利用《物性論-自然學科間交叉理論基礎》與《物性理論及其工程技術應用》原理試圖對格羅斯演講的25個問題試行解答。這類解答可能很膚淺，但作為拋磚引玉嘗試應該還能勝任的。

1.宇宙起源：宇宙學觀測表明宇宙是膨脹着的。通過對微波背景輻射和宇宙大尺度結構等的觀測，宇宙的歷史可以追溯到極早期發生的大爆炸。我們所知的基本物理，比如廣義相對論和粒子物理標準模型，在那裡都不適用。為理解宇宙起源，需要了解大爆炸時期的基本物理。
答：“宇宙學觀測表明宇宙是膨脹的”這句話來自於天體光紅移現象或哈勃定律得出的結論。但問題是光紅移本質是什麼？如果光紅移本質不是天體退行速度引起的，而是光量子運行在愈來愈遠且愈寬廣空間而逐步變換成平動運動，最後轉化為純平動場物質狀態的話，那麼就得不到宇宙純粹膨脹或大爆炸的結論。再說人類生存的歷史只不過是宇宙演變的一瞬間，即使現在是宇宙膨脹，也不能肯定人類史前或史後也一定繼續膨脹或爆炸。更妥當提法應該是宇宙是在周期性濃縮（收縮）與膨脹（爆炸）演變的，人類生存期間處於宇宙膨脹時期的。這可以從變星周期變化現象，哈勃星雲形狀規則與不規則分布統計得到引證。

2.暗物質的本質：現代宇宙學觀測表明宇宙中存在暗物質和暗能量。但是它們的起源仍然是個謎。

3.暗能量的本質。
答：暗物質是物質渦旋運動成形之前的物質形態，即尚未濃縮到高度集中物質，而處於氣體與場物質狀態。平衡趨勢仍以濃縮為主，瀰漫為輔的交換狀態，所形成的微渦旋是極低頻率的電磁波為主，並輻射出去。按《物性論》觀念，有物質就有運動，即有質量就有能量，因此暗物質自然具有能量，只不過所可輻射的只是低頻率的電磁波，即所謂的暗能量。

4.恆星、行星的形成：天體的形成是天體物理學中的重要問題。適合生物存在的行星，在銀河系中出現的幾率到底是多少？
答：《物性論》認為天體，包括恆星、行星形成都是以物質渦旋運動中逐漸濃縮形成的，如果恆星周圍物質運動角速度不同步，則分離成核心恆星體與周圍渦旋環所形成的渦旋體（相當於行星）與某些新環或更外層的渦旋體（相當於衛星或環），如太陽系。太陽系的土星周圍的環就是未成新衛星前的狀態。地球在太陽系中的特有位置、溫度、重力與演變成特有的大氣層與大面積海洋，生成與孕育生命體，與進化生物特有環境條件。銀河系其它星球重複形成地球同樣條件的幾率非常之小，幾乎近零。因此人類必需特別珍惜地球特有環境條件。

5.廣義相對論：廣義相對論在所有尺度上都是正確的嗎？
答：廣義相對論建立在牛頓力學質量與引力質量等價假想實驗基礎上，採取張量數學工具進行表達與推導，引出一系列廣義相對論結論，如空間彎曲結論。不可能在所有尺度上都是正確的。如果光與引力場質不相干的，空間彎曲本質是由於渦旋運動的中心速度與其兩側處於相反（同向與反向）狀態，平衡趨勢使其處曲線運動，即空間彎曲。

6.量子力學：量子力學取得了巨大成功，但它描述的是自然的最終理論嗎？也許它會在很小的距離上和非常複雜的系統中失效，是否可用來描繪整個宇宙也還值得探討。
答：量子力學在微觀原子結構領域是取得了巨大成功，但不是描述自然的最終理論，也不是描繪整個宇宙的理論。量子力學在描述高速運動系統與宏觀、複雜系統還困難重重。天體、生命、化學領域幾乎難以解釋應用。雖然有人企圖用其描述分子軌道，但仍無法根本解決化學基本問題。即使微觀領域中描述強作用、弱作用、電磁作用間關係仍然困難重重。這就給《物性論》提供了解決這些問題的機會，把量子力學看成解決原子結構的物性理論的特例。

7.標準模型：粒子物理標準模型無疑極為成功，但人們並沒有理解夸克和輕子的質量混合的物理起源和中微子的質量等。
答：粒子物理的標準模型是否算成功？尚難定論，它只能解釋粒子物理有限事實。至於夸克是否組成基本粒子的最基本粒子，從提出三種夸克，每解釋遇到困難，就增添夸克種類來解決這些困難問題或矛盾。這樣做有止境嗎？而且至今尚未從實驗中觀察到夸克粒子。在《原子物性論》看來，原子核內存在重粒子間交換的強作用，邊緣輕粒子間交換的弱作用，重輕粒子間交換的電磁作用。放射性元素原子核重粒子趨心擠壓運動或被轟擊，拋出重粒子並帶出輕粒子與電磁交換量子，分別為α、β、γ等粒子或其它碎片粒子。中微子可能是輕粒子間交換的微粒子。

