2016年物理学十大突破
来源：原理（ID：principia1687）
世界顶级科学杂志《物理世界》12日公布了评选出的2016年度物理学领域十大突破，其评判标准包括
研究的基本重要性；
成果的先进程度；
理论与实验的关联性；
物理学界的关注度。
激光干涉引力波天文台（LIGO）团队因“革命性地首次直接探测到引力波”而获得年度突破大奖。
今年2月，LIGO团队宣布，在爱因斯坦预言的100年后，人类首次直接探测到了引力波。该引力波是由13亿光年之外的两个黑洞合并产生，被LIGO位于汉福德和利文斯顿的两台探测器于2015年9月探测到。
《物理世界》编辑Hamish Johnston表示：“LIGO在较短的时间内取得如此成就是非常不可思议的。这一发现也是证明黑洞存在的第一个直接证据，因此LIGO其实是改变了我们对宇宙的认知。”
然而，LIGO探测到引力波只是故事的开始，它真正的贡献是开启了一个新的天文学时代，为基础研究提供了许多可能性。比如通过LIGO可以验证为什么时间旅行也许是不可行的，或检验爱因斯坦的广义相对论的有效性等。
除了引力波的发现，另外9项重大突破包括（排名不分先后）：
薛定谔猫：这只猫一直以它即死又活的状态而出名。它是量子叠加态的一个著名例子。所谓的叠加态就是粒子可以同时处于不同的态。一个美法研究团队通过设计两个超导空腔（盒子）， 在空腔里可以释放微波（即光子），首次在实验中创建量子双模式猫态（薛定谔猫同时存在于两个盒子之中）。
离子纠缠：牛津大学和美国NIST的两个研究团队各自独立地将两种不同的离子纠缠在一起，并对其进行测量。这是迈入创造基于离子的量子计算机的重要一步。这样的混合系统的好处在于，不同离子在进行特定的量子计算任务上都有各自的优势。
比邻星：天文学家在离太阳系最近一颗恒星（距离太阳4.2光年）比邻星的宜居带发现了一颗岩石行星——比邻星b，大小是地球的1.3倍。理论上，在它的表面可以维持水的存在，甚至有可能拥有大气层。
负折射：科学家首次在石墨烯中观测到电子负折射现象。负折射是一些人造超材料的一个性质，可以用来制造新型光学器件，比如完美透镜。材料中的电子可以表现的像波，负折射也会发生在n型和p型半导体的交界面。
重力仪：英国格拉斯哥大学的科学家研发出成本相当低并且小巧的重力仪，可以用来精确地测量地球的重力场。由于其敏感度非常高，这个仪器可以用来矿产勘探、土木工程和监测火山活动等。
核子钟：德国科学家探测到钍-229原子核中的低能跃迁，可以用来制作核子钟。相比今天被广泛使用的原子钟，核子钟只关注原子核而不涉及外围的电子，因此核子钟不容易受到外界干扰（比如电场），从而更加的稳定。
利用Mesolens拍摄的老鼠胚胎。（? Gail McConnell/University of Strathclyde）
神奇的透镜：苏格兰斯特拉斯克莱德的大学的科学家研发出拥有大视场、高分辨率的新型纤维镜头——Mesolens。该设备允许共聚焦显微镜，可以制造大量生物样本的3D图像。在一张图像就可以观测整个样本的能力可以帮助研究许多的生物过程，并确保一些重要的细节不会被忽视。
真空室，困住钙离子的实验装置。（? Johannes Ro?nagel）
最小的发动机：德国美因茨大学的科学家用一个原子建造了一个热机。他们把一个钙离子困在一个漏斗状的陷进中，将温差转换为机械功。
更快的计算：量子计算机的发明无疑会引领一场技术革命，但是为了实现这个目标，科学家还需要克服许多的障碍。今年，奥地利的科学家利用量子计算机成功的模拟了亚原子粒子之间的基本相互作用。
本文由赛先生（iscientists）授权转载
作者：Frank Wilczek，翻译：梁丁当
未来一百年会给物理学带来什么？我当然不知道，但这是一个令人思绪飞扬的问题。下面这些经过深思熟虑的猜想既反映了我的兴趣和学识，也暴露了我的局限和偏见。另外，为保证文章在可接受的长度内，我对内容不得不精挑细选。如果这些猜想激发了你对未来一百年的思考，它们的目的就达到了，即使你的答案和我不一样。
