21世纪物理学面临九大挑战

　　美国加利福尼亚大学洛杉矶分校的物理学、化学和电气工程学教授Patel博士提出21世纪物理学面临的如下九大挑战将反映未来研究的精髓。

　　挑战1：量子科学和技术

　　未来几十年里，量子水平的研究将继续受益于利用光阱等装置对单个原子和分子进行的操纵。这种操纵所必要的技术的发展将使物理学家能够将原子作为信息的“比特”处理，实现量子计算。

　　另一方面，量子技术也可能导致对新物理现象的观测。玻色―爱因斯坦凝聚物质就是一个例子，它由许多处于相同量子力学态的超冷气体的原子产生，这些原子有很高的空间叠加几率。

　　这些未来的物理学研究全都仰承高灵敏度仪器的开发，而基于量子水平的量测技术和传感器技术通过量子控制化学、量子加密技术和高精度时钟等应用，也能够促进其它科学和工程领域的进步。

　　挑战2：纳米科学

　　像量子科学技术一样，纳米科学的进步也将受到纳米技术工艺现状的制约，特别是纳米科学将取决于在纳米水平制造材料和仪器的新方法的发明，比如能制造“黑”炭化硅的新技术。

　　而且，纳米技术的进步还将对其它领域产生不可预测的有益影响。在医学和健康领域，纳米技术也许能帮助医生进行分子水平的手术，植入纳米装置，如向肺中植入原子磁体。这一重要进展将改进目前的医学诊断和治疗技术。它也能应用于能源生产、环境治理、纳米电子学和基于纳米粒子的空间推进机燃料。

　　挑战3：复杂的系统

　　物理学家经常因其物理系统模型中简化的假设而遭到嘲笑（如著名的“地球危机”笑话）；然而，物理学中解释其中一些假设的理论上的进步可能为我们增进对复杂系统的认识，提供最大的希望。在物理学研究的实践方面，对诸如湍流和混沌等线性和非线性现象进行的大规模计算机模拟和仿真能够在多层次和多领域阐释复杂性。对于物理系统，模拟和仿真能够使我们对处于极端条件下的真实物质的属性和星体的爆炸死亡获得重要知识。就生物系统而言，它们则能使我们对人类肌体、社会系统和经济甚至股票市场获得进一步的了解。

　　挑战4：将物理学应用于生物学和医学

　　物理学支持着生物学，而生物学又支持着医学；因此，将物理学应用于生物学和医学的潜力是巨大的。生物学领域应该雇用更多的物理学家来严格地模拟分子过程，如蛋白质折叠。而且，可以将力学和电磁学结合起来，利用DNA和酶的电子机械特性来了解细胞的过程。

　　在医学领域，物理学可帮助人们设计对人体的新的非侵入诊断方法，如通过分析呼吸来了解人体内的生物化学。其它将物理学应用于医学的领域包括运动生物力学和脑神经元生物物理学。

　　挑战5：新材料

　　物理学家们自己也应该从包括自然科学在内的各个学科汲取知识，以提高对新材料的发现、开发和利用。例如，生物系统的相似性可以说明复杂物理结构的自组装及在有限维度中分子几何学和运动的作用。对复杂的多成分材料和器件如蓝色激光器的合成、加工和认识，有赖于物理学家、材料科学家和工程师们的跨学科研究。

　　挑战6：探索宇宙

　　物理学的最大挑战之一是继续努力了解宇宙的起源和命运。探索宇宙形成之初瞬间的新一代工具如哈勃望远镜，能为检验宇宙学的基本原理作出必要的量测。其它工程奇迹能够说明构成宇宙95％的质能的暗物质和能量的性质，或更普遍地说是探索自然的基本力和宇宙的结构和演化之间的关系。例如，目前，激光干涉引力波天文台（LIGO）正在通过直接探测重力波来破解重力波的理论之迷。

　　挑战7：统一自然界存在的各种力

　　比认识宇宙起源更为根本的挑战也许是，以万物都将最小距离的物理学与宇宙物理学联系起来的理论，把微观的自然和宏观的自然统一起来。利用日益强大的粒子对撞机等工具，下一代实验应为了解物质的基本组成要素提供一个有力的理论基础。此外，它们还可使我们能对自然界存在的所有基本力―――强核力、弱电作用力和重力做出统一的描述。

