“物理学的未来”1

——追忆麻省理工学院百年校庆时对物理学的未来的讨论

一

1961年4月，在MIT有一个盛大的百年庆祝。那是一个科学与技术震撼人心的时代，也是美国刚刚就任了一位年轻的、雄心勃勃的新总统的时代，所以那次自然是一个极自信的、近乎自我陶醉的欢乐大庆祝。庆祝之中有一个座谈会，题目是“物理学的未来”。座谈会的主席是Francis Low，共有四位演讲者，依次序是Cockcroft，Peierls，Yang 和 Feynman。座谈会的记录本来计划由MIT发表，可是没有做到。很多年以后Cockcroft 和 Peierls的演讲由Schweber在2008年出版的《爱因斯坦与奥本海默》中做了摘要。我和Feynman的演讲后来于1983年2与2005年3分别发表。

我的演讲中的一段如下：

既然（今天）似乎有一种倾向：对“未来基本理论”有无限的期待，我预备敲一下悲观的警钟。在一个兴奋且乐观、对过去的成就十分骄傲、对未来有极正面的期待的欢庆中，加入一些不谐的声音也许是好的。4

然后我说，要达到今天对场论的了解，Wigner认为必须经过四层基于实验的物理观念， 而且要想再深入一层将十分艰难。接下去我说：

在这一点上物理学家受到限制：理论必须由实验证实。与数学家或艺术家不同，物理学家不能凭自由想象创建新观念或新理论。

我的演讲以后是Feynman。他这样开始他的讲词：

我同意前面三位的讲词的内容，几乎全部内容，但是我不同意杨教授的意见，认为前景不容乐观。我还有勇气，我认为困难在任何时刻都会有。

一种可能是一个终极解决方法将出现。杨教授认为这显然不可能，我不同意。

我所讲的终极解决方法是终将发现一组基本定律，为一切实验所证实。

Feynman是我这一代物理学家中的直觉理论大师。今天读他这些话，我很想知道：

（一）他1961年提出的“终极解决”是哪一类的；

（二）他在晚年是否仍然十分乐观。

二

在1961年会议以后的50多年间，我们学到了些什么？回答：“很多”。通过理论与实验物理学家的深度合作，下面的理论逐一被提出，然后逐一被实验验证：

• 一个特殊的对称破缺模型
• 弱电理论
• 非阿贝尔规范场的可重整化
• 渐近自由与QCD

而最后戏剧性的发展是2012年Higgs粒子的发现。所以我们今天有一个可用的标准模型，一个SU（3）×SU（2）×U（1）gauge theory。

50多年来我们成功地发展了深一层的观念，一层建构在所有以前的各层观念和许多极大的新实验上的新观念。

三

还有没有更深层的物理观念需要发掘呢？我认为有，还有很多层。我们什么时候可以达到下一层？我认为要在很久的未来，甚至永远达不到。

“你为什么这样悲观？”“ 我不是悲观，我只是务实。”

附录 A：物理学的未来

理查德·费曼（Richard P. Feynman）

听了Cockcroft教授、Peierls教授和杨教授的发言，我基本同意他们所讲的话。但是我不同意杨教授所说的前景不容乐观。我仍有信心。我认为任何阶段都会看似困难重重。另一方面，你们也会看到，我同意其中某些悲观的看法，同时我又无法对他们的意见做任何有用的补充。所以，我将讲一些（看似）不合理的话，请原谅我，我说的话会与他们十分不同。

首先，为了不使讨论的范围太大，我将尽量约束自己只讨论一个问题：寻求物理学的基本定律——最前沿的定律。如果我讨论非最前沿的问题，例如固体物理以及其他应用物理等，我会讲很不同的话。所以，请理解我缩小讨论范围的做法。

我认为，如果你不问自己专业的未来，你就无法读懂历史。我认为，如果不考虑所处的政治和社会背景，就无法预言物理学的未来。假如你要像Peierls教授一样预言未来25年的物理学，你必须记住你是在预言1984年的物理学。

