前不久，2004年诺贝尔物理学奖获得者、美国UCSB理论物理研究所所长大卫．格罗斯（David Gross）教授在北京中科院物理所做了题为“物理学的未来”的科学报告。报告中格罗斯教授讨论了当前物理学面临的25个问题及它们如何引导物理学未来25年的发展。

格罗斯说，过去25到35年中，物理学取得了巨大进展，但与之同时人们面临的未知事物同样增多。他将这些“未知”归纳为当前物理学面临的25个问题，认为它们将引导物理学下一个25年的发展。分属宇宙论、 天体物理学、凝聚态物理学、粒子物理学、弦理论、生物物理学和科学政策及社会学七大领域的这25个问题，广泛涉及宇宙起源、暗物质、暗能量、星体形成、广义相对论、量子力学、复杂性、量子计算机、理论生物学、基因组学和计算物理学等。

试答格罗斯问题

陈叔瑄

本文利用《物性论-自然学科间交叉理论基础》与《物性理论及其工程技术应用》原理试图对格罗斯演讲的25个问题试行解答。这类解答可能很肤浅，但作为抛砖引玉尝试应该还能胜任的。

1.宇宙起源：宇宙学观测表明宇宙是膨胀着的。通过对微波背景辐射和宇宙大尺度结构等的观测，宇宙的历史可以追溯到极早期发生的大爆炸。我们所知的基本物理，比如广义相对论和粒子物理标准模型，在那里都不适用。为理解宇宙起源，需要了解大爆炸时期的基本物理。
答：“宇宙学观测表明宇宙是膨胀的”这句话来自于天体光红移现象或哈勃定律得出的结论。但问题是光红移本质是什么？如果光红移本质不是天体退行速度引起的，而是光量子运行在愈来愈远且愈宽广空间而逐步变换成平动运动，最后转化为纯平动场物质状态的话，那么就得不到宇宙纯粹膨胀或大爆炸的结论。再说人类生存的历史只不过是宇宙演变的一瞬间，即使现在是宇宙膨胀，也不能肯定人类史前或史后也一定继续膨胀或爆炸。更妥当提法应该是宇宙是在周期性浓缩（收缩）与膨胀（爆炸）演变的，人类生存期间处于宇宙膨胀时期的。这可以从变星周期变化现象，哈勃星云形状规则与不规则分布统计得到引证。

2.暗物质的本质：现代宇宙学观测表明宇宙中存在暗物质和暗能量。但是它们的起源仍然是个谜。

3.暗能量的本质。
答：暗物质是物质涡旋运动成形之前的物质形态，即尚未浓缩到高度集中物质，而处于气体与场物质状态。平衡趋势仍以浓缩为主，弥漫为辅的交换状态，所形成的微涡旋是极低频率的电磁波为主，并辐射出去。按《物性论》观念，有物质就有运动，即有质量就有能量，因此暗物质自然具有能量，只不过所可辐射的只是低频率的电磁波，即所谓的暗能量。

4.恒星、行星的形成：天体的形成是天体物理学中的重要问题。适合生物存在的行星，在银河系中出现的几率到底是多少？
答：《物性论》认为天体，包括恒星、行星形成都是以物质涡旋运动中逐渐浓缩形成的，如果恒星周围物质运动角速度不同步，则分离成核心恒星体与周围涡旋环所形成的涡旋体（相当于行星）与某些新环或更外层的涡旋体（相当于卫星或环），如太阳系。太阳系的土星周围的环就是未成新卫星前的状态。地球在太阳系中的特有位置、温度、重力与演变成特有的大气层与大面积海洋，生成与孕育生命体，与进化生物特有环境条件。银河系其它星球重复形成地球同样条件的几率非常之小，几乎近零。因此人类必需特别珍惜地球特有环境条件。

5.广义相对论：广义相对论在所有尺度上都是正确的吗？
答：广义相对论建立在牛顿力学质量与引力质量等价假想实验基础上，采取张量数学工具进行表达与推导，引出一系列广义相对论结论，如空间弯曲结论。不可能在所有尺度上都是正确的。如果光与引力场质不相干的，空间弯曲本质是由于涡旋运动的中心速度与其两侧处于相反（同向与反向）状态，平衡趋势使其处曲线运动，即空间弯曲。