　　挑战8：物理学在维护国土安全与国家安全中的作用

　　物理学在国土安全和国家安全中的作用的发展，给它带来了一个非常特殊的挑战。将物理学应用于各种领域，包括传感器和检查的需要，对化学、生物和爆炸制剂的准确可靠的检测以及不可破译的量子密码协议，可以保障我们的物理和网络空间安全。

　　挑战9：元挑战

21世纪物理学面临的最大挑战是居于其它研究问题之上的元挑战：谁将是做这些研究的下一代物理学家？更具体地说，他们是美国人还是外国人？是男性还是女性？我们如何鼓励他们？也许更重要的是，谁将为这些物理学研究埋单和如何埋单将如何影响我们对所有这些“大挑战”的相对重要性的评价？在未来几十年里，我们自己和其他人都要牢记，物理学的成就能够也应该与我们自己帮助形成的社会的期望相一致，因为“物质科学是创造财富的科学”。（转自： 科学探索杂志）

九大挑战之挑战九的答案

问：谁将是做这些研究的下一代物理学家？他们是美国人还是外国人？

答：能运用整体思想进行实事求是的人们！他们是美国之外的中国人！

注：所谓的“元挑战”就是人们都能理解和掌握的正确的自然物理观！

附：《自然物理观》之论文的简介、提要、关键词、目录、前言、后语：

《自然物理观》简介

所谓“自然”除了指客观存在的一切之外，还指客观事物都具有的简单性，也就是说客观事物本是简单的只是让人解释复杂了；而“自然物理”除了指可见物的结构与运动及动力等规律之外，还指可见物都具有简单性的物质学与运动学及动力学相统一的原理，也就是说可见物的理论也是简单的只是让人研究复杂了；至于“自然物理观”除了指对自然事物的总的看法之外，还指所有自然事物的规律与原理及理论都是很简单的学说，也就是说自然真相更是简单的只是让人们猜想复杂了。

例如牛顿就是在其《自然哲学之数学原理》中因将自然真相看复杂了，而使其经典力学说的还不够简单，才导致后人将实在事物想象的难以理解。因为牛顿的自然物理观虽因历史条件所限而不完备，但因其看到了实在事物的简单性的基本规律，才能依据其共有的简单性的基本原理，建立起在宏观领域中被验证无误的简单性的其本理论。而从自然物理观上讲牛顿的最基本学说不是经典力学而是天体力学，至于天体力学的核心思想仅是由理想质点与瞬时速度及万有引力三要点构成。

因为依据所有的可见物都是由化学元素构成，与现在时刻是做为过去与将来之间等于零的临界点，及在天体之间仅存在着万有引力（F=GMM/R2）等科学事实，从引力恒量（G=FR2/MM）因物体之间引力关系不同，而有不同数值的数学事实出发，只要能先抛开在时间等于零的现在时刻根本不可能产生或形成的电磁光热声等等一切现象与观念及学说的话，则就不难证明宇宙只是由仅仅因引力作用而在轨道上转动的质子构成的，进而就能重圆牛顿对自然物理观念的科学统一之梦想。

《自然物理观》

【提  要】本文依据人们都亲眼能见、与亲手能算、及亲自能验证相统一的客观事实，重绘了自然的力学图景，重整了一个宇宙体系与三大物理规律及九项力学定义，重建了牛顿的力学纲领，最后彻底揭示了哲学推理、与数学推导、及科学推论相统一的世界真相。