为了更好地展望未来，我们先回顾一下过去。
一个世纪前的物理学一片混乱。爱因斯坦刚刚发表了革命性的引力新理论。卢瑟福发现了原子核，它们是物质的核心，但却神秘而古怪——非常小，非常密，会毫无理由地进行各种令人困惑的转变。以玻尔的原子模型为基础的量子理论还毫无章法。超导已是一个实验事实，却是一个理论的谜团。化学键的本质和恒星能量的来源——自然界里极其重要两个的环节——挑战着当时物理学家们的自尊。
五十年前物理学的面貌已经很不一样。经过大量的理论研究和一些实验观测，广义相对论成为了一门成熟的学科。它和哈勃发现的宇宙膨胀一起为科学地研究宇宙提供了许多新的可能。人们发现了微波背景辐射，发展了半定量的宇宙元素起源理论，最后建立了大爆炸理论。尽管很多人觉得量子力学奇怪和令人头疼，量子力学已经发展为一个数学上非常严格自洽并且极其成功的理论，直到现在依然是我们和自然对话的语言。
原子物理、化学和材料科学有了坚实的基础。超导得到了解释，它的理论不但漂亮而且非常有用。激光、三极管，和核磁共振等许多令人瞩目的技术充分展示了新物理的深度和可靠性。集成电路虽然最多还只有几十个三极管，但前途无量。建立在量子力学基础上的核物理发展成了一个强大的学科。物理学家基本理解了恒星为什么会发光，学会了利用核能来做炸弹和发电。在另外一面，对弱作用和强作用的描述还很散乱和唯象，利用宇宙射线和加速器进行的高能物理实验产生了很多一时无法理解的惊讶。
二十五年前物理学又往前走了一大步。两个标准模型已经形成：一个是关于基本作用力的，另一个是关于宇宙学的。但对它们的严格实验验证那时刚刚开始。（这些模型当然最后都被完美验证，今天依然是最基本的理论。）对材料更深刻的理解，特别是半导体量子理论的发展，带来了计算机革命。我后面还要讨论，这个革命对物理学的影响是非常深刻的。
过去一百年里，物理学基础理论变革的步伐放慢了，但由物理学带来的技术革命的步伐则加快了。这些步伐的变化反映了可靠而全面的标准模型取得的成就。
更多对称性
局域对称性和相对论量子场论里的原理已经指引物理学家们走了很长一段路。这些原理和对称性深植于广义相对论和关于强、弱和电磁作用的规范理论里。我们现在已经建立了一套经过千锤百炼的方程，它们为化学、各类工程技术提供了坚实的基础，能够描述所有已经观察到的天文体系，和大部分宇宙。但是，进一步提升的空间仍然很大。
引力子、胶子、W-和Z玻色子和光子都是局域对称性的化身。这些粒子的耦合和存在反映了这个深刻的原理。建立在对称性上的标准模型昭示着基础物理已经非常接近毕达哥拉斯和柏拉图的圣殿：物理现实和数学理想之间的完美对应。
我们依然希望做得更好。我们对物质的描述还是支离破碎的，因为标准模型里的局域对称变换不能连接很多“应该”连接的基本粒子。但标准模型里的这些基本原理是强大的，会继续发展；我们非常有希望看到现在尴尬而不成熟的对称性逐渐变得成熟和完美。Box 1里描述了如何将已知的基本粒子漂亮地纳入一个更大的对称性。
BOX 1. 图解统一理论
在粒子物理的标准模型里，强、弱和电磁相互作用都有它们各自的对称性；每个相互作用有它自己的荷。这种不统一的后果是基本粒子的排列显得有些冗笨。这里我们用图来展示粒子的组织排列；同时演示如果把它们归于一个更大的对称群，它们的排列就会变得更优美。
图a最右一列显示的是上夸克(u)和下夸克(d)，电子(e)和电子型中微子(ν)。根据它们的自旋和动量是平行还是反平行，这些粒子可以有左(L)或右(R)的手征性。左手粒子以二重态的形式列出，所以这列共有6个不同的实体。图a的左边展示了传递强、弱和电磁相互作用的粒子的性质。传递强相互作用的胶子耦合三种强色荷，分别标记为红色、绿色和蓝色。弱作用只作用于左手粒子，有两种弱色荷，标记为黄色和紫色。电磁相互作用会和电荷耦合。每个粒子的平均荷通常被叫做超荷，用数字下标标记，单位是质子的电荷|e|。
