最新物理学动态
当今科学研究中三个突出的基本问题是：宇宙构成、物质结构及生命的本质和维持，所对应的现代新技术革命的八大学科分别是：能源、信息、材料、微光、微电子技术、海洋科学、空间技术和计算机技术等。物理学在这些问题的解决和学科中占有首要的地位。
我们可以从物理学最前沿的八大难题来了解最新的物理学动态。
难题一：什么是暗能量
宇宙学最近的两个发现证实，普通物质和暗物质远不足以解释宇宙的结构。还有第三种成分，它不是物质而是某种形式的暗能量。
这种神秘成分存在的一个证据，来源于对宇宙构造的测量。爱因斯坦认为，所有物质都会改变它周围时空的形状。因此，宇宙的总体形状由其中的总质量和能量决定。最近科学家对大爆炸剩余能量的研究显示，宇宙有着最为简单的形状——是扁平的。这又反过来揭示了宇宙的总质量密度。但天文学家在将所有暗物质和普通物质的可能来源加起来之后发现，宇宙的质量密度仍少了2／3之多！
难题二：什么是暗物质
我们能找到的普通物质仅占整个宇宙的4％，远远少于宇宙的总物质的含量。这得到了各种测算方法的证实，并且也证实宇宙的大部分是不可见的。
最有可能的暗物质成分是中微子或其他两种粒子： neutralino和axions（轴子），但这仅是物理学的理论推测，并未探测到，据说是没有较为有效的测量方法。又这三种粒子都不带电，因此无法吸收或反射光，但其性质稳定，所以能从创世大爆炸后的最初阶段幸存下来。如果找到它们的话，很可能让我们真正的认识宇宙的各种情况。
难题三：中微子有质量
不久前，物理学家还认为中微子没有质量，但最近的进展表明，这些粒子可能也有些许质量。任何这方面的证据也可以作为理论依据，找出4种自然力量中的3种——电磁、强力和弱力——的共性。即使很小的重量也可以叠加，因为大爆炸留下了大量的中微子，最新实验还证明它具有超过光速的性质。
难题四：从铁到铀的重元素如何形成
暗物质和可能的暗能量都生成于宇宙初始时期——氢、锂等轻元素形成的时候。较重的元素后来形成于星体内部，核反应使质子和中子结合生成新的原子核。比如说，四个氢核通过一系列反应聚变成一个氢核。这就是太阳发生的情况，它提供了地球需要的热量。当然也还有其它的种种核反应。
当核聚变产生比铁重的元素时，就需要大量的中子。因此，天文学家认为，较重的原子形成于超新星爆炸过程中，有大量现成的中子，尽管其成因还不很清楚。另外，最近一些科学家已确定，至少一些最重的元素；如金、铅等，是形成于更强的爆炸中。还有一点需要确定，即当两颗中子星相撞还会塌陷成为黑洞。
难题五：超高能粒子从哪里来
太空中能量最大的粒子，其中包括中微子、Y射线光子和其他各种形式的亚原子榴征弹都称作字宙射线。它们无时无刻不在射向地球；当你读这篇文章的时候，可能就有几个在穿过你的身体。宇宙射线的能量如此之大，以至于它们必须是在大灾变造成的宇宙加速活动中才能产生。科学家估计的来源是：创世大爆炸本身、超新星撞成黑洞产生的冲击波，以及被吸人星系中央巨大黑洞时的加速物质等等。了解了这些粒子的来源以及它们如何得到如此巨大的能量，将有助于研究这些物体的具体的活动情况。
难题六：超高温度和密度之下是否有新的物质形态
在能量极大的情况下，物质经历一系列的变化，原子分裂成其最小的组成部分。这些部分就是基本的粒子，即夸克和轻子，据目前所知它们不能再分成更小的部分。夸克的性质是极其活跃，在自然状态下是无法单独存在。它们会与其他夸克组成光子和中子，两者再与轻子结合就形成了整个原子。
这都是现有科学可以推测的，但当温度和密度上升到地球上的几十亿倍时，原子的基本成分很可能会完全分离开来。形成夸克等离子体和将夸克聚合在一起的能量。物理学家正尝试在长岛的一台粒子对撞机中创造物质的这种形态，即一种夸克一胶子等离子体。在远远超过这些科学家在实验室中所能创造出的更高温度和压力之下，等离子体可能变成一种新的物质或能量形式。这种阶段性变化可能揭示自然界的新力量。