6.量子力学：量子力学取得了巨大成功，但它描述的是自然的最终理论吗？也许它会在很小的距离上和非常复杂的系统中失效，是否可用来描绘整个宇宙也还值得探讨。
答：量子力学在微观原子结构领域是取得了巨大成功，但不是描述自然的最终理论，也不是描绘整个宇宙的理论。量子力学在描述高速运动系统与宏观、复杂系统还困难重重。天体、生命、化学领域几乎难以解释应用。虽然有人企图用其描述分子轨道，但仍无法根本解决化学基本问题。即使微观领域中描述强作用、弱作用、电磁作用间关系仍然困难重重。这就给《物性论》提供了解决这些问题的机会，把量子力学看成解决原子结构的物性理论的特例。

7.标准模型：粒子物理标准模型无疑极为成功，但人们并没有理解夸克和轻子的质量混合的物理起源和中微子的质量等。
答：粒子物理的标准模型是否算成功？尚难定论，它只能解释粒子物理有限事实。至于夸克是否组成基本粒子的最基本粒子，从提出三种夸克，每解释遇到困难，就增添夸克种类来解决这些困难问题或矛盾。这样做有止境吗？而且至今尚未从实验中观察到夸克粒子。在《原子物性论》看来，原子核内存在重粒子间交换的强作用，边缘轻粒子间交换的弱作用，重轻粒子间交换的电磁作用。放射性元素原子核重粒子趋心挤压运动或被轰击，抛出重粒子并带出轻粒子与电磁交换量子，分别为α、β、γ等粒子或其它碎片粒子。中微子可能是轻粒子间交换的微粒子。

8.超对称：存在低能超对称吗？超对称伴子的质量谱是什么？
答：超对称概念可能来自于对超导体的新解释，有没有必要引进？在《物性论》看来没有必要引进这个概念，因为超导体现象是某些物质，如氦之类物质在极低温时粒子近乎静止，而其周围场物质交换范围随动能降低而扩大，ΔΕ=mc²(1-υ²/c² 。以至贯穿于整个材料，一出现电，立即传递到整个材料，电阻等零现象。

9.量子色动力学(QCD)：量子色动力学可以完全求解吗？
答：量子色动力学可能来自于原‘夸克’解释基本粒子组成不能解决问题而引进的‘色夸克’粒子的理论。问题在于‘夸克’是否存在？如果不存在，其解还有意义吗？在《物性论》看来，基本粒子实际上是原子核破裂的碎片，由于原子核有一定的结构，碎片仍有一定的规律。

10.弦论：超弦理论是一个有望成功地统一自然相互作用的理论，但它到底是什么？
答：《物性论》认为：涡旋中心运动，在其两侧叠加线速度相反，而产生同向侧趋向反向侧趋势的曲线运动，即形成圆周、环、圈态、弦等运动状态。超弦理论能否成功地统一自然相互作用力，是很可疑的。

11.时空的观念：时空是什么？超弦理论最终可能会放弃时间和空间这两个概念。
答：时空是物质运动的存在形式。它的描述与物质运动状态密切相关的。如牛顿力学时空是以描述低速机械运动状态的时空，在此情况下，加速度与作用力成正比。又如相对论时空是场的时空，它描述牛顿力学关系式在高速物质运动状态仍然适用情况下的空。实际上物质高速运动时，加速度随速度提高而减少，外加作用力愈不起加速运动作用，极限速度时加速度等零。这类时空描述正是《物性论》的时空观。超弦理论最终放弃时间和空间概念，能否更好描述物质运动状态是很可疑的。

12.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？
答：物理理论与其应用两方面来看,从理论本身来看不应与主观人择原理有关,物理理论应反映自然本质与规律,只有将其应用于技术才具有巨大能动性，即由条件控制、组合协调、模型应用等的人为选择原理来确定的。景观图像只是感性的现象认识，没有达到事物本质的认识，因此需要通过理性思维进入本质的认识。

13.新物态：存在常规实验可探查的一般非费米流体行为吗?
答：费米粒子是指壳粒子、质子、中子之类粒子，非费米粒子指光量子之类粒子，其集体运动状态像液体行为，是一种场物质流态，应可以实验探测。

14.复杂性：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？
答：一般复杂大系统是内在混沌特性决定的系统。通常可以用统计及其平均值来鉴别某些特征。如温度是分子动能平均值。元素原子量是相应原子质量的平均值。

15.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？
答：格罗斯量子计算中的“退相干”指的是什么？不太清楚。但量子计算机迟早可以制成的，这主要决定量子数字器件及其传输协调什么时候试制成功与其如何制作。光盘有代替磁盘的趋势，已证明量子器件正在逐步取代电子数字器件，终有一天会出现量子计算机。

