物理学已成为这样一个广阔的科学领域，以至要对其前沿阵地的工作做一个简短的概括将必然是不完全的和带偏见的^①。今天，每一个物理学家是在某个狭窄领域里的专家，要他对整个物理科学有着批判的见解是不可能的。请原谅，如果谁所工作的领域在这里未作适当的阐述的话。我们一定不要忘记：科学的统一仍然是每一个科学家的信念和他的自然观的基础。我们相信存在着支配自然界所有事物的基本规律。在表1中列出了若干重大的物理统一原理。

虽然量子力学在表1里被列在统一原理之中，它却还把物理划分成了各种现象的不同层次；这是因为对任何一个动力学系统，存在着一个激发阈。当系统的维数减少时，阈将变得愈高。我把这个有序原理称之为量子阶梯（见表2）。第一梯级为原子和分子层次，这里能量交换如此之低（直到几千电子伏）以至原子核仍处于未激发状态。因此，所有核（或亚核）过程并不显露出来。第二梯级是原子核层次，当原子单位之间的能量交换达到1百万电子伏的数量级时，这个层次变得活跃起来。第三梯级是亚核层次，它在十亿电子伏（10⁹eV）附近变得活跃起来。一般说，在低的梯级上我们可以不管在高梯级上的过程，除非我们有意把它们用来作为一种手段，如用卢瑟福曾作过的那样，用α粒子来确定原子的结构，又例如，今天当我们研究分子时，利用核磁共振。

于是，量子阶梯把物理划分成或多或少相互独立的部分：诸如原子物理（包括原子集合体的物理），核物理，亚核或粒子物理。第一部分是最广泛和最丰富的一部分，这一方面是因为它涉及到的是我们直接接触的环境，另方面还由于原子的电中性和围绕若干个核形成电子态的广泛可能性使得结构和组合有非常多的变化。我们有气体、液体、固体、膜、大分子，并且最后有着具有其全部复杂性和组织的生命结构。

近来的发现近几十年几乎在物理学的所有部分都是非常地富有成果。作出了许多重要的发现和获得了若干带根本性的见解。在近几十年中得到这么多的新发现有其特定的原因：即新仪器手段的发展和许多早先的革新变得成熟了，成了可以充分使用的手段。部分的例子有：激光、等离子体、新型显微镜、同步辐射、低温技术、火箭、加速器、粒子束对碰装置、探测器和最重要的手段——计算机。

激光使得可能产生密度很大的高激发的原子和分子，观察诸如超发光这样的集体激发现象，引起光在物质中的非线性效应，并创造出电磁能量的惊人集中。

等离子体的产生、处理和分析技术得到了广泛的发展，找到了新型的不稳定性并对约束粒子的效应进行了研究。

在新的显微镜中包括有扫描电子显微镜，有运用聚焦粒子束通过观测发射出的次级粒子来研究物质的小的区域，以及新的像亮化器。

同步辐射给我们提供了比最好的通常机器所提供的大约要强10⁶倍的X-射线。广延X-射线吸收精细结构（EXAFS）的研究使得今天有可能以几乎达到0.1?的分辨率来研究分子周围情况。