要使这些力量结合起来，就必须要有一种新的超大粒子——规范玻色子，如果它存在的话，就可以使夸克转变为其他粒子，从而使每个原子中心的光子衰变。假如物理学家证明光子能够衰变，那么这一发现就会证明有新力量的存在。
难题七：光子是不稳定的吗？
如果你担心组成你的光子会分解蜕变，将你变成一堆基本粒子和自由能量，那大可不必为此着急。各种观察和试验表明，光子的稳定时间至少在10的33次方年。然而，许多物理学家认为，如果这三种原子力确实是单个统一场的不同表现形式，前文所说的神秘变化的超大玻色子就会不时从夸克中演化出来，使夸克及其组成的光子衰退。
如果一开始你认为这些物理学家脑子出了毛病，那也是情有可原的，因为按理说微小的夸克不可能生成比它重这么巨大倍数的玻色子。但根据海森伯的测不准原理，我们不可能同时知道一个粒子的动量和位置，这就间接使这样一个大胆命题可以成立。因此，一个巨大的玻色子在一个夸克中生成，在很短时间内形成一个光子并使光子衰变是可能的。
难题八：有几维空间
对重力真正性质的研究也会带来这样的疑问：空间是否仅仅限于我们能轻易观察到的四维呢？
这就将我们引向了一些线性理论学家对重力的解释，其中就包括其他维的空间。开始的宇宙线性理论模型将重力和其他三种力在复杂的11维宇宙中结合起来。在那个字宙——也就是我们宇宙中——其中的7维隐藏在超乎想像的微小空间中，以至于我们无法觉察到。弄懂这些多维空间的一个办法是，想像一个蛛网的一根丝。用肉眼来看，这根细丝只是一维的，但在高倍放大镜下，它就分解成了一个有相当宽度、广度和深度的物体。线性理论学家说，我们之所以看不见其他维的空间，只是因为缺少能将它们分解的精密仪器。
物理学发展的前沿领域有：
一、核物理和高能物理的前沿领域
1核物理
作为自然科学基础性研究最重要的基础分支学科之一，原子核物理学研究在近年来继续获得极为迅速的发展。随着加速器技术和核探测技术的巨大进步，原子核物理学在新的自由度和新的层次上不断取得令人瞩目的成果，充分显示出原子核物理学科研究的活力和重要意义。前沿领域：
(1)核子（特别是夸克）的自由度
对原子核研究的深入研究表明，把核看成只是核子组成的系统是不够的，随着实验的进展，介子、共振态等非核子自由度相继被揭示出来。近来高能物理的进展显示，所有这些粒子都是由夸克与胶子共同构成的，它们的相互作用遵从量
子色动力学（QCD）的规律。这个的引入，对核物理的发展产生了非常强大的推动作用。非核子——特别是夸克自由度的研究将是今后研究的一个重要方向。其实验进展取决于优良性能的加速器与探测器，如各种介子工厂与高占空比的高能强流电子加速器等等……
(2)能量（或温度，或密度）的自由度
近十多年来中、高能重离子加速器的建造，使原子核物理研究能够从低入射能和低激发能条件下进行的核反应机制和核结构的研究，扩展到更高入射能（所谓中、高能乃至相对论能区）、更高激发能、更高核温度区域。随着能量、温度和密度的增高，高温核的形成和衰变，原子核巨共振，液汽相变，介质效应等研究获得了出色成果。对核物质状态方程的研究在理论和实验上通过对多重碎裂、 集体流、阈下介子发射等方面的研究取得了初步进展。更高能量的重离子对撞机将有可能提供足够高的温度与密度以研究极端状态下核的状态方程，特别是探索夸克理论预言的新的物质形态：夸克-胶子等离子体（QGP）。原子核物理沿能量自由度的研究正孕育着新的突破。
(3)质子-中子比自由度——远离稳定线核素合成和研究
对远离稳定线的丰中子核或丰质子核（原子核的质子-中子比处于极端条件下）的研究，发现一些全新的物理现象，如新的壳模型幻数、新的衰变方式（与极大的QB值相联系的β缓发1-4个中子，β缓发1-4个质子，β缓发α粒子和β缓发裂变，以及直接质子或重离子发射等），核形状、大小、电磁矩的变化，新的形变区等。这些研究不但对检验和发展原子核理论模型、而且对天体物理的