其他发言者似乎为了避免出错而只预言未来10年也许25年的物理学。其实他们这样做并不安全，因为你可以跟上，发现他们的错误。因此，我想预测未来的1000年，万无一失。

根据其他发言者的预测方法，我们需要看一下961年和1961年的物理学。我们必须比较一下这两个时代：与奥马尔·海亚姆（Omar Khayyam）由同一扇门进出却早一个世纪的物理学，和目前我们打开一扇又一扇的门看到藏着珠宝的房间的物理学。而且，打开后面的五六扇门肯定有更多的宝藏。这是一个英雄时代，这是一个非常激动人心的时代，基础物理及基本定律有非常关键的进展。将其与961年相比并不公平，而是应该寻找物理学发展史上的另一个英雄时代，也许是阿基米德、阿利斯塔克的时代，即公元前3世纪。此后的1000年就是他们的物理学的未来：公元750年的物理学！物理学的未来取决于世界的其他情况，而不是简单按照目前的发展速度进行推测。如果再过1000年，就会面对一个难题：物理学是否可能灭亡？

从政治与社会的角度看，极有可能发生的事情之一是：我们即将有一场可怕的战争和一次毁灭。这样一次毁灭后，物理学会发生什么？它会复原吗？我觉得物理学，基础物理学，可能无法复原。接下来我讲讲为什么无法复原。

首先，假如北半球有大破坏，那么对于未来研究工作必不可少的高能机器很有可能无法运作。机器可能被破坏，可能没有启动机器的电源，也可能没有维修机器所需的工业技术，至少这种状况会维持一段时间。实验物理技术是工业实力的精华，必定会产生短时间的延阻。

物理学是否会暂时后退再恢复过来？我认为不会。因为一个令人振奋的英雄时代的产生必须先有一系列的成功。如果你注意不同文明中的伟大时代，你会发现那些时代的人对于成功有巨大的信心，他们有由他们自己发明创造的崭新事物。假如一个时代发生后退，就会有一段时间没有大的成绩。你需要做那些前人已经做过的实验，你需要重新研究前人已经掌握自如的定理。这可能会产生许多空谈和哲学推理，费力地学习物理学只是因为文明的需要，而不是真正在做研究。写下来的只是注释—知识分子的弊病，在许多领域中出现。从技术上讲，物理学很难立即恢复。高智商的人满脑子是当时的实用问题。困难在于物理学会变得无趣，而且会有一段时间没有任何新的发现。另一个特点是毫无用处。没有人知道怎么应用已经得出的高能粒子实验的结果。最后，可怕的灾难可能会引发敌对情绪，人们可能把毁灭怪罪于使之成为可能的科学家，对物理学和物理学家的敌视态度可能会普遍存在。另一个要注意的是研究精神可能无法再次建立，因为这种精神聚集于北半球工业发达的国家，它在其他国家还没有茁壮成长。

我提到了1000年，也许在这么长的时间里会有一次复兴。会由什么样的机器设备带来这一复苏？（我说过我无法讲出有用的话，我的确不行。）复兴必须是由某个领域中某个成功引起的。成功会在哪里出现？也许在其他领域。也许在物理学以外的领域，会有一个超越前人的时代，人们从而有了发展的信心，这种精神茁壮成长后会感染物理学。又或许，物理学会出现新的领域、新的观点，或者其他崭新的事物。这一点我无法判断。

另一个有意思的可能性，是某个国家或民族用科学观作为一种道德而在社会、政府、商业上取得某种胜利。你们懂我的意思—就是当某些人说某些话时，要聆听他们在说什么，而不是去想为什么他们这样说。宣传可能只是谎言，如果所讲的话不是想传达的内容，而只是为了显示自己有多么强大、多么美好等，那么没有人会仔细去聆听的。假如成功来自科学观，那么一个国家可能受自身社会取得的成功的鼓励，从这个科学问题中发展出又一兴趣。

现在我们看一下反面观点：假设没有毁灭—怎么才能没有毁灭，我不知道，我们只是假设一下—那么会发生什么？假设我们想象一个类似我们目前的社会持续了1000年（荒唐！），基础物理学、物理学基础问题、物理学定律研究会发生什么？