8.超對稱：存在低能超對稱嗎？超對稱伴子的質量譜是什麼？
答：超對稱概念可能來自於對超導體的新解釋，有沒有必要引進？在《物性論》看來沒有必要引進這個概念，因為超導體現象是某些物質，如氦之類物質在極低溫時粒子近乎靜止，而其周圍場物質交換範圍隨動能降低而擴大，ΔΕ=mc²(1-υ²/c² 。以至貫穿於整個材料，一出現電，立即傳遞到整個材料，電阻等零現象。

9.量子色動力學(QCD)：量子色動力學可以完全求解嗎？
答：量子色動力學可能來自於原‘夸克’解釋基本粒子組成不能解決問題而引進的‘色夸克’粒子的理論。問題在於‘夸克’是否存在？如果不存在，其解還有意義嗎？在《物性論》看來，基本粒子實際上是原子核破裂的碎片，由於原子核有一定的結構，碎片仍有一定的規律。

10.弦論：超弦理論是一個有望成功地統一自然相互作用的理論，但它到底是什麼？
答：《物性論》認為：渦旋中心運動，在其兩側疊加線速度相反，而產生同向側趨向反向側趨勢的曲線運動，即形成圓周、環、圈態、弦等運動狀態。超弦理論能否成功地統一自然相互作用力，是很可疑的。

11.時空的觀念：時空是什麼？超弦理論最終可能會放棄時間和空間這兩個概念。
答：時空是物質運動的存在形式。它的描述與物質運動狀態密切相關的。如牛頓力學時空是以描述低速機械運動狀態的時空，在此情況下，加速度與作用力成正比。又如相對論時空是場的時空，它描述牛頓力學關係式在高速物質運動狀態仍然適用情況下的空。實際上物質高速運動時，加速度隨速度提高而減少，外加作用力愈不起加速運動作用，極限速度時加速度等零。這類時空描述正是《物性論》的時空觀。超弦理論最終放棄時間和空間概念，能否更好描述物質運動狀態是很可疑的。

12.物理理論是否與環境相關：物理的基本參數和規律都可以計算，還是僅由歷史的或量子的偶然性決定，或者是由人擇原理來確定？景觀的圖像是對的嗎？
答：物理理論與其應用兩方面來看,從理論本身來看不應與主觀人擇原理有關,物理理論應反映自然本質與規律,只有將其應用於技術才具有巨大能動性，即由條件控制、組合協調、模型應用等的人為選擇原理來確定的。景觀圖像只是感性的現象認識，沒有達到事物本質的認識，因此需要通過理性思維進入本質的認識。

13.新物態：存在常規實驗可探查的一般非費米流體行為嗎?
答：費米粒子是指殼粒子、質子、中子之類粒子，非費米粒子指光量子之類粒子，其集體運動狀態像液體行為，是一種場物質流態，應可以實驗探測。

14.複雜性：對一般的複雜大系統而言，其內在的混沌特性決定了系統的不可預測性。如何運用計算手段來分析這類系統、鑑別哪些特徵？
答：一般複雜大系統是內在混沌特性決定的系統。通常可以用統計及其平均值來鑑別某些特徵。如溫度是分子動能平均值。元素原子量是相應原子質量的平均值。

15.量子計算機：如何防止量子計算中的“退相干”？如何實際製造量子計算機？
答：格羅斯量子計算中的“退相干”指的是什麼？不太清楚。但量子計算機遲早可以製成的，這主要決定量子數字器件及其傳輸協調什麼時候試製成功與其如何製作。光盤有代替磁盤的趨勢，已證明量子器件正在逐步取代電子數字器件，終有一天會出現量子計算機。

16.物理學的應用：如何得到室溫甚至室溫以上的超導材料？如何用電子材料(如半導體)製造室溫鐵磁體？
答：微觀粒子與周圍場物質不可分割地聯繫在一起，運動愈劇烈或速度愈高，交換場物質愈往變換能轉變，使其交換愈弱且範圍愈窄小，反之亦然。超導體是從極低溫氦原子幾乎不動，變換轉化為交換能，範圍擴大到整個材料，以至材料一端出現電或交換不平衡立即無阻礙地通過交換場物質傳遞到材料的另一端，電阻等零的超導體的現象。但是否可以得到室溫以上超導體材料？由於技術的能動性，相信可以製作室溫下粒子周圍場物質交換達到整個材料或電阻等零的材料。

