今后几十年间科学将起什么样的变化？科学家的生活也将发生变化吗？这里将以物理学与生物学为中心试作预测。

过去四十年间，科学的面貌发生了大变化。从基本粒子开始，以迄于分子生物学、地球地质学史等与宇宙有关的大多数侧面，人类的理解已经大大加深了。在四十年前能够预测过这样急剧变化的人，就我所知，显然是没有过的。

科学研究的内容变化与科学家人数的剧增，扩大了向科学的公共投资，所以，显然不能把科学的发展同社会的相互作用割裂开来。今后四十年里，科学大概将发生更重要的变化，对此进行预测大概是必要的吧！另外，对于能不能预测的问题，哪一方面的答复都是“肯定”的。在社会上，无论是向科学求援也好，或是为了科学本身的目的也好，必须针对“未来的发现将会是一个什么方向？”去探索，去预测。

由于在目前社会里称得上知识的都是靠得住的东西，必须具有永恒的真实性，所以一般人对它的认定是比较困难的。科学并不是人类唯一的日常生活，同其他日常生活相似，发生谬误也是不可避免的。那么科学知识究竟是什么呢？对科学家来说，在一定时间里它有令人可信詾理由，也是那样可理解的，再就是科学知识的一大特点乃是可以修正的。科学而失去上述三种精神，那就将是一些皮毛而已。

还有，作为某一学科的知识，往往会引起不小的问题。例如，为了答复“今天科学家知道的是什么？”这个问题，那么科学家这个词究竟指的是谁？这是必须首先决定的。谁是最有权威的科学家？或是在某一领域内具有学术地位的一批人是谁？

科学家的意见在每个对立的部分学科最前沿的论点，显得特别麻烦。在每个部分学科中，环绕为什么他是正确的这一点，就可能引起轩然大波。

科学家各自分别下定决心，做些什么学问，研究些什么。但是个人的努力转化成作为全面的科学法则或公式，是不多见的，它的成果要在哪一领域里对知识现状起着决定性作用，也是不容易的。

我的见地是主观的，也许别的科学家有他别的见解，亦未可知，所以读者务必记取：判断谁是正确的“科学的裁判室”并不存在！

两个问题

就物理学家之所知，有两个问题是可以解答的：世界是怎样形成的？物质结构中更单纯的基础材料是什么？这是第一个问题；自然的基本法则是什么？单纯的组成要素并从而形成更复杂的物体，在各种条件下它们是如何运动的？这是第二个问题。

根据现代物理学，世界是由汇集在一起的亚原子粒子即被称为基本粒子的一切种类的对象所产生的（它们产生了被认为是名叫量子场的最基本的东西，后面将进一步论述）。现在的宇宙存在着基本粒子约10⁸⁹个，因此一切有、无生命，地下天上，我们已知的物质，统统都由三种基本粒子——质子、中子和电子所产生。

所有基本粒子都是根据质量、自旋、电荷等性质而加以区别的，它们的性质如果都一致，那么两个基本粒子就是同型的了。同型的基本粒子不能说很相似，而只是性质完全相同。所有的电子如果不完全相同，那就没有激光器可以发明了。

当基本粒子互相碰撞之际，容易相互转换，轻粒子的运动能可以转换有关重粒子的质量能，仅仅是孤立的粒子可能逐渐自发转换更轻的粒子。这样的转换，只有为数不多的全电荷那样的性质保持不变。基本粒子并不像古希腊哲学家们认为是不变的基础材料那样没有运动的。

基本粒子与环境

特别在最近，物理学家注视着每一个历史时期中基本粒子的生态与运动的变化。好容易才明确，进化并不是所谓生物的更其复杂的水平，可以引起所有的水平o这种进化的动力是宇宙的膨胀改变了基本粒子的环境，基本粒子本身也起了变化。仅仅二十年前，由于对基本粒子性质依存于环境这一点不甚了了，所以进行着不同意见的处理。而到了最近，这种设想已在理论上获得了支持。