低温物理的新技术在超导和超流领域里开辟了更广阔的前景。尤其有兴趣的是超流体氦-3的研究，它的令人惊异的特性导致认识在凝聚态物质中集体行为的新的前景。

火箭改变了天文学的性质，使它可能在大气层外用各种手段进行直接的观测。在最近的将来，将使用空间望远镜。

加速器现在能产生出能量一直达到半垓电子伏（10¹²eV）的质子束，并且发展了电子

和质子束的对碰技术。新型的粒子探测器（多丝室，流光室）使我们能以更大的精度和灵敏度来研究粒子碰撞。

最后，但或许是首要的，计算机硬件和软件的发展使它可能处理由新的仪器装置所提供的大量数据。现代物理学没有现代化的计算机是不可想象的。

新的见解在近数十年获得的关于自然作用的新见解更难于准确指出。我的判断可能与读者们的判断不同，而我们大家共同的判断也许会是错误的。但无论如何，我想把L. Kandanoff，M. Fisher和K. Wilson的新方法肯定地算在新见解里。他们最终地给出了一个成功地处理临界现象问题的适当途径。它导致了对在临界点附近所发生的现象的更深刻的理解，并给出各种参数按（T-T_c）变化的规律中的幂次n的计算，这里T是指温度，T_c指临界温度。这个方法清楚地表明了问题的普遍性质，它在相当大程度上与系统的特殊性质无关。

这里我想提到S. Weinberg，P. Higgs，G.t'Hooft，J. Ward和A. Salam统一弱电相互作用的成功的尝试。他们的预言正在一个接一个地被证实。我愿意提到对质子、中子、介子的层子结构的认识，它越来越令人信服并积聚着越来越多的实验证据。我还愿提到，虽有一定的踌躇，量子运动力学，它是类比于量子电动力学来描述层子间的强相互作用的一种尝试。

对另外一些更具探索性的思想也有所讨论，其目的在于得到对事物有新的根本性的见解。例如，超引力和超对称性的思想；黑洞观象的量子处理，它指出一种可能的粒子产生的新类型；以及利用场方程中的非线性（对应于孤子和瞬子）以得到可能成为基本粒子模型的结构。充其量，这些大胆的尝试只不过是一种有希望的开端。

让我们展望一下未来。当然，在基础学科中要预言主要的进展是不可能的，主要的进展或许最好定义为未曾被预见的进展。的确，我怀疑最有意义的进步将会在我们最少期望的地方出现。这里我所能做的只是描述一下物理中的若干生长点，即在这些领域里于不久的将来作出某些新的发现或见解是可能的。再说一遍，以下列举的并不完全，只是基于本人有限的知识和经验。列举这些生长点的次序则与其相对的重要性毫无关系。

无序早就知道，在固态晶格中对理想有序的偏离对于材料的性质有决定性的影响。迄今，我们没有系统的方法来描述晶粒的边界、位错和其它的晶格缺陷，或是预言它们得以产生的环境条件。此外，还发现了非晶的固体具有过去只归之于晶体的一些性质。现在我们开始了解其原因了。开始了详细地研究自旋的混乱分布的效应，外来原子的影响等。并且理论地处理这些问题已成为可能。引用P. Alderson的话说：“下一个十年非常可能是在理论物理中最‘无序’的年代”。

表面表面的结构和成分对理论和实验工作者有着日益增长的兴趣。新的实验方法使得可以对表面现象进拎更为精确的研究，并且有了新的理论来处理它们。J. M. Kosterlitz，D. V. Thouless和A. Berezinski证明：新的聚集态应预期是二维的阵列，他们的某些预言已得到了证实。对二维系统的融解过程现在已进行了理论和实验的研究，其结果会帮助我们更好地理解三维融解，显然表面的研究对于理解催化和膜的作用是重要的。

非线性物理每当物理中出现非线性关系时，数学的处理就困难了。因此，自然现象的描述总是从线性依赖关系为主的那些部分开始，或是那里非线性性很小，非线性性可以考虑成微扰而逐级作近似处理。这就是为什么量子理论有那么多成就的原因。由于波函数的叠加原理，许多简单系统的行为可以用线性关系带有微小的非线性微扰来描述。此外，由于通过电磁场相互作用的耦合常数e²/hc小（e，h，c分别是电子电荷，普朗克常数和光速），最重要的相互作用——电磁相互作用——可以用逐步近似的办法来处理。但是，在现代物理中我们更经常地遇到不能采用微扰方法的问题。当非线性性变得重要的时候，出现不稳定性和开始出现新的形式的行为。几乎在所有领域中都可找到这种例子：知道得最好的例子是湍流。等离子体物理中充满着这些不稳定性。这显示了：甚至在我们已严格地知道了作为过程的基本方程的情况下，自然界也比我们所能设想的更为丰富多彩。