这些已经被观测的粒子的排列有些散乱。图b展示的是如何从更高的对称性和统一的模板推演出这些粒子。右边列出了粒子的名字。这里每个粒子手征性都是左手；右手粒子现在被表示成左手粒子的反粒子，用负号标记，比如uR变成了-u。左边显示了携带强弱色荷的实心圆或空心圆的所有可能分配；唯一的限制是实心圆必须是偶数个。实心圆表示半个正荷；空心圆表示半个负荷。超荷的大小列在最左边，它们现在是按照表格顶上的公式从强弱色荷得到的。
为了得到图a中的粒子性质，我采用如下规则：把所有强色荷或弱色荷等权重加起来不会影响强或弱相互作用。这样我就可以把图b左边的颜色样式和右边的对应起来。注意色荷现在都是整数单位，色荷和超荷和图a是吻合的，因为反粒子具有和它们对应的粒子相反的色荷和超荷。
这个令人向往的结果对未来的研究有深刻的含义。按照Box 2里的解释，它意味着引力不是自成一体的，应该和其他力统一考虑。它激励我们去思考如何引入新的对称性和预想具体的新的物理现象。
BOX 2. 基本力的统一
Box 1里展示的非常成功的分类方案可以被嵌入一个普遍的理论框架。这个框架的一个核心预言是不同的基本相互作用的强度是一样的。而实际观测到的作用强度是不一样的，但我们知道基本强度只有相互作用能非常高时才显现出来。为了找到基本强度，我们必须考虑虚粒子的真空极化效应，因为它们会屏蔽或反屏蔽相互作用。考虑了所有已知粒子的贡献以后，我们发现基本相互作用强度确实会趋于一致，但如左图所示，定量上还是失败了。如果我们根据超对称性加上超对称粒子的贡献，如右图所示，我们得到了精确的统一。
当引力作用于能量不是特别高的粒子上时，它比其他力弱很多。在其他力达到统一的能量尺度上，引力同等强大。换个角度说，如果我们假设所有的力会在规范耦合统一的能量尺度下统一，我们就可以定量解释观测到的引力为什么很弱。
为了统一所有的基本粒子，我们需要连接不同自旋粒子的对称性。狭义相对论中洛伦兹对称性的一个扩展，超对称性，正好补上这个缺口。这个更大的对称性要求我们熟悉的每个粒子具有一个超伙伴：它们有不同的自旋但相同的电荷，强色荷和弱色荷。
不破缺的超对称性还要求这些伙伴粒子具有相同的质量，但是人们并没有观测到这样的伙伴粒子。我们不得不满足于这样的补救：基本方程具有超对称，但它们描述自然的解却不具有这个对称性。换句话说，超对称自发破缺了。重要的是，如果超对称破缺尺度不是很大，也就是说已知粒子的超对称伙伴不是很重，我们就能如Box 2里演示的，完美地定量统一基本耦合参数。
抛开技术细节，超对称带来的统一是非常深刻的。二十世纪物理的伟大成就之一就是超越了物质表面上完全不同的两种性质：以经典光为代表的波动性和以经典粒子为代表的粒子性。作为量子的个体，光子和电子都具有波粒二象性。作为一个集合，它们则非常不一样，分别遵从玻色或费米统计。超对称向我们展示了这个不同也可以被超越。
上面描述的关于统一和超对称的想法很有希望，它们已经发展了几十年了，但真正的荣耀之日还在前头。除了重组我们核心理论的量子数和耦合常数，这些想法的主要成就是预言了现在已经被观测到的中微子的很小的质量。它们还有两个激动人心的预言：重子数不守恒过程，比如质子衰变，和超对称粒子的存在。如果被证伪，超对称就是错的。如果被证实，它们将打开一个全新的世界让人去探索。根据我们最好的估算，质子衰变和超对称粒子的探测并没有超越技术的极限。一百年内实验会探测到它们。
多宇宙的幽灵
我们核心理论的其他方面就没有那么优美了。Box 1介绍的基本粒子在自然界其实共有三套——电子、缪(μ)子和陶(τ)子三个家族系列。我们不清楚为什么物质要这样重复三次，同样也不理解这些基本成员展现的无章可循的质量和混合角。为解释实验观测，我们需要二十多个自由参数；这些参数描述希格斯场是如何与夸克和轻子（比如电子和中微子）耦合的。尽管个数不是很多，至少比元素周期表中的原子个数少很多，但已有的成功让我们雄心万丈，我们渴望做得更好。