在通常条件下进行观测，对基本粒子的特性虽则尚未发现有什么改变，并认为有它的某种稳定性，但在宇宙形成初期那样高温、高密度下基本粒子质量等性质和今天相比，则已有了相当的变化了。

它的变化可用水那样的液体作比喻。在一定范围的温度里水是液体，在这一范围里，温度纵使变化，水的性质也不起什么变化。但是当暴露于远为低温或超过一百摄氏度的温度时，水的性质就突然变化，变成冰或水蒸气了。环境条件作不太大变异时所引起物性的如此激烈的变化，物理学家管它叫做“相变”。

断定由超高温所引起的基本粒子的性质变化，也可认为是一种相变，相变不仅仅是基本粒子的性质，也涉及基本粒子的空间性质。换句话说，基本粒子对温度变化并无直接反应，它所保持的性质，即是对空间等性质的任何些微转变而作出的反应（与某种化学物品在溶于水或浮于冰上时所起反应就各各不同的道理相类似）。

要使水沸腾或者结冰是轻而易举的，但要使宇宙诞生时的极端条件在实验室里再现是十分困难的。然而物理学家却对基本粒子空间本身在大爆炸当时及过后完成其了不起的相变的学说抱有充分的自信。认为一开始和紧接于大爆炸后的迅速冷却之际，产生了若干相变，在简直难以置信的短时间内（大约一微秒=百万分之一秒），年轻的宇宙使基本粒子的素材稳定化，汇集成具有今日世界一切物质形态的基本粒子。

如果空间只是空无一物的话，那么它为什么会发生变化呢？物理学家并非把空间视为空无一物的，爱因斯坦继承了十九世纪数学家黎曼和克利福特的研究，在广义相对论中提出空间哪一领域的性质都会影响它周围物质形态的主张。例如太阳附近，空间几何学的性质正在歪曲，由于巨大的质量而正在弯曲。对通过太阳附近的光的三角形的描绘，不是根据欧几里得几何学，而认为它的内角之和并不是一百八十度。

关于空间正在弯曲的认识，是宇宙论尚未解决的大问题，可以应用于宇宙究竟是无限抑或有限的问题上。如果宇宙囊括充分量的物质，那么由于空间的巨大弯曲，宇宙可能是由有限物质所形成，它同球面是有限的道理相似（与之相对，平面可以认为是无限的）。由于质的存在假设宇宙形态的弯曲可以形象地设喻为橡胶膜块上由重锤压成的凹陷，锤越重，凹陷就越深。

如果宇宙是有限的，那么与其中囊括物体相比照的宇宙大小就像气球那样，不改变其基本形态，可以或收或缩，一般随时间而变化。对从宇宙深处银河中发射来的光的研究，已经取得了宇宙正在膨胀的确证。但是它并不证明宇宙的有限只是像气球那样膨胀。

如果宇宙是无限的，那么这种膨胀将对作为宇宙中存在对象的平均间隔的变化有所了解。不管怎样，膨胀意味着宇宙正在由过去曾经小得多的东西接近其内部的存在对象。宇宙膨胀是本世纪二十年代美国天文学家哈勃所最早发现的。

量子场论

空间性质还有一条变化的途径，从基本粒子近年来的发现看，物理学家认为在不包含可见物质的空间里，也包含着叫做量子场的实体的各种各样的分量。

量子场论是十九世纪为了说明电磁现象而导入的经典场论的现代版。经典场论认为，首先在带电粒子周围的场中产生电。接着，这种场构成了距离稍远的粒子的场。这种场不久就到达第二粒子附近而给它以影响。如此一连串发生的事件，可以认为是力的作用所产生的效应，力的这种作用也可解释为只是局部的效应、也可认为并不是粒子由于大距离飞越而产生的作用。