一种可能是有一个最终的解决方法将出现。杨教授认为这不可能，我不同意—虽然这种方法还没找到。如果你从建筑的一头走向另一头，在你还没抵达门口时，你还可以争辩说：“看，我们穿过这座建筑，我们没到门口，所以建筑的另一端并没有门。”但是对于我来说，我们似乎正在穿过一个建筑，我们并不知道这是一个无限长的还是有限长的建筑，因此我认为存在着一个最终解决的可能。

我所讲的最终解决方法是指会发现一套基础定律，从而使每个新的实验结果只是验证已知的定律，然后情况会越来越无趣，日复一日没有出现与已知的基本定律不吻合的新东西。当然，这样一来注意力会停留在我没展开的第二句话，但是基本问题会得到解决。

我觉得假如这样一个终极方法被发现，就会产生一种现象：富有活力的科学哲学出现衰退。我觉得我们之所以能成功抗拒职业哲学家和傻瓜在知识与如何获取知识上的洗脑，是因为我们在物理学上没有取得彻底的胜利。我们可以总是这样说：“你很好地解释了为什么世界就是我们所发现的样子，但是明天我们又会发现什么？”既然他们根本无法做任何预测，我们会觉得他们的哲学不能真正了解现状。可是假如现在就有解决方法，那么有多少人就要证明它必须是四维的？因为种种原因，它只能是四维的。我们哲学的活力也如此，它来自我们仍然在奋斗中这一事实。我认为它不能持久。

还有什么别的可能性呢？假设我们正在穿过的建筑是无限长的，如杨教授所认为的那样，那么将会有一连串令人振奋的发现。我们将加快步伐，打开一扇又一扇门，找到一件又一件珍宝。1000年！60年内有3个发现等于1000年有50个发现。是否会在基础物理观念上出现50个令人振奋的革命？基础物理学是否还有很多珍宝？如果是的话，情况会变得有点无趣。当你深入研究事物时总会发现变化，一件事要是重复20次就会很枯燥。我不相信积极的探索可以持续1000年。如果这种情况持续下去（我的意思是如果不能找到终极解决方法），加上如果我不相信可以连续有50个大发现，那么又会发生什么？

还有另一种可能性，就是物理学发展的速度会缓慢下来。问题变得更难解决。这种情况会怎样？强结合分析过了，弱结合只部分分析了，可是还有更弱的结合更难分析。要取得有用的实验信息是非常困难的，因为跨学科研究如此薄弱。获取数据的速度越来越慢，新的发现也越来越慢，问题也变得越来越难。越来越多人觉得物理学是个没有意思的学科，因此物理学会处于一种未完成的状态，只有少数研究在某些问题的边缘缓慢地进行。

当然，我们所说的物理学也有可能扩展到其他领域。我认为，如Peierls教授所讲的，物理学会扩展到天文学史和宇宙学。物理学的定律，如我们目前所了解的，属于这一类。在目前的状况下，物理学会如何发展？虽然微分方程及时引导出这些定律，可是肯定还存在另一问题：什么决定了目前的状况？也就是，宇宙发展全史是什么？认识到某一天这会成为物理学的一部分而不会总是被称为天文学史的方法，是注意到至少有一种可能性是物理学基本定律会随着时间而变化。如果物理学定律随着绝对时间的变化而变化，那么就无法区分如何得出定律与如何发现历史。我认为宇宙问题极有可能被卷入物理学里面。

最后，我要提醒你们，我只限于讨论基础物理学的未来。我认为将会有一个从前沿研究转入应用的重要转折，还有物理学定律所带来的发展。这会让人非常兴奋。我对这些方面的未来的看法，与我对基础物理的看法是完全不同的。

我们正处在一个英雄的时代，这个时代独一无二又令人振奋。以后的人会非常妒忌我们这个时代。那么发现物理学基本定律的时代又是怎样的呢？美洲无法被发现两次，我们可以妒忌哥伦布。你可以说，是的，但是美洲之外，还有别的星球可以探索。你说得对。除了基础物理学，还有别的问题可以研究。