但是我们能吗？现有的观测表明我们核心理论的结构和参数不随空间和时间变化，但逻辑上事情可以不是这样的。事实上，暴胀宇宙论里有一个机制，可以在一个整体非常不均匀的宇宙里产生一个均匀的大区域。超弦理论则提供了很多产生不均匀宇宙的可能。这种情况可以被方便地描述成在一个更大的不均匀的宇宙里有一些均匀的宇宙。在这样一个多宇宙框架内，我们观测到的宇宙只是很多性质非常不同的宇宙之一，就像我们的太阳系只是各种性质非常不同的行星系统中的一个。
如果想计算观测到某个特定宇宙的几率，我们必须有一个挑选的标准。不允许观测者出现的宇宙不应该是可观测的宇宙。在应用这个标准之后，如果我们发现大多数或所有可能的宇宙都具有某个特征，我们就宣称那个特征可以用人择原理来解释。反过来，如果我们找到了令人信服的人择解释，我们应该把它们当做多宇宙假设的证据。许多学者曾指出，如果标准模型里的参数发生小的变化，智慧生命的出现就会非常成问题。多宇宙的幽灵因此赫然耸立。
相应地，迄今无法理解的那些参数可能只是一个环境的偶然，无法用理论澄清。这个结论是诱人的同时也是危险的。因为它似乎在说：“如果我们如此聪明还不能理解它，它就是不能被理解的。” 这其实是在投降后宣告胜利。在未来的100年里，我们会更好地了解抗拒人择原理是否是徒劳的，和在什么方面是徒劳的。
轴粒子
质量和混合角参数也有启发性的一面。标准模型里允许引入一个参数θ，它会破坏强相互作用里的空间和时间反演对称性。根据实验数据，这个破坏很小，结论是 |θ| < 10-10;="">
对θ值的强烈限制意味着我们需要一个新原理来解释这个参数为什么这么小。最佳候选者是由Roberto Peccei和Helen Quinn发现的一种新对称性，Peccei-Quinn对称性。这个新对称性会导致重要的物理后果。它预言存在一种新的、非常轻和耦合很弱的粒子，轴粒子。轴粒子如果存在，它们会在早期宇宙里大量产生。它们是暗物质的绝佳候选者。天文学家观测到了暗物质但却一直未能确认它的组分。人们正在开展精巧而富有挑战性的实验，作为宇宙的背景或者通过它们带来的效应，来探测轴粒子。一百年内——非常可能很快——他们会成功的。
引力问题
爱因斯坦的广义相对论是一个概念上非常紧密的引力的理论，它只允许两个自由参数：牛顿引力常数和宇宙学常数。它已经通过了物理学家和天文学家设计的每个测试；但理论仍然不尽如人意。
首先，引力的强度和其他基本力完全不成比例。如果我们相信自然有一个统一运行机制，这怎么可能呢？第二，观测到的无物质空间的质量密度——宇宙学常数，也经常被叫做暗能量——和合理的理论预期相差很远。为什么比理论值小那么多，但又不是零？第三，将广义相对论直接量子化以后得到的方程在极端条件下会崩溃。它的后果是什么？这些都是未来一百年物理学里的重要问题。在两个Box里，我已经指出了一个颇有希望解决引力弱小问题的方案。这里我简要评述一下其他两个问题。
理论学家们估算了宇宙学常数的几个来源，有正贡献也有负贡献，但每个贡献的绝对值都远远超过观测值。这个常数的观测值很小表明这些贡献可能正好微妙地抵消了。我们的核心理论无法解释这种抵消。或许正如温伯格建议的，我们只能用人择原理解释。如果宇宙学常数太大，宇宙就会快速膨胀以致没有结构可以形成。星系、恒星、行星都不会形成，从而智慧观测者也不会出现。最好的物理就是这个人择解释了？抗拒它是徒劳的？后面没有隐藏某个更深刻的原理？
把我们的引力理论，广义相对论，和量子力学融合起来有概念上的困难，但这个困难被吹上了天。我认为重要的是把它拉回地面。
在实践中其实没有什么问题。天体物理学家和宇宙学家经常并且成功地计算了很多同时涉及引力和量子力学的物理问题。这些工作里人们没有碰到什么模棱两可或奇怪的东西。