【关键词】现在时刻   质点   质量   动量   引力恒量   物质   能量   力度   相互作用

       《自然力学的对称结构》                《物理统一的客观事实》

                目录                                  目录

前言  题西林壁——科学研究的自然准则  后语  返朴归真——自然科学的统一宣言

导论  自然之道——客观实在的力学公理  导论  学史明鉴——研究物理的最佳途径

始观  温故知新——经典力学的自然真相  始观  终极学说——问鼎科学的十大史实

上观  自然图景——力学规律的现实模型  上观  原子理论——现实质点的电动力学

中观  物理范式——力学原理的理想基础  中观  相对原理——运动物体的波动力学

下观  科学纲领——力学理论的完整框架  下观  宇宙规律——时空坐标的运动力学

终观  格物穷理——古典力学的物理图像  终观  唯物主义——皆可知论的四大观止

结论  道法自然——物质世界的力学规范  结论  忘记所学——认识自然的最好方法

附录  力学纲要——自然原理的整合方案  附录  统一蓝本——经典力学的世界图景

《自然物理观》

前言  题西林壁——科学研究的自然准则

横看成岭侧成峰  远近高低各不同  不识庐山真面目  只缘身在此山中

东坡老先生的这首七言绝句，恰似题写在西方科学之林的墙壁上的标准规则一样，恰如其分的指出了人类始终看不清自然真面目的根源，恰恰是由于西学导师们因为违背了这一准则，而放弃了已模模糊糊的看到了自然真相的牛顿纲领，并将其虽然很不完备但确实能够释解一切自然现象的《自然（界的）哲学之数学原理》人为的拘禁在宏观低速领域之中。

所以只要我们能够走出西方具体科学的书山与脱离现代物理知识的学海的话，则只需接受以地球为引力中心时的万有引力常数在宇宙中并不普适的事实，就不难从构成宇宙万物的具有行星结构的化学元素周期规律出发，在天体转动与摄动的力学原理的基础上，根本无需任何假设的看到关于自然真面目的一系列精确无误的物理学的确定无疑的终极性事实。

例如化学元素都仅仅是由因相互作用而始终公转着的质子构成的无核星系，与电磁强弱等相互作用都是高速转动着的质子之间超距作用的万有引力，及电磁光热声等等的波动都是高频的振动并摄动着的质子之间以光速作用的引力摄动，至于光速自然的只能是万有引力所固有的作用速度等等，由此我们所面临的一切科学难题也就随之而能够得到彻底解决。

《自然物理观》

后语  返朴归真——自然科学的统一宣言

自然和自然律在黑夜中隐藏，上帝说：让牛顿降生吧！于是一切都豁然开朗；

可是好景不长，魔鬼喊了声：嘿！让爱因斯坦降生吧！结果又恢复往常情况；

黑夜更短，科学讲：好了！返朴归真吧！自然的物理统一的曙光出现在东方。

前两句是英国现代的思想家、哲学家、数学家罗素在其《人类的知识》一书中，对人类知识总体发展的基本特征或现实况状，所做的非常恰当的形象化概括，而第三句是本文作者依据事物的“凡事不过三”的客观规定，所补充一句更非常恰当的形象化总结，至于由在学术界广为流传的前两句科学真言，与第三句科学宣言构成的科学史诗，就是对人类从简单到繁杂再由繁杂到简单的探索万争万物之统一原理的终极规律的科学历程的概括与总结。

因为若不是牛顿在对伽利略、惠更斯、开普勒等科学先驱们的伟大贡献进行伟大综合时，对物体惯性、引力恒量、光波本质等的误解，其已经触及到的自然界的真相早就随着化学元素都具有行星结构的发现而大白于天下了。由此物理学也就不会沿着亚里士多德的机体论的以太的歧途，在牛顿的机械论的光粒子的误导下，从爱因斯坦的机构论的时空弯曲的科学反革命中，踏上了机械的构造机体的结构（如反物质等）的实属反科学的科幻创作之路。

而牛顿早已触及到的自然真相就是由朴素唯物的构成宇宙的绝对不可分的（第一原子）质子、与机械唯物的（现实质点）原子之间仅存着以光速超距的引力作用、及辩证唯物的世界统一于物（体都具有的因相互作用而相对转动的一惯性）质构成的完备性的经典力学的世界图景。而这一图景的完备性仅仅在于万有引力的实质就是不依赖于人的意识、并为人的意识所反映的客观实在的物（体的最基本的性）质（表现出来的物体间相互作用）关系。

至于客观实在的这一绝对不变的唯一性的一种物质关系，则仅仅因实在物体的结构或原子的排列组合不同而表现出从简单的物体移动、到并不繁杂的电磁光热声等波动、再到比较繁杂的生命运动、最后到非常繁杂的心理活动等客观存在的千变万变的统一性的一切自然现象。这就是不仅早就隐藏在牛顿的原著中，而且早就能从哲学推理与数学推导及科学推论的统一推断出来，最重要的早就是众所熟知但因放弃了牛顿纲领才熟视无睹的自然真相。