非线性在粒子物理中是重要的，那里由于强相互作用而不能用微扰近似方法。由非线性引进的行为的新形式是所谓的孤子一场的定域的大扰动，它的行为像个粒子，它们甚至可能是我们所观察到的基本粒子。在物理的所有领域为处理非线性关系而发展的新方法都可能成为理解迄今未被解释的现象的重要工具。

集体现象我期望在不久的将来我们对集体现象的了解将大为增进。多体问题现在比过去受到了更多的注意，几乎在物理的所有领域都碰到它。例如在固态和液态中发现了日益复杂的集体现象，它们只部分地得到了理解。特别是超流体氦-3揭示出了不寻常的特征，业已发现超流现象比曾经预期的要丰富得多。出现了许多新的相。使它们产生的相互作用，由于当原子相互处于：p态时分子场的作用，似乎使核子自旋排成了一行。

液态物理、等离子物理、核物理，甚至天文学都充满了未解决的集体行为的问题。在一个领域创立的方法可能有助于解决其他领域的问题。不幸的是，今天不同领域的交流不够，同样的思想常常在不同的领域里被重复提出。

重离子物理对重核之间的高能量碰撞的研究在核物理中开辟了新的前景，它使我们能观察高度压缩下的核物质。在这些条件下，不可能再把核描述为质子和中子的集合。高压引起激发核子和π -介子的出现，可能出现所谓的π -介子凝聚现象。的确，甚至在说明普通原子核中电荷分布的较精确测量结果时，原子核的简单的质子-中子描述已经是不够的了。将来，研究核结构的物理学家必须考虑到核子激发态和介子的存在；核结构将比今天更紧密地与粒子物理相联系。

此外，大原子序数Z的核之间的碰撞短暂地产生一个具有异常大的荷的核：Z>150。这样的电荷集中预期要产生奇特的效应，不仅仅是通过真空极化，而且通过使有效荷降低的围绕核所出现的负电子云。将来的实验可以检验量子电动力学的这些不寻常的推论。

天文学在10到15年以前，除了行星、彗星和非常稀有的事例诸如新星和超新星外，天空被看作本质上是不变的。今天，当我们用无线电天线、红外接收器，X-射线望远镜来进行研究时，几乎在任何时间区间，从毫秒到几个月，天空呈现出涨落着的强度在不停变化的图像。假如将这些转换成可见光，天空将呈现出一片戏剧性的景象；各种星星，星系、星云倏忽地发出闪光而后又消失掉了。这些现象的某一些已经被了解了，但仍有很多是神秘不解或是可作多种解释。

如前所述，进一步利用火箭和采用空间望远镜将大为扩展在天文学中的“视野”。我们可以期望：有关宇宙的新的发现浪潮将会不衰减地持续相当的一段时间。

脉冲星的发现和把它解释为密度非常高的中子星已是熟知的了。这是一个重大的进展——从观察微小的有规律的闪烁开始成长为认识到了大块的致密核物质的存在。由如此少的观察所得到的有关物质的许多反常态的知识的总量之多是令人难忘的。它导致不仅是一般地关于核物质，而且还关于一个星体耗尽其核燃料后的行为的新思想：它将同时爆发和爆聚，产生一个超新星和一个中子星。当引力坍缩而形成中子星时，普通磁场的压缩产生数量级为10¹²高斯的磁场，它可以把一个个原子完全变形，拉长成为一个个电子管，进一步研究这些现象在不久的将来将会获得有关超新星爆发物理和在巨大的引力压缩下的核物质的许多新的信息。

黑洞的存在来自把爱因斯坦的引力理论外推至其正确性被确立的范围之外许多数量级。难得有一个理论思想曾被延伸得这么远，但爱因斯坦的思想是如此地令人信服，以致这个领域的多数行家都认为这些结构将是现实可能的。现有的黑洞存在的模糊迹象将在可预见的将来被肯定或被驳倒。