只有当我们试图考虑一些极端情况时，比如大爆炸的最早时刻或黑洞的最里层，问题才会出现。另外，思索小黑洞的行为时会碰到一些概念上的难题。如果我们能够圈定一些具体的可以被实验验证的现象，这些现象无法用熟悉的半经典近似而必须用完全的量子引力来解释，那将是令人振奋的成就和重大进展。尝试观测这些现象的实践会把这个问题带到另外一个的层次。
超弦理论是一个宏大的框架，可以把广义相对论和量子物理紧密联系起来。它支撑一个丰富但没有完全被理解的对称结构。这个对称结构不但可以包括规范变换也可以包含超对称和轴粒子。但现在应用超弦理论来描述世界像一个无形的泥块。如果它能被雕琢得更有形一些，它可能会大大澄清我讨论过的这些问题。一百年足够了。
蚂蚁视角的升华
物理宇宙学已经成熟地发展了几十年。我们已经掌握了精确和具有说服力的证据，表明宇宙是从一个非常特殊，概念上简单的初态开始的。最初时引力以外的力处于一个极高温平衡态，物质的分布非常均匀但不完全均匀，空间按照广义相对论在快速膨胀。注意，对于引力而言，均匀是个极端非平衡态，因为引力总想把物质聚在一起。因此起点在引力作用下失稳，孕育形成了星系团、星系、恒星和行星——这就是我们现在看到和生活的宇宙。
这样的宇宙演化轮廓已经没有任何疑问，但它的许多细节仍然非常粗略。在宇宙学的前沿，有多条证据显示宇宙在早期上演过一次宇宙爆胀——在几分之一秒里，空间超光速膨胀了十几个数量级。这个不同寻常的暴胀得到了基础物理里很多想法的广泛支持；事实上，也正是这些想法指向了暴胀。但是公平地说，暴胀现在还只是一个方案而不是一个物理理论。比如，无人能令人信服地确认暴胀的物理根源。这个方案里的疑问都是有物理后果的：暴胀中的量子涨落可能会导致小的不均匀性，从而埋下结构形成的种子；量子涨落也可能产生可观测到的引力波。我预计未来一百年里，理论和观测的进步会让暴胀从方案变成教条。
自然哲学经常讨论上帝视角(God’s-eye view)和蚂蚁视角(ant’s-eye view)的竞争。上帝视角是指从整体来理解现实；蚂蚁视角是指人在感知身边事件随时间流动时获得的观念。从牛顿开始，蚂蚁视角就主宰了基础物理。我们把对世界的描述分割为两部分：动力学方程（荒谬的是，方程自身存在时间之外）和它们的初始条件。动力学方程不能决定哪个初始条件描述现实。这种分割在实际应用中非常有用和极其成功，但是这个方法远远不能给我们一个对世界的完整科学描述。它给出的描述——现实是这样是因为现实在过去是那样——会受到这样的质疑：为什么过去是那样呢？
从相对论来看，上帝视角显得更自然。相对论教导我们应该把时空当做一个有机整体来考虑。因为时空的不同侧面可以通过对称性相互转换。如果我们坚持把经历分割成时间的序列，时空整体就会变得很别扭。赫尔曼·外尔(Hermann Weyl)在他1949年的书《数学和自然科学的哲学》（普林斯顿大学出版社，116页）里，曾写下这段令人难忘的关于有机整体的文字：
现实的世界简单地存在着，它不是发生的。只是在我感知的注视下，伴随着身体沿生命轨迹向前的爬行，世界的一个截面才获得了活力，变成空间里随时间不断飞逝的画面。
对我来说，未来一百年基础物理面临的最深刻挑战是，将对现实的描述从蚂蚁视角上升到上帝视角。
算法崛起
按照摩尔定律集成电路的速度和密度已经翻番了25次，这是人类在深刻理解材料的性质后迸发出的创造力。这个技术飞跃给了人类，尤其是物理学家，非同寻常的计算力。尽管指数增长的步伐已经放慢，我们预计在未来几十年里还会有几个翻番。实用的量子计算机也很快就会到来。这种计算能力的增长将改变我们提问的角度，我们寻求的答案的类型，和我们研究的方式。最后但同样重要的是，它将改变研究者本身：我们物理学家是谁。