研究起重要作用。近年来，轻质量极丰中子核11^Li中子晕及之相联系的新集体运动模式的发现和研究，丰中子核中中子皮和丰质子核中质子皮的研究，极丰中子核10^He的观测，Z=N双幻核100^Sn的合成以及与天体物理学密切相关的一批远离核的研究被认为是原子核物理在质子-中子比自由度上取得的最重要的进展。理论上预期有大约8000种核素，迄今只发现了约2700种，其中约2200种为远离稳定线的核素。远离稳定线的新核素，特别是滴线核，以及超重核、奇特核的合成和研究，是今后重要的发展方向。实验在上要求强的次级放射性核束流。
(4)角动量自由度
重离子与重元素的核反应可以形成很高角动量的复合核，这是近十多年来获得迅速发展的一个领域。对原子核高自旋超形变转动带的发现和研究，特别是高自旋超形变带的布居机制，组态结构，转动惯量、退激方式和电磁跃迁性质等研究是核结构领域最为重要的成就。对关联，中子质子相互作用的研究，超形变核结构的研究等，是高自旋核结构研究前沿，具有重要意义。
(5)高精密度的核物理实验
高能物理学和一些基本性问题也反映在核物理中，如标准模型、中微子质量、轻子数守恒、核内的宇称破坏等方面的研究。这些研究都要求进行极高精度的核物理实验，虽然这些实验有时看起来是“传统性”的，如核衰变谱。在这方面的研究也反映了核物理与高能物理、天体物理等学科的交叉和相互促进。
2. 高能物理
高能物理研究的主要内容是粒子的种类、性质、它们之间的相互作用力以及它们是由什么构成及是如何构成的、粒子层次和组成它们的更基本的组元层次的新现象和新规律。由于高能加速器的建造，近40年来这门学科得到极大的发展，它的进展对认识原子核和宇宙的起源与进化也有了较为深刻的影响。当今关于它的前沿领域有：
(1)发展“标准模型”
已知微观世界里的力有强力、电磁力、弱力和引力等四种，已发现的微观粒子可以分成强子与轻子二类。强子是有着这四种力的粒子，轻子是有着强力之外三种力的粒子。迄今我们对粒子物理的认识可以由“标准模型”所归纳。在这个模型里，轻子是基本的，而强子是由更基本的组元——夸克构成的，组成微观世界的组元是三代轻子（υθ,θ）， （υμ,μ），（υτ,τ）和三代夸克(u，d),(c，s),(t，b)。电磁力与弱力由电-弱统-理论描述，传递电磁力是光子，传递弱力的是矢量玻色子。传递强力的是胶子，其规律由量子色动力学（QCD）描述。这三种力的来源是破缺的定域规范对称性，破缺是由希格斯（Higgs）粒子引起的。虽然希格斯粒子和υτ中微子尚未发现，但目前所有的实验结果都与标准模型符合。
“标准模型”并不完美，目前大部分人相信它是一个有效的唯象理论。仍存在很多基本问题有待解决。例如，在理论中的参数达20个之多，其中11个来自希格斯机制。这样的模型显然不能成为高能物理的基本理论。因此，深入检验标准模型，探索这些参数的来源并找寻向基本理论的发展，是今后重要的研究领域。
（2）粒子的质量起源与自发对称性破缺机制研究
这三代轻子和三代夸克的质量有着令人惊讶的巨大差异：中微子质量比几个电子伏特还小，而顶夸克质量为质子的180倍，与金原子核相近。虽然规范对称性要求光子、胶子和引力子的质量为零，但是它并不要求中微子的质量为零。希格斯粒子被引入标准模型以产生规范对称性的自发破缺，但是其质量与耦合强度的大小已超出标准模型的范畴。所有这些都是有待解决的研究前沿问题。
（3）新粒子和更深层次的粒子
实验上和理论上都不排除有更多的新粒子的存在，例如，磁单极子和其他较重的粒子。也没有任何的理由限定目前的粒子的组元只能有三代，新的代意味着新的种类的粒子，每一种新粒子的发现都会对粒子物理带来新的突破。不计反粒子，目前构成物质结构的最小基本组分是6种轻子，18种夸克以及传递电、弱、强相互作用的12种媒介子。虽然直至10-17厘米尺度尚未有夸克与轻子具有结构的迹象，但是面对这个不小的粒子数目，已经提出研究它们与希格斯粒子是否有结构并由更深层次粒子组成的问题。