我总结一下：我认为基础物理学的生命是有限的。它还会持续一段时间。目前它充满惊喜，我也根本不想退出这一领域。我生逢其时，占了很大的便宜，但我不认为它可以持续1000年。

我用以下两点作为结尾。首先，我讨论的不是应用物理或其他领域，对于这些领域我的看法会十分不同。其次，现代社会瞬息万变，我所预测的1000年的事可能在100年内就完成了。谢谢。

附录 B：物理学的未来

杨振宁

在最近的四五年里，理论物理学家将许多注意力和努力奉献在从物理可观察的经验到非物理区域的解析延拓上。特别是通过外推去研究尚未观察到的区域中的奇异性质。这种努力一开始就被重重困难所包围，然而在这个方向上工作的兴趣一直保持着。以类似的精神，今天上午我们尝试着采取一种类似的方法：通过外推，来看一下过去的经验以外的事情，认识一些到目前为止尚未看到的物理学的未来的发展。在这种追索中，我们不能期望得到具体的好结果，但我相信大家都会同意，这种尝试是非常有趣味的。

从各种标准来看，到目前为止，20世纪物理学的成就是惊人的。在20世纪初，物质的原子的面貌作为一门新的研究科目刚刚出现，而今天，在其研究范围的精细程度上我们进展了百万倍：从原子大小进入到亚核（subnuclear）大小。在能量方面的进展给人印象更深：从几个电子伏特到几十亿电子伏特。实验技术的能力和精巧程度随着物理学家探索的深入也在阔步前进。物理学的进展给其他学科——化学、天文学乃至生物学带来的重大影响实在难以形容。物理学的发展对于技术的影响、对于人类事务的影响在战后是如此突出，以至于没有必要再在这儿做进一步的强调。

但是物理学的荣耀并非建立在这类影响之上，物理学家最看重的也不是这些影响，甚至物理实验深入范围的不断扩大，也不是物理学家感到满意和引以为豪的主要方面。物理学家最注重的是去形成这样一些概念的可能性，从这些概念出发，用爱因斯坦的话说5，一个“完整的可用的理论物理学系统”能够被构造起来。这方面的工作，使物理学在智力的努力上极其独特和出类拔萃。这样的一个系统体现了普适的基本规律，“用这个系统，宇宙能用纯粹推导的方式建造起来”。

从这样一个极高、极严格的判断出发，20世纪前60年在物理学方面的成就恰如一首英雄诗。在这60年间，在物理学的领域里，不仅有大量拓宽我们了解物理世界的重要发现，而且还被证实不是一个，不止两个，而是三个物理概念上的革命性的变化：狭义相对论、广义相对论和量子理论。这三个概念上的革命，形成了一个深刻的、完整的、统一的理论物理体系，获得了刚过去的这段时期所留下的卓越的遗产。那么，物理学的前景是什么？

毫无疑问，在佩尔斯（R. Peierls）教授称之为物理学的基础和第一线后面的物理学这两方面，我们的知识将会继续迅速增长。

对前者，凭我们现有的知识，我们可以很肯定地说，在以后的几年中弱相互作用领域中的问题将得到很大的澄清。如果运气好，我们甚至可以期望看到弱相互作用的各种表示的某种综合。

此外，我们对许多事尚未确切了解。诚然，我们已经明确地提出了若干问题，然而目前去寻求这些答案是一件既紧迫又困难的事：怎么处理一个有无穷多自由度的系统？空间、时间连续的概念是否能够被外推到10—14厘米至10—17厘米的空间区域？或者外推到比10—17厘米更小的区域？电荷共轭下的不变性和同位旋转动下的不变性的基础是什么？与空间—时间对称性不同，已经知道这两种不变性是可以被破坏的。强相互作用、电磁相互作用和弱相互作用统一的基础是什么？与这些有关的引力场的作用是什么？这类问题可以继续罗列下去。然而当我们在这里叙述它们时，我们不能肯定这些问题是否意义深远：事实上物理学中的许多进展，是从对以前问过的一些无意义问题的真正认识中发展出来的。