量子色动力学(QCD)是我们关于强相互作用的理论。它的最新进展预示了未来的发展前景。这个理论的最初验证来自它对高能量和动量转移过程的定量描述，因为这些所谓的硬过程可以用强大的微扰论计算。但是这些过程只是众多有趣现象中的一小部分。比如，它们不包含核物理，这其实是人们最初研究强相互作用的动力。大量的创造力被用来解析地求解QCD方程。但是迄今最成功的方法是改写QCD方程让它们适用于计算机，然后让计算机跑起来。
早在1929年，狄拉克在发表于《英国皇家学会院刊》（123卷714页）的一篇文章里写道：
已知的物理定律为大部分物理和所有化学提供了数学的描述；仅有的困难是这些定律的直接应用会导致许多方程，它们太复杂以致无法求解。因此应该发展一些实用的应用量子力学的近似方法，它们能在不做大量运算的情况下解释复杂原子系统的主要现象。
现在狄拉克的断言更加正确：已知的基本定律完全能让我们对所有和化学、材料科学等实际系统相关的物理过程开展计算。但是“太复杂”和“大量计算”之间的界限已经发生了极大的改变，因为和1929年相比，现代计算机的能力强大了很多个数量级。有理由相信未来一百年里机器的计算能力同样会增强很多个数量级。
有能用于建造太空电梯的材料吗？（图1是艺术家眼中的太空电梯）有室温超导体吗？这些问题，以及一些其他问题，完全可能由计算机来回答。现代计算机在飞机设计中已经可以取代风洞实验。未来的计算机在核物理、恒星物理、材料物理和化学里会取得同等的地位：用计算辅助并最后取代实验。
图1 太空电梯靠离心力克服重力得到支撑，可以建立联接地球表面和外层空间的便捷通道。为实现这一概念所需的新型坚固材质，几乎肯定可以借助电脑设计出来。
逐渐地，算法的发展会成为理论物理的核心。能够用于计算机的概念和方程将取得优势；不能被转换成算法的概念和方程会被看成先天不足。当然这不是说毫无目的地捣鼓数据会取代具有创意的洞察。而是完全相反：创意思考所得到的成果，比如一般性（去掉无关的细节）、对称性（有根据的循环），和拓扑（源于连续的离散）会被事先揉进算法的思路里。
设计算法的工作可以被看作一种特殊的教学方式，它的对象是很聪明但缺乏想像力并且毫无经验的学生——那些憎恶模糊的计算机。现在这些学生动力不足，没有好奇心，但这些缺点是可以克服的。一百年之内，计算机将获得和它们的天分匹配的特别思维方式，成为它们人类老师的同事并最后完全取代他们。
大工程
文化总是通过一些宏大的工程来表达它的抱负和建立它的个性，比如埃及的金字塔、雅典的万神庙、西班牙的阿尔罕布拉宫、中世纪欧洲的大教堂。许多非凡的大工程就摆在我们面前，完成它们需要投入巨大的人力物力。自信而雄心勃勃的团体会自豪地承担起它们。
引力波天文学已经为我们打开了一个新的观测宇宙的窗口，让我们能够探测隐秘的区域和剧烈的天文现象。今年二月，LIGO第一次直接探测到了引力波。为了充分利用引力波和发展引力波天文学，我们将在太空几百万公里范围内安置一个精密探测器阵列。图2展示了一个候选者：激光干涉太空天线。
图2 太空激光干涉仪(LISA)可以探测频率范围0.1—100mHz的引力波，由3艘彼此相距数百万公里的飞船组成一个等边三角形围绕太阳运行，它将是有史以来最大的人造结构，是人类好奇心、进取心和创造性的永恒纪念碑。
系外行星天文学将系统地扫描我们的银河系，收集几百万个行星的信息：它们的质量、轨道、地质和大气。通过这些数据，我们将了解生命的稀有程度，生命存在的条件是什么。作为一个副产品，这些发现可能会验证和优化人择原理。
触觉天文学将得到巨大的发展。人体是脆弱的，不适合深太空环境，但我们可以利用大量的机器人探测器、虚拟远程呈现，和合适的生物种子来探索太空。尽管人类的殖民很难超越太阳系，人类文明将会超越它。
反演天文学将利用巨型加速器了解更短的尺度和更高的能量。
量子计算将为越来越精致的量子机器设计和执行算法。在未来的一百年里，量子计算将是化学和材料科学的核心方法。