（4）粒子相互作用力的深入了解
在粒子领域中对电磁力与弱力了解得较好，已经建立起一个统一的图像。对强作用力的了解次之，QCD至今未遇到严重的挑战，虽然人们对它的求解并不满意。建立这三种力的统一图像是很吸引人的，它将继续是今后研究的方向。至今引力在粒子的相互作用中可以忽略。但是在很高的能量下，引力将变得重要。它能否纳入目前量子场论的框架与能否和其他三种力有一个统一的图像，都是有待研究的重要问题。
（5）发展更高能量的基于及非基于加速器的实验装置
高能加速器是近年来发展粒子物理的最重要的实验装置，但随着能量的提高，目前建造费用已增加到非一个国家所能负担的程度，必须衡量发展本国科技的轻重缓急并走国际合作的道路。随着技术与探测手段的发展，在一些非基于加速器的装置上，如地下及高山的宇宙线实验装置、质子衰变探测器等，也做出重要的工作。总之，更高能量、更高精度与更高性能这三方面是今后实验设备的努力方向。
二、 凝聚态物理的前沿领域
凝聚态物理研究由大量原子、分子以相当强的相互作用凝聚结合而形成的固体、液体、液晶形态的物质的物理性质与运动规律，所研究的对象可以是金属、半导体、超导体、超液体、准晶体、电介质、 磁性物质等等，是物理学中内容最丰富，应用最广泛的一门分支学科，也是当今物理学最活跃的领域。凝聚态物理在本世纪取得了巨大的成功，发展迅速。从诺贝尔物理奖的情况看，从
1948-1967年的20次奖中，凝聚态物理方面的奖只有两次，而从1968年至1987年的20次奖中，凝聚态物理方面得奖有8.5次，占了三分之一强。凝聚态物理与高新技术产业的联系十分密切。如果没有由肖克莱(Shockley,W.)，巴丁
(Bardeen)和布喇顿(Brattain, W. H.)发现的晶体管效应，就没有当代的微电子工业和计算机产业。而由巴丁，库珀（Cooper,l.N.）和旋里费（Schriger）建立的超导理论和高温氧化物超导体的发现都有具有划时代的意义。
凝聚态物理的特点是：最富有创新性，研究内容极其广泛；基础研究与应用研究的界限越来越难以划分；研究前沿发展很快，此起彼伏，它将更使人感到眼花缭乱。它的发展的大趋势是将不断地开拓出新的领域，制备出新的材料、发现令人意想不到的新现象。在物理学和化学以及生物学和化学以及生物学的结合和交叉方面，毫无疑问，凝聚态物理将起到先导的作用。凝聚态物理的前沿领域中主要包括：超导电性物理、晶体学（新型功能晶体和晶体结构分析）、磁学、表面物理（表面和界面物理及材料）、固态发光物理、液态物理、生命科学中的物理问题、极端条件下物理等研究领域。其中，低维（二维、一维和零维体系）凝聚态物理：人工超结构中的物理问题、纳米材料和纳米体系物理、低维半导体量子系统和介观系统物理、低维系统的磁性等，反应了体系中受限电子态和相干电子态的性质，它具有与三维体系不同的行为。特别是，当电子波函数的相干波长与体系的特征波长可比时更表现出全新的物理效应和规律。这是凝聚态物理的重要发展前沿之一。凝聚态物理的另一重要发展前沿是以发现新的有序相和有序相的寻对称破缺以及这些新相所具有的新的物理性能为主要目标的研究：高温超导电性和超导物理研究、新功能晶体材料的探索和材料设计专家系统的研究、稀土——过渡族化合物磁性、表面物理（原子水平的界面生长，界面反应及界成材料）等是主要的研究内容，这也是凝聚态物理中最具有活力的领域。
液态物理，特别是复杂液体物理在揭示液体微观结构与性质的关系，固-液转变和固-液界面反应的机理上有重大的发展前景。
极端条件下（极低温、强磁场、超高压）物理也会得到迅速的发展。