这种经典场论在量子论以前同一切物理性质一样具有确定的值。在某时某地，场若有若无地存在于什么地方。在某些领域里，如果没有力的作用，那里的场的值就等于零。如果有力作用，场就取零以外的值，并随时间与空间的开展而延伸，持续发生变化，经典物理学家相信，在物理学的宇宙中，能够对任一种潜在事件进行预计和测定。

至于量子物理学，事情就不那么简单了。现代物理学家认为，一切成对的物理量正确值的同时测定实际上是不可能的，其中一个量愈确定，则另一量的不确定程度就愈大这就是海森堡的测不准原理的庞大而没有系统的内容。

作为这一原理的一个归纳，空间某一领域中有若什么样的场就有什么样的粒子，无法准确地指明。在一切点上都不能了解场的值，或者存在什么样的粒子？是不是对这一领域场的平均值是什么的了解，还是对各点上场的正确值手法说明呢？两者以谁为是呢？所含粒子与平均场的值的了解，在多数情况下更有作用。这种新的量子的记述，正在把经典场论与粒子融合于叫做量子场的单一概念之中。成为核心的，实际就是量子场，可以说其他一切都不过是它的现象。这种量子场的状态可以用海平面作为比喻。海水具有很一致的标准水平面，但是风吹浪涌，水面就根据场合高出或低于标准水平面，这就与量子场在空间某一领域所激起的情况相对应，在那里我们可以像发现基本粒子一样有所发现。

继续进行这一推理：满潮时整个较广范围内水平面同样上升的事也是有的。在这种场合，波浪即使没有局部的激发亦未可知，但作为一个整体，水的分布就与落潮时有明显的不同。它不管空间某一领域内量子场平均水平的提高，作为基本粒子来看，同没有那样局部激起的情况相对应。像游泳的人不注意海平面高度一样，对空间哪一领域中量子场的平均水平都是不易了解的。

可以检测的是基本粒子的性质，是根据它所在的量子场的平均水平的改变而得来。具有某种特定量子水平的地方有多少种类的基本粒子也许可以显示同样的性质。但是场的水平各异的其他地方，它们的粒子也许会显示各不相同的性质。例如电子与夸克，在我们存在的时空范围里，质量有着大幅度的差异，而在宇宙初期条件下，大概具有相同的质量。

这可以就照射于有色物体的各种颜色的光作为簪喻。有多少物体在反射不同色外使它们完全相同。全部照射白色光，那么那物体都发生相同程度的光。但是例如照以单色光的红光，那么只反射红光的物体就被照见，其他物体就看不见了。

由于位于某种量子场中而没有这种结果，那么具有相同性质的基本粒子就有可能显示不同的性质。这样的状态就是物理学家所说的“对称性的破坏”。对称性的破坏，就目前所知是了解基本粒子的重要关键。

基本粒子性质对称性的破坏是它周围某种量子场对称性破坏的结果。记述量子场的方程式被认为是对称的。与夸克结合时犹如与电子结合时一样，在记述不同场的方程式之间有着简单的数学关系。但是物理学家在过去二十多年里对这些方程式的大多数，熟知是具有非对称的解的。

对宇宙历史的研究

遗憾的是，整个空间的广大领域里要验证自由改变量子场的值并破坏对称性的设想已经超越了我们的能力，它需要大大超过必要的能，那是目前所无法胜任的。因此如同前述，科学家认为空虚的空间状态的这种变化就会理所当然地在宇宙形成初期发生。

这种变化根据对影响现在宇宙特征的观测，如能用于宇宙历史的研究，那么在与实验室的研制大相径庭的条件下，基本粒子表现了怎样的性质？能模拟吗？这种研究正处于开始阶段，大概将成为未来物理学的一个重要部分。姑且不管这些，单就宇宙形成初期的相变历史，物理学家已经在某种程度上作了详细的调查研究了。

[科学朝日[日]1986年1月号]