在未来的一百年里，不但物理仪器而且思维的方式都将在前所未有的方向发展。以下两个进展将带来翻天覆地的变化：模拟人脑的人工智能和扩展的感知系统。
现在主流计算机实质上是二维的。它们的芯片需要在非常高的超净室里生产，因为任何小的缺陷都是致命的。而且芯片损坏后是无法修复的。人脑则完全不同。它们是三维的，是在杂乱而控制松散的环境下生长的，可以容忍缺陷或损伤。我们有强大的动力去发展新一代计算机技术，它不但能媲美现代半导体技术的集成密度、速度和规模，而且具有人脑的上述优点。没有明显的障碍阻止我们做到这点。强大的三维、容错、自修复计算机将会出现。在实现这些功能的过程中，我们将会获得许多和脑神经科学有关的知识。
类似地，我们也渴望造出模拟人体的机器和模拟人脑的计算机。自组装、自繁衍，和能创新的机器将会出现。他们的设计将需要借鉴生物世界的概念和肢体构造。
人类的感知有极大的发展空间。比如，考虑一下视觉。尽管到达我们眼睛的电磁波是极化的，而且含有一段连续的频率，但我们的色觉是一种对电磁波粗略而碎块化的编码：它将光的频谱马虎地揉成三团并且忽略极化。当然，我们还看不到很多可见光以外的频率，比如紫外和红外。可是我们看不到的部分包含着很多自然环境里的有用信息，也会给数据可视化和艺术提供更多的可能。
现代微电子和计算机技术为我们提供了很多值得尝试的获取这些信息的手段。经过适当的变换，我们可以将这些信息和我们已有的感知编码在一起，实现共同感觉。通过大大扩展人的感觉器官，我们将打开感知之门，真正看清现实的世界。
路还远
宣告物理学已经终结毫无疑问是太早了；后实证物理*的主张同样是草率的。我们有能力也一定会在多个方向取得巨大的进步。我们有能力也一定会对具体的、真实的物理现象取得新的领悟和控制能力。前面有很多美景，我只是介绍了几个。
* 后实证物理(postempirical physics)是一种新的哲学观点：一个理论只要足够优美和能定性解释一些现象，这个理论就应该被接受，不需要得到实验的验证。比如超弦理论和多宇宙理论。
本文经Wilczek教授授权翻译。原文为Physics in 100 years,Frank Wilczek,Physics Today,2016,(4):32.
在庆祝SCIENCE创刊125周年之际，该刊杂志社公布了125个最具挑战性的科学问题。在今后1／4个世纪的时间里，人们将致力于研究解决这些问题。其中，前25个被认为是最重要的问题。
简单归纳统计这125个问题，其中涉及生命科学的问题占46%，关系宇宙和地球的问题占16%，与物质科学相关的问题占14%以上，认知科学问题占9%。其余问题分别涉及数学与计算机科学、政治与经济、能源、环境和人口等。
这125个问题如下：
1宇宙由什么构成?
2意识的生物学基础是什么?
3为什么人类基因会如此之少?
4遗传变异与人类健康的相关程度如何?
5物理定律能否统一?
6人类寿命到底可以延长多久?
7是什么控制着器官再生?
8皮肤细胞如何成为神经细胞?
9单个体细胞怎样成为整株植物?
10地球内部如何运行?
11地球人类在宇宙中是否独一无二?
12地球生命在何处产生、如何产生?
13什么决定了物种的多样性?
14什么基因的改变造就了独特的人类?
15记忆如何存储和恢复?
16人类合作行为如何发展?
17怎样从海量生物数据中产生大的可视图片?
18化学自组织的发展程度如何?
19什么是传统计算的极限?
20我们能否有选择地切断某些免疫反应?
21量子不确定性和非局部性背后是否有更深刻的原理?
22能否研制出有效的HIV疫苗?
23温室效应会使地球温度达到多高?
24什么时间用什么能源可以替代石油?
25地球到底能负担多少人口?
26宇宙是否唯一?
27是什么驱动宇宙膨胀?
28第一颗恒星与星系何时产生、怎样产生?
29超高能宇宙射线来自何处?
30是什么给类星体提供动力?
31黑洞的本质是什么?
32正物质为何多于反物质?
33质子会衰减吗?
