21世纪物理学：万有理论和光电子学排前两名

　　1996年的一个冬夜，爱因斯坦的大脑被分装在两个充满酒精的容器里，在汽车的行李箱中穿越了美国和加拿大的边界。这只是这一器官众多探险经历中的一段，带它进行此次旅行的是普林斯顿医院的病理学家托马斯-哈维，此前他已经将爱因斯坦的大脑在自己家中保存了很长时间。爱因斯坦的大脑被切开之后，在许多不可思议的地方呆过，如啤酒柜、东京郊外的茶叶罐、火奴鲁鲁的冷库等等。经历所有这些奇遇的原因很简单：人们一定要弄清楚他的脑细胞里是否住着“天才”。无独有偶，前苏联人对十月革命之父做了类似的事情——列宁的遗体也曾被保存在了秘密的地点。哈维最终于1996年把由他掌握的那部分爱因斯坦的大脑交给了普林斯顿医院病理学科负责人埃利奥特-克劳斯。

　　爱因斯坦的去世意味着一个时代的结束，但并不意味着新探索的终结。这位孤独的科学家用他那无与伦比的大脑所进行的思考，深深改变了人们对自己所在的这个世界的看法。然而在他之后，除个别情况外，物理学变成了研究人员的集体任务，他们不再独立地工作。

　　在奇妙的1905年之后100年的今天，物理学面临着新的挑战。

　　万有理论

　　物质的最终本质是什么?关键词可能会是“弦”。弦论把所有的点状粒子统一为没有厚度的一维物体，所有的基本粒子都对应“弦”的一个振动模式，就像吉他上某根琴弦的振动。弦论，又称M理论，目前仍是一个谜。到现在为止，我们找到了5种仅能对M理论进行部分阐述的理论。尽管这一理论现阶段仍只是纯粹的理论猜想，但物理学家们相信“一个在数学上如此优美的理论是不可能不真实的”。

　　略带夸张地讲，这一理论被认为是可以解释一切的理论，凭借弦论可以统一当前物理学的两大基础理论：描述宏观宇宙的“广义相对论”和描述微观世界的“量子力学”。有人曾经说过，弦论是“潜入20世纪的21世纪物理学的一部分”。

　　光电子学

　　如果专家的预言能够实现，那么10年之内我们就能在市场上出售的计算机、电视机以及影碟机中见到一种全新的电路。未来使用光学技术的计算机的运行速度将大大超过现有的计算机。

　　随着我们用以连接芯片的金属元件越做越小，其稳定性也越来越差。光学电路是解决这一问题的找到能够从微观上控制和引导光传播的材料。目前看来，现有的光子技术的一个不错的选择，但问题是需要效果可能还不及电子线路，因此科学家们目前正在进行光电子学的研究，设计同时使用电子技术和光子技术的电路。

　　量子计算

　　量子理论从两个方面冲击了我们原有的普遍认知。首先，“观察”定义世界：没有绝对深奥难解的事实，我们所处的世界只是我们能够感知和测量的世界；第二，在亚原子世界里，因果关系的概念不复存在，剩下的只有“可能性”。不过，其中任何一点都能使我们在信息世界里发动一场革命。

　　著名物理学家理查德-费曼在一次学术会议开幕时说“那里有巨大的自由空间”，由此发出了探索物质内部广阔的原子世界的号召。现在的物理学为什么不能对此加以发掘和利用呢?例如将其用于传输、保存和处理信息等方面，即所谓的量子信息技术。你能想像未来有一天美国国会

　　捕捉神奇粒子

　　物质是由什么组成的?物理学家会说，物质是由原子组成的。原子由电子、质子和中子组成，而质子和中子由一种更小的叫夸克的微粒组成。当初夸克理论预言夸克有六种，分别是上夸克、下夸克、粲夸克、奇异夸克、顶夸克和底夸克，这六种夸克现在都已经在加速器中发现。

　　但还有一种理论预计存在尚未发现的粒子，那就是希格斯玻色子。科学家们在30年前探求为什么基本粒子会有质量时提出可能是由于希格斯玻色子的存在，不过要证实这一点就必须找到它。新的高能加速器承担了捕捉这种粒子的任务，前提是它确实存在……

　　新纳米科学

　　我们正面临着同蒸汽机的应用相类似的新的技术革命。全世界的物理学家们都在为能够在原子级别进行“手工操作”而努力，五花八门的成果让人眼花缭乱：磁性隧道结技术、量子阱技术、让电子一个接一个地通过晶体管…以后还会有纳米机器人。总之，纳米很时髦。

　　高温超导材料

　　超导现象为量子世界的存在提供了确凿的宏观证据。电流在超导材料中能够无损失地传递，因此电流强度可以达到普通电缆电流的2000倍以上。超导技术在许多设备中得到了应用，从

　　现阶段的问题在于超导材料工作时所需的温度过低。所谓的高温超导材料是那些在零下138摄氏度就能表现超导特性的材料。目前还不清楚超导现象的原理是什么，1957年发表的著名的“平均场理论”(BCS理论)最终没能解决问题。现在人们在超导领域进行了大量的研究，核心的任务就是找到能够在常温下表现出超导特性的材料。

　　复杂的生命

　　多年以来，物理在探究生命的研究中扮演了重要的角色。表面上看，大部分复杂的系统都是在自发的过程中形成的。在这些过程中，像神经元细胞一样，最基本的“元素”只同邻近的“元素”联络，从而形成了复杂的组织结构，产生了人们的记忆。但是，若不对整个系统进行全面的研究，仍不能理解这一切到底是怎么发生的。

　　复杂的组织似乎是在井然有序和杂乱无章之间游走：保存信息需要一定秩序来规范，而与此同时，很强的适应能力和信息处理能力又需要在一定程度的“混乱”中获取，DNA的结构就是一个绝佳的例子。

　　在生命领域进行研究的科学家们所面临的最大问题之一就是无法解释蛋白质的弯曲方式，也就是说，为什么长长的氨基酸链是这种形状，而不是别的形状。关键在于蛋白质是在稳定的边缘建立的：若再松一点儿，蛋白质会跨掉；如果紧一些它将无法发挥功能。

　　宇宙常数

　　对于许多人来说，这是物理学中最神秘的谜。到现在为止，所有猜想都不管用。宇宙膨胀是根据广义相对论产生的一个结果，可是爱因斯坦并不相信这个结果，于是他对相对论做出了修改，加入了宇宙常数。后来埃德温-哈勃发现宇宙确实是在膨胀的，于是爱因斯坦又发表声明，承认宇宙常数是他一生中所犯下的最大错误，几近70年之后，天文学家发现，宇宙正以超出常理的速度加速膨胀。据说这种星体间的排斥现象可能缘于某种神秘的能量，可是这种能量到底是什么却没人能够准确回答。诺贝尔奖获得者史蒂文-温伯格对这一困惑的表达可能最为到位：“对于物理学家们来说，在不知道需要对什么做出解释的情况下就去处理这个问题是件很艰难的事，”确实如此，如果那种神秘的未知能量是以宇宙常数的形式存在的话，我们就不得不面对科学史上最尴尬的理论猜测了。(雅秋)