17.理論生物學：生物學的理論是什麼？理論物理學有助於生物學研究嗎？需要新的數學嗎？如何描述生物體這樣呈現出多時間尺度動力學的體系？
答：生物或生命理論的基本機理跟物理、化學一脈相承的。《物性論-自然學科間交叉理論基礎》一書第三部分以《遞傳物性論》專門對化學、生命、生態分別闡述。以分子結構的原子殼粒交換傳輸與化學反應的元素原子遞換傳輸引伸到生命體內一系列分子、原子遞換傳輸，再到生態物種間食物鏈的物質遞換傳輸過程。如果說物理是能量遞換傳輸，那麼生化是實物或粒子的質量遞換傳輸。可見理論物理研究有助於生物研究。由於元素原子量是其原子質量統計平均值，從而分子量也是統計平均值，包括一物種壽命、身體高或重等都是統計平均來確定的。

18.基因組學：物理學家如何參與基因組的“解密”？可能擁有一個定量的、可預測的進化理論嗎？甚至能否直接從基因組出發“計算”有機體的形狀？
答：種細胞是有機聯繫的分子系統，其各部分相當於器官的子系統，染色體可以說是種細胞的子系統，而基因是其中一段具有全息分子鏈。種細胞吸收水與營養料分子在遞換傳輸中生長、複製、分化、繁殖、衰亡過程。不同物種具有不同的分子系統與一定結構的基因，基因分子結構可以用編碼表示，尚未被認識的稱為‘密碼’，一旦被認識稱為‘解密’。這類通過編碼簡化有助於量化與計算。

19.意識的研究：記憶和意識後面的自組織原則是什麼？有可能在幼兒期測量到意識的發生嗎？什麼時候？如何發生？如何測量？能否製造一個具有“自由意志”的機器？
答：《物性論》沒有研究這個意識問題。

20.計算物理學：計算機能代替解析計算嗎？如果是，那麼將來物理學家所受的訓練該如何相應改變？
答：計算機是科學技術研究先進工具，是科學家得力的助手。隨着計算機發展功能愈來愈強，包括計算能力愈來愈強，在某些方面，如計算速度比人腦更快。但計算機始終沒法超過人腦的意識功能與認識事物本質能力，計算機畢竟是人腦數字器件與指令設計能動性產物，解析計算方法總有一天還是可被設計出來的。

21.物理學的分化：物理學自身發展日益分化，如何面對這種狀況？
答：物理學自身發展日益分化是必然的，尤其是技術發展更促使其分化趨勢。技術上只能通過分工合作來實現的，因為一個人能夠熟練掌握若干複雜技術很不容易，有的複雜技術花去大半輩子仍掌握不夠好，一項複雜技術要由好多人分工合作或管理來實現。另外人們不滿足零碎知識，堅信自然界必存在內在統一性，只不過尚未被認識而已。這是物理學另一方面必向更加統一方向發展動力，《物性論》就是這種背景下一種嘗試。

22.還原論：是否應該懷疑這個物理學的根本邏輯？是否保持一個開放的態度？
答：是的，自牛頓1687年集大成著作《自然哲學的數學原理》出版以來，已經好幾百年了。但物理學界根本邏輯仍然停留在牛頓時代所建立的思維方法基礎上，主要是數理方法的演繹邏輯和歸納方法的因果邏輯。現在到了技術高度發達的今天，需要改變這類思維方式了，有必要引進辯證方法的矛盾統一邏輯來研究物理學與自然科學，才能解決充滿矛盾零散的理論。並保持一個開放的態度。

23.“理論”應該扮演何種角色：“理論”是否應僅僅靠實驗來判斷正誤，或者應該是由基本物理原理發展出來的對自然“更高”層次的理解，而可以不顧及是否能在實際中實現？在對複雜系統的細節描述中，如何估價物理學家一貫堅持的“簡潔性”和數學“優美性”等原則？
答：“理論”是認識事物本質與規律的表達方式，“理論”在一定程度上靠實驗判斷正誤的，但到了遠大或遠小於人體所及的天體或微觀世界的實驗和計算式帶有眾多猜測成份，通過“理論”假設與邏輯推理得出可觀察實驗或應用成功，也可算作驗證，至少比沒有實驗或應用要令人信服。由基本物理原理發展出來的對自然“更高”層次理論，也應顧及在實際中或經若干層次推理到實際層次中實現。物理學家堅持“簡潔性”和數學“優美性”等原則應以對事物本質與規律認識有益為準，否則會損害對事物本質與規律的認識。

24.物理學未來發展中潛在的危險：如何面對越來越大、越來越難以實現的物理學實驗計劃？在這種形式下，新的研究途徑該是怎樣的？理論在探索自然方面應該起什麼作用？
答：是的，物理學面對越來越大、越來越難以實現的物理學實驗計劃。在這種形勢下，一方面向跨學科統一理論方向發展，這使理論在探索自然可以取得更廣泛本質與規律的認識。另一方面向技術應用，即理工結合方向發展。因此我們主張實驗儘可能與技術應用結合設計，使其既具有為人們服務的應用功能，又具有驗證功能。

25.物理學是否仍將是最重要的科學？
答：我們認為物理學仍然是自然科學的主導學科。