34重力的本质是什么?
35时间为何不同于其他维度?
36是否存在比夸克更小的基本粒子?
37中微子是其自己的反粒子吗?
38是否有解释所有相关电子系统的统一理论?
39人类能够制造最强的激光吗?
40能否制造完美的光学透镜?
41是否可能制造出室温下的磁性半导体?
42什么是高温超导性之后的成对机制?
43能否发展关于湍流动力学和颗粒材料运动学的综合理论?
44是否存在稳定的高原子量元素?
45固体中是否有超流动性?如果有，如何解释?
46水的结构如何?
47玻璃态物质的本质是什么?
48是否存在合理化学合成的极限?
49光电电池的最终效率如何?
50核聚变将最终成为未来的能源吗?
51驱动太阳磁周期的原因是什么?
52行星怎样形成?
53是什么引发了冰期?
54使地球磁场逆转的原因是什么?
55是否存在有助于预报的地震先兆?
56太阳系的其他星球上现在和过去是否存在生命?
57自然界中手性原则的起源是什么?
58能否预测蛋白质折叠?
59人体中的蛋白质有多少存在方式?
60蛋白质如何发现其作用对象?
61细胞死亡有多少种形式?
62是什么保持了细胞内的通行顺畅?
63为什么细胞的成分可以独立于DNA而自行复制?
64基因组中功能不同于RNA的角色是什么?
65基因组中端粒和丝粒的作用是什么?
66为什么一些基因组很大，另一些又相当紧凑?
67基因组中的“垃圾”(“junk”)有何作用?
68新技术能使DNA测序的成本降低多少?
69器官和整个有机体如何了解停止生长的时间?
70除了继承突变，基因组如何改变?
71在胚胎期，不对称现象是如何确定的?
72翼、鳍和面孔如何发育进化?
73是什么引发了青春期?
74干细胞是否位于所有肿瘤的中心?
75肿瘤更容易通过免疫进行控制吗?
76肿瘤的控制比治愈是否更容易?
77炎症是所有慢性疾病的主要原因吗?
78疯牛病会怎样发展?
79脊椎动物在多大程度上依赖先天免疫系统来抵抗传染病?
80对抗原而言，免疫记忆需要延长暴露吗?
81为什么孕妇的免疫系统不拒绝其胎儿?
82什么与有机体的生物钟同步?
83迁徙生物怎样发现其迁移路线?
84为什么要睡眠?
85人类为什么会做梦?
86语言学习为什么存在临界期?
87信息素影响人类行为吗?
88一般麻醉剂如何发挥作用?
89导致精神分裂症的原因是什么?
90引发孤独症的原因是什么?
91阿兹海默症患者的生命能够延续多久?
92致瘾的生物学基础是什么?
93大脑如何建立道德观念?
94通过计算机进行学习的极限是什么?
95有多少个性源于遗传?
96性别倾向的生物学根源是什么?
97生命树是生命之间系统关系最好的表达方式吗?
98地球上有多少物种? 99什么是物种?
100横向转移为什么会发生在众多的物种中以及如何发生?
101谁是世界的共同祖先?
102植物的花朵如何进化?
103植物怎样制造细胞壁?
104如何控制植物生长?
105为什么所有的植物不能免疫一切疾病?
106外界压力环境下，植物的变异基础是什么?
107是什么引起物质消失?
108能否避免物种消亡?
109一些恐龙为什么如此庞大?
110生态系统对全球变暖的反应如何?
111至今共有多少人种，他们之间有何关联?
112是什么提升了现代人类的行为?
113什么是人类文化的根源?
114语言和音乐演化的根源是什么?
115什么是人种，人种如何进化?
116为什么一些国家向前发展，而有些国家的发展停滞?
117政府高额赤字对国家利益和经济增长速度有什么影响?
118政治与经济自由密切相关吗?
119为什么改变撒哈拉地区贫困状态的努力几乎全部失败?
120有没有简单的方法确定椭圆曲线是否存在无穷多解?
121霍奇闭链是代数闭链的和吗?
122数学家将会最终给出Navier-Stokes方程的解吗?
123庞加莱实验能否确定4维空间的球?
124黎曼zeta函数的零解都有a+bi形式吗?
125对粒子物理标准模型的研究是否会停止在量子Yahg-Mills理论上?
注：最后6个数学问题选自Clay数学研究所提出的新千年问题
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