X－射线天文学现在已是一个确定的观测方法，并且X－射线天空被彻底地进行了研究。找到了许多的X－射线源。其中有些是双星，那里有着从一个成员到另一个成员星的物质流，后者可能是中子星，或许如在X-射线源天鹅座X-1中那样，是个黑洞。这些观测的进一步扩展可能会揭示出许多新的未曾预料的宇宙现象。红外光的观测才刚刚开始来增加我们关于在星体和星云上正在发生的过程的知识。红外研究将很快发展成天体物理的一个基本分支。

普遍相信，如像太阳那样在星体中的能量产生过程是被很好地了解为氢聚变成氦的过程。但是测量基于这个模型所预期的从太阳来的中微子流的失败一直是个问题。现在似乎已确定了达到地球上的从铍中得到的中微子太少，对这个事实没有什么好的解释。为了确信未测到的中微子会是聚变过程的次要效应的结果，那么，应该可以马上测一下由两个质子形成氘时的中微子产生，它是直接能量产生过程的一部分。如果在后一情况下，中微子也测不到，那么，我们关于星体构造的知识将被深深地动摇。

或许给人印象最深的，如果不是不可思议的，最近的发现就是充满整个空间的3°K黑体辐射的现象。人们试图将此现象解释为大约在15×10⁹年前的大爆炸的光学的馀烬——宇宙是从异乎寻常高的能量集中状态中爆炸而产生的直接证据。进一步的研究、观察以及理论将使我们更接近于理解宇宙的最开始阶段。它们还可能解决质量的平均密度问题，这将判定宇宙是不是无限膨胀，或者是以不断的系列大爆炸而作用期性的膨胀和收缩。第三个也并不是那么不可能的一个可能性是：上述两种可能是基于对所观察到的事实作了错误的诠释，宇宙的演化完全与我们现在所相信的不同。

无论如何，观察到的3°K辐射决定了一个各向同性的绝对坐标系。对各向同性的微小偏离已经被观测到了，它指明了我们太阳系的运动——不仅有预期的绕银河系中心的旋转，而且有银河系朝向室女星座的运动。迈克尔逊和莫雷的梦想成了现实——找到我们太阳系的绝对运动，不是相对于以太，而是相对于光子气。

粒子物理十年前把层子看成是重子和介子（强子）的组成成分的观点被认为是一种含糊的假定，或许只是强子族的一个简单排列图式而与实际无关——强子的行为“好像”它们是由夸克构成。现在很难有任何理由来怀疑它们的存在了。今天，对核子以及它们的激发态是由三个夸克，介子是由夸克- 反夸克对所构成这点没有更多的怀疑了。转折点是J. Friedman，H. Kendall和R. Taylor的结果。他们在斯坦福线性加速器中心（SIAC）观察了快电子与核子的深度非弹性散射。观察到的结果具有电子被比质子小很多的荷电亚核粒子散射的所有特征。它是亚核物理的卢瑟福实验，因为它揭露了核子中小的集中的电荷的存在。夸克确实被看到了、正如卢瑟福看到了原子核一样。

随后类似的深度非弹研究利用中微子束进行，它通过弱相互作用被夸克散射。这些实验肯定并扩展了电子散射实验的结果从而对夸克假说提供了补充的支持。夸克是自旋为?的粒子，它带+?和-?的分数电荷，它们是点状的，当它们以很大的动量传递相遇的时候相互间的束缚并不很强，各种不同类型的夸克（不同的“味”）具有不同的质量。质子和中子仅只由头两种夸克组成，即所谓的u夸克和d夸克。但为了解释在自然界中找到的较重的短寿命的介子和重子，必须引入更多的类型——至今已多于三个。不同类型的夸克只能通过弱相互作用进行转换，而且对每一个夸克必须赋予一个内部自由度——取三种值的自旋，称之为色——它使夸克可以存在于三种不同的量子态。