然而，有一件事可以肯定，我们的知识的积累会继续迅速增长。我们只需要提醒自己，不久前物理学的发现周期是以几十年或者几年来计算的。例如，迈克耳孙—莫雷实验在1881年首次完成；在1887年以更高的精确度重做了一次；为了解释否定的实验结果，在1892年菲茨杰拉德（G. F. Fitzgerald）提出了收缩假设；在1902年洛伦兹提出了洛伦兹变换；发展到顶点就导致了1905年爱因斯坦狭义相对论的产生。想象一下，倘若迈克耳孙的第一个实验是今天做的，情况将会是怎么样！

人类对科学重要性的普遍的觉醒，以及人类思维在技术创造方面令人惊奇的智慧，确保了我们在实验科学方面加速前进的步伐。

对于我们几分钟前提到的一个“完整的可用的理论物理学系统”，我们应当采取什么态度？在20世纪前60年的光荣传统下，我们是否能合理地期待进一步的成功？

如果说用外推去确定函数的奇异性是困难的，那么同样地，通过推测去预言物理概念方面会发生什么样的革命性变化也是困难的。但由于存在无限制地相信一个“将来的基本理论”的倾向，我想发表一些悲观的意见。在这100周年的庆祝会上，整个气氛充满着对过去获得的成就的自豪和对未来前景的广阔展望，在这充满着激情的气氛中插入一些不和谐的旋律，也许并非完全不合适。

首先让我们再一次强调，纯粹的知识积累尽管是有趣的，对人类是有益的，但与基本物理的目标十分不同。

其次，亚核物理的内容与人类直接感觉的经验已经相距遥远，而当我们探究的空间变得更小时，这种遥远性肯定还会增加。随着加速器、探测器、计算机和实验室的规模越来越大，我们不难找到这一困难的生动证明。

今天的实验由精良的设备和精确的运行构成。欲使一个实验的结果有意义，必须把概念建筑在我们直接感受的经验和实验安排之间的每一个层次上。这里存在一个固有的困难，概念的每一个层次与前一个层次都是有关联的，是建筑在前一个层次上的。当不恰当之处表现出来时，必须更深入地检验先前概念的整体综合情况。随着对问题思考的深入，这个任务的困难程度急剧发散开来。这很像下棋，随着棋艺的提高，在下棋时总是多检验一步，这在实践时困难会越来越大。

按照威格纳的计算6，要达到现在场论的研究水平，至少必须贯穿四个不同层次的概念。这个计算的细节可以讨论，但无可否认，我们所设想的比较深入和比较完整的理论体系的结构，必包含至少再一个层次的贯穿。在这方面，物理学家面对这样一个不利条件，即理论物理的最终判断是在现实中。与数学家和艺术家不同，物理学家不能全凭自由的想象去创造新的概念、构造新的理论。

第三，爱丁顿（A. S. Eddington）曾经举过一位海洋生物学家的例子7，这位生物学家用的渔网网眼为6英寸，经过仔细的长时间的研究，他得出了一个定律，即所有的鱼都比6英寸长。这个假想的例子十分荒谬，然而在现代物理学中我们很容易找到这种例子。由于实验的复杂性和间接性，出现了这样的情况，人们没有认识到自己所做实验的选择性质。选择是建立在概念上的，而这些概念也许是不合适的。

第四，在物理学家的日常工作中很自然地隐含着这样的信念，即人类智力的威力是无限的，而自然现象的深度是有限的。这种信念是有益的，或像人们有时说的是健康的，因为从这样的信念中可以得到勇气。但是，相信自然现象的深度是有限的想法是不合逻辑的，相信人类智力的威力是无限的信念也是不正确的。一个重要而必须考虑的事实是，每个人的创造力的生理局限性和社会局限性可能比自然的局限性更为严重。

在说了这些告诫性的意见后，我们必然会问：它们是否与物理学的发展有关？譬如是否与这个世纪余下的40年中的物理学发展有关？现在我们不知道这个问题的答案，我们希望答案是否定的。

（附录为张美曼译）