16.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？
答：微观粒子与周围场物质不可分割地联系在一起，运动愈剧烈或速度愈高，交换场物质愈往变换能转变，使其交换愈弱且范围愈窄小，反之亦然。超导体是从极低温氦原子几乎不动，变换转化为交换能，范围扩大到整个材料，以至材料一端出现电或交换不平衡立即无阻碍地通过交换场物质传递到材料的另一端，电阻等零的超导体的现象。但是否可以得到室温以上超导体材料？由于技术的能动性，相信可以制作室温下粒子周围场物质交换达到整个材料或电阻等零的材料。

17.理论生物学：生物学的理论是什么？理论物理学有助于生物学研究吗？需要新的数学吗？如何描述生物体这样呈现出多时间尺度动力学的体系？
答：生物或生命理论的基本机理跟物理、化学一脉相承的。《物性论-自然学科间交叉理论基础》一书第三部分以《递传物性论》专门对化学、生命、生态分别阐述。以分子结构的原子壳粒交换传输与化学反应的元素原子递换传输引伸到生命体内一系列分子、原子递换传输，再到生态物种间食物链的物质递换传输过程。如果说物理是能量递换传输，那么生化是实物或粒子的质量递换传输。可见理论物理研究有助于生物研究。由于元素原子量是其原子质量统计平均值，从而分子量也是统计平均值，包括一物种寿命、身体高或重等都是统计平均来确定的。

18.基因组学：物理学家如何参与基因组的“解密”？可能拥有一个定量的、可预测的进化理论吗？甚至能否直接从基因组出发“计算”有机体的形状？
答：种细胞是有机联系的分子系统，其各部分相当于器官的子系统，染色体可以说是种细胞的子系统，而基因是其中一段具有全息分子链。种细胞吸收水与营养料分子在递换传输中生长、复制、分化、繁殖、衰亡过程。不同物种具有不同的分子系统与一定结构的基因，基因分子结构可以用编码表示，尚未被认识的称为‘密码’，一旦被认识称为‘解密’。这类通过编码简化有助于量化与计算。

19.意识的研究：记忆和意识后面的自组织原则是什么？有可能在幼儿期测量到意识的发生吗？什么时候？如何发生？如何测量？能否制造一个具有“自由意志”的机器？
答：《物性论》没有研究这个意识问题。

20.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？
答：计算机是科学技术研究先进工具，是科学家得力的助手。随着计算机发展功能愈来愈强，包括计算能力愈来愈强，在某些方面，如计算速度比人脑更快。但计算机始终没法超过人脑的意识功能与认识事物本质能力，计算机毕竟是人脑数字器件与指令设计能动性产物，解析计算方法总有一天还是可被设计出来的。

21.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？
答：物理学自身发展日益分化是必然的，尤其是技术发展更促使其分化趋势。技术上只能通过分工合作来实现的，因为一个人能够熟练掌握若干复杂技术很不容易，有的复杂技术花去大半辈子仍掌握不够好，一项复杂技术要由好多人分工合作或管理来实现。另外人们不满足零碎知识，坚信自然界必存在内在统一性，只不过尚未被认识而已。这是物理学另一方面必向更加统一方向发展动力，《物性论》就是这种背景下一种尝试。

22.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？
答：是的，自牛顿1687年集大成著作《自然哲学的数学原理》出版以来，已经好几百年了。但物理学界根本逻辑仍然停留在牛顿时代所建立的思维方法基础上，主要是数理方法的演绎逻辑和归纳方法的因果逻辑。现在到了技术高度发达的今天，需要改变这类思维方式了，有必要引进辩证方法的矛盾统一逻辑来研究物理学与自然科学，才能解决充满矛盾零散的理论。并保持一个开放的态度。

23.“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？
答：“理论”是认识事物本质与规律的表达方式，“理论”在一定程度上靠实验判断正误的，但到了远大或远小于人体所及的天体或微观世界的实验和计算式带有众多猜测成份，通过“理论”假设与逻辑推理得出可观察实验或应用成功，也可算作验证，至少比没有实验或应用要令人信服。由基本物理原理发展出来的对自然“更高”层次理论，也应顾及在实际中或经若干层次推理到实际层次中实现。物理学家坚持“简洁性”和数学“优美性”等原则应以对事物本质与规律认识有益为准，否则会损害对事物本质与规律的认识。

24.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？
答：是的，物理学面对越来越大、越来越难以实现的物理学实验计划。在这种形势下，一方面向跨学科统一理论方向发展，这使理论在探索自然可以取得更广泛本质与规律的认识。另一方面向技术应用，即理工结合方向发展。因此我们主张实验尽可能与技术应用结合设计，使其既具有为人们服务的应用功能，又具有验证功能。

25.物理学是否仍将是最重要的科学？
答：我们认为物理学仍然是自然科学的主导学科。