迄今没有能够“离解”强子——即把夸克从强子中分离出来并作为自由粒子被观察。但在高能碰撞中观察到的大动量的介子注正是出现在夸克应该射出的方向上。这个夸克“介子化”的过程在某种程度上被理解为由射出的夸克引起产生夸克- 反夸克对的痕迹。夸克的行为导致如下结论：把夸克维持在一起的力是变动的——即，对大动量传递（小距离上的作用）是弱的，而对小的动量传递（大距离上的作用）是强的。的确，夸克禁闭（游离它们的不可能性）表明夸克结合力的势在大距离上应趋于无穷。

量子色动力学（QCD）在解释这些特性的某些方面有相当的进展。它用非阿贝尔规范理论来描写夸克间的强相互作用，是量子电动力学的推广，在其中夸克是“胶子”场的源，它的“荷”由它的三值的色自由度给出。在这理论中场是带荷的，这是非阿贝尔场论的一个特征。迄今这理论的可计算的结果看来和观测一致，如在大动量传递时相互作用变弱。但是夸克-夸克相互作用的最重要的特征，夸克禁闭，尚未从这理论中导出。但是，也没有证明这个理论肯定不能考虑它。我们现在还没有一个可靠的夸克-夸克相互作用理论。下一个十年可能会对自然界的这个神秘的亚核领域给出许多新的见解。

这样的新的理解是本质的，因为QCD不能告诉我们存在有多少层子类型以及它们的质量，它完全没有处理这个问题。的确，多于两种类型的夸克这一事实已经是一个深奥的谜。具有最低质量的两种夸克类型是中子、质子和π介子的组成成分；它们构成我们所知道的在地球上和大多数星体条件下的核物质。完全不知道为什么大自然需要较重的夸克，它们是“奇异”和“粲”强子的组成成分。这种强子是在大能量碰撞下的短寿命产物，很快就衰变成较普通的粒子，诸如核子、电子和中微子。很可能在最近的将来夸克类型的数目会增加，因为我们期望有更多的准稳态结构的发现，它们是夸克-反夸克的组合。B. Richfer和丁肇中在1974年作的J/ψ粒子的最初发现——粲夸克和其反夸克之组合——是这些基本实验之一。已有一个结果指示出第五种夸克的存在，可能还会有更多。

在四年的时间里发现了两种新夸克应该是足够了，但是物理学家还发现了一个新的重电子，质量为2GeV的τ粒子，它和e与μ组成一个荷电轻子的三粒子组，将来会证明它是否和另外两个电子一样有它自己的中微子。至少有三个仅只质量不同的电子的存在是一个诱人的问题。这里我们对这些重电子在自然界的作用也没有什么概念，这些重电子通过弱作用在放出适当的中微子后衰变成普通电子。正如同QCD不能告诉我们为什么有若干种夸克类型一样，量子电动力学对电子类型的增多也不能提供任何解释。

目前在弱作用领域里有若干令人兴奋的实验和理论的发展，它们与我前面提到的建立弱电相互作用的统一理论相关。人们曾尝试引入一个共同的传递这些相互作用的场来统一这两类现象，这个场有若干个分量，其中之一代表传递电磁相互作用的光子，而其它的分量则是弱相互作用的传递者。这个统一不仅解决了早先弱作用理论中若干内在矛盾，它还要求存在中性流——即没有电荷传递的弱作用过程。在研究弱作用过程的80年中曾假定它们都是与电荷传递相关的；放射性核当其衰变时改变它的电荷，电荷传递给了被放出的电子；重电子不是变成一个轻的电子，而是变成一个中微子，放出另外的一个电子-中微子对。没有电荷传递的过程过去没有去注意发现。但在统一理论预言了它们以后不几年功夫，首先在CERN，随后在其它地方，在中微子引起的反应中观察到了这种过程。最近在SLAC的一个有趣而困难的实验中，同样的中性弱作用也在电子和质子之间被观察到了，这里利用了宇称破坏，它使之与较强的电磁相互作用相区别。理论以惊人的定量准确性预言了这些和其它的弱相互作用现象。