在高温超导电性分支学科领域内，目前氧化物高温体的超导机制不清楚，迄今仍无任何定论，这无疑是对现在已有的固体理论的严重挑战。高温超导机制的问题不仅涉及到固体理论的最基本的框架，而且可能在对复杂多体系统的最基本的物理图像认识上产生根本的影响；另外，室温超导体仍然没有发现，而发现室温超导体一直是人类多年的追求；在高温超导体中所包含的丰富的、特有的物理现象如磁通点阵动力学和磁通钉扎等问题也是极待解决的。在高温超导体实用化中的物理问题上，国内外都做出了高水平超导薄膜，得到高Tc薄膜的临界电流密度jc超过去10^10安/米2^，用这些优质薄膜做成弱电器件，如SQUID、各种微波探测器、参量放大器、红外探测器等等已无问题。在强电应用中，目前，能获得的线材jc一般在10^8安/米2^量级，离实用还差一到两个量级，这不仅是工艺问题，还涉及到许多基础研究内容。例如，jc和钉扎机制就是一个待解决的问题，因此，寻找室温超导体、超导机制的研究、jc和钉扎的研究，弱电器件实用化的研究是今后若干年发展的趋势。
在晶体学分支学科领域中，晶体学研究的成果将继续为各种材料和器件的发展奠定基础，以至开拓出新的技术和工业，导致重要的技术革新和突破。例如无位错硅单晶生长技术的突破，给半导体器件的大发展奠定了基础，形成目前超大规模集成技术。随着大量晶体应用于高技术领域以及结构分析方法和理论的发展，给晶体学赋予新的内容，提出新的课题。
向各高技术领域和产业部门提供各种优异性能的晶体是晶体生长的主要任务，一方面对已经比较成熟的非线性光学晶体、光折变晶体、激光基质晶体等应做好应用开发研究；另一方面，探索具有应用价值的新型功能晶体，以及研究具
有特殊性质的单晶材料的晶体生长方法和技术，从而为高技术领域提供高质量的单晶体。晶体结构分析是研究凝聚态物质的结构与性质关系的重要手段，是晶体学研究的另一个重要领域。随着晶体品种的俱增和晶体结构分析技术的快速发展，晶体结构的研究已从简单结构到复杂结构，从三维材料到低维材料，从宏观尺度到原子级尺度。从头计算法(Ab initio)多晶材料晶体结构分析方法是一个长期被关注的研究内容。人工结构低维材料(包括半导体材料、磁性材料和超导材料等)给予晶体结构分析从三维结构到低维结构新的内容。
低维半导体量子系统和介观系统物理是近年来在微电子技术，低维物理学等基础上发展起来的新兴学科。在介观体系中（量子阱、量子线、量子点列阵组成的纳米结构）电子波函数的相干长度与体系的特征尺寸相当。这时电子不再能被看成处在外场中运动的经典粒子，电子的波动性在输运过程中得到充分的展现。它导致了在实验上观察到的普适电导涨落、非局域性电导、量子点接触中的弹道输运、阿哈阿诺夫-博姆(Aharanov-Bohm)振荡、相干集束、电子运动路经的弯折和聚焦和四端结构的负阻等量子效应。上述种种物理特性说明介观系统物理的研究已突破了经典固体物理学中有关输运过程的若干观念和规律。它可以在正常态金属和半导体中实现了宏观量子效应，使得人们必须重新研究这一体系中的物理过程。
介观系统中新表现出的独有的量子效应指出了以传统的观念、原理为基础的大规模或超大规模集成电路进一步微细化的物理极限。同时，在介观系统中新出现的量子效应，可能成为新一代技术的生长点。
目前介观系统物理的内容已超出原来单一的量子输运、光电性质的范围。材料的范围也涉及到半导体、金属、超导体、铁电体、铁磁体、氧化物陶瓷。作为联结宏观世界与微观世界的过渡区域，在许多领域中都已形成新学科和新技术的生长点，如：微腔物理，介孔和量子液体中的传输、凝固、相变，纳米工程中的力学问题，纳米生物学中的物理问题等等。