弱作用传递者（中间玻色子）的存在尚未得到实验证实。如果理论是对的，那么在高能时弱和电磁现象的差别将按可以预言的方式趋于消失，将出现一种新型的粒子（Higgs粒子）。时间将表明理论是否在正确的轨道上。但有一点几乎肯定是对的：在高能时（质心能量100GeV或更高），弱和电磁现象二者都将具有一些非常不同于我们现在所习惯的特性。

无疑，粒子物理今天是处于一个急速变动的状态，将来会出现许多新的基本的见解，尤其是，如果更高能量的加速器和束流对撞机的建造能继续得到支持的话，这个变动的状态示于表3中，它给出到1978年所认识到的基本粒子和它们的相互作用。存在着两类基本粒子——费米子和玻色子。费米子是自旋为?的粒子，它们又分为两子类一夸克和轻子。夸克是所有强子的组成成分，似乎不能以自由粒子状态存在；轻子是不同的电子和中微子。第二类玻色子是自旋为1或2的粒子，它们是粒子之间不同相互作用的传递者。在去年增加了一个新的夸克（b夸克）和一个新的电子（τ粒子）。此外，对弱、电相互作用的共通性质积累了更多的证据。迄今，四种场的传递者中的三个一弱、强作用的传递者和引力子都尚未被观察到。这里我们期望，新的加速器和新的引力装置在不久的将来会给出肯定或否定的证明。最后，我们列举一下粒子物理基本领域中的突出问题来概括一下粒子物理是恰当的。我们周围的环境——包括大多数银河系——由其组成结构的性质和相互作用来决定，这些组成结构是电子，质子，中子，中微子和光子。我们认为质子、中子是由u、d夸克组成。为什么大自然需要其它的层子类型呢？

电子和质子电荷和其他自然常数的关系——比值e²/hc=1/137——没有被理解，而且质子质量与电子质量之比M/m=1836仍然没有被解释。这两个比值对于物质的性质是决定性的，因为我们知道、小的值e²/hc对于原子结构是本质的，而大的值则是一个很好地确定的分子构造的基础。我们想不出这些值是从哪里来的，除非或许大的M/m值与强相互作用（夸克之间的力）较电磁力强很多这一事实相关。

尽管我们对质子中子内部构造的知识在增加，我们仍然对在原子核中把质子和中子聚集在一起的它们之间的力的性质没有好多的了解。Heitler和London在原子结构的基础上解释了原子之间的化学相互作用，但是从核子结构来解释核力的Heitler和London却尚未出现。

此外，我们仍然面临着四种不同的基本作用力一强、电磁、弱和引力相互作用。第二种和第三种间的联系已经找到。它们与其他作用之间是否存在联系从而导致粒子之间所有相互作用的漂亮的统一呢？

为什么有由重夸克和重电子组成的物质的短寿命高激发态这一问题仍未得到解答，不论我们知道了有多少个这些重粒子的存在。可能层子和电子也是复合系统，新类型的增加只不过是这些系统一系列的激发态的开始罢了。当我们不停地愈益深入物质到越来越小的距离和越来越高的能量，我们将找到世界的无穷系列的层次吗？对大多数这些问题，只能通过更多的观察来回答。近数十年物理的巨大进展是基于更好的、更大的、更精巧的工具和仪器的发展上的。将来也会是这样。Teilhard de Chardin^①说过：“（自然科学）的历史可以总结为在宇宙中制造更完善的眼睛，在那里总有更多的新东西可以被看到。”

〔Science 203 No 4377（1979）240〕

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①由于作出贡献的物理学家的名字显然不可能都列举，除非是必须用以指明理论或实验，我一般都不提及姓名。

②P. Teilhard de Chardin：The Phenomenon of Man. （Harper & Row. New York. 1959）p. 31. 我把原来的“有生命的世界”几个字改成了“自然科学”。