磁性研究在凝聚态物理发展中起着关键作用。一方面，对凝聚态物质电磁性质的认识历来是个根本问题，各种磁性经典及量子系统的研究推动了统计物理的进展及现代相变理论的建立。作为高温超导机制出发点的强关联电子系统、重费米子系统等无不得益于磁性物理学。另一方面，对铁磁、反铁磁、亚铁磁等基本磁性的研究，导致大量新型应用磁性材料的诞生，如铁氧体、非晶态磁性玻璃、永磁材料——钕铁硼等。近20年来，国际上凝聚态物理学诺贝尔奖得主中，法国奈尔、英国莫特、美国范弗列克、安特森、威尔逊等的研究工作都直接涉及磁性物理学领域。
高温超导的发现加强了超导性、磁性两学科的特殊关系。除了量子反铁磁体、强关联电子系统等基础问题外，还出现了含磁性元素的具有较高临界温度的超导体。对于凝聚态物理基础研究有很大冲击。1998年，发现磁性金属多层膜中的电阻变化率高达50%，称巨磁电阻效应。这样继半导体超晶格之后又一重要人工超晶格系统，目前倍受国际物理界重视。
纳米材料和纳米体系物理是凝聚态物理引人注目的研究对象，纳米材料问世仅有几年的历史，然而纳米材料科学所取得的创造性成果已使人令人信服地认为这一前沿领域的发展前景方兴未艾。人们现在可以获得尺寸可控，重复可靠的试
样，探索了一些奇特物理现象，发现了一些普适的规律，为开展纳米材料体系物理研究提供了基本条件。当前，纳米材料的研究已在世界普遍开展起来。
表面物理是研究材料表面的物理和化学性质，即它的成分、结构、电子态、声子态以及它与外界的相互作用的规律。薄膜、多层膜以及超晶格膜以及纳米微颗粒等在现代科学技术中有重要和广泛的应用，它们是表面物理研究的主要对象。利用各种表面技术研究一些重要的薄膜或难长薄膜的生长和控制；多层膜和超晶格的生长和界面反应以及多层膜中界面效应和耦合；功能结构梯度薄膜的生长和功能等是十分重要的研究内容。
从原子水平上研究材料表面和界面所得到的物理规律和它和一些技术能在生长系统中原位观测薄膜、多层膜、超晶格膜以及结构梯度膜的生长全过程和伴随着的原子结构，电子结构和它的分布变化的全过程，它是研究薄膜生长、界面形成、界面效应及界面物理的极其有力手段。现在世界各国的科学家都看到了这一点，都在努力把表面知识和技术与各种膜的生长、界面形成及界面效应的研究相结合。
低维体系和生命物质中发光物理，近十多年来不断得到发展和开拓。其发展趋势之一是从三维向低维体系转化。同时，发光学与其他学科交叉领域的发展也十分迅速，如发光学与光电子学、农业以及生命科学等交叉，它包括：宽禁带II-VI族半导体量子阱蓝绿色激光器和光双稳态、多孔硅发光、固体中单个粒子的荧光探测、有机聚合物的电致发光和生命物质中和发光。
液态作为物质存在的一种基本形态，与固态、气态相比，液态具有特殊的结构、性质和变化规律。液态物理是凝聚态物理的重要组成部分，其对象广泛，内容丰富的程度可与固体物理相比。
液态物理的研究，对于简单液体，主要是研究重微观结构、动力学行为和性质，了解其变化规律，从而加深对液体这一基本物态的认识。同时更深入地理解-固转变、材料制备、晶体生长、矿物形成等的机理。在很多固体材料制备中，物相的形成、缺陷、杂质的产生、性质的改变等也与液相的状态有关。许多化学反应、生命过程也是与液体输运性质密切相关的。关于液-固界面及其相互作用也是极为重要的问题。
关于复杂液体的研究，它们某些特别的结构和特性，引起了广泛的关注。一些悬浮液（或混合液）中，液体和固体颗粒的相互作用及在外场下引起的奇特变化有重大的应用前景。磁流体在磁场中形成的自组织行为已有了较好了解并有了重要应用。电流变液（electrorheolo_gical fluid）简称ER液体，则在电场作用下可以发生“液-固”转变，这种效应在电控机械传动、减震等许多技术领域有广泛应用前景。
在极低温、强磁场和超高压条件下的物理研究，形成了凝聚态物理学中独立的分支学科，极低温物理就是其中典型的例子。强磁场、超高压物理除了有各自的特点外，也常常与极低温结合在一起，在凝聚态物理中形成独特的重要领域。强磁场能有效地改变物质内部的磁结构和电子结构，对物质的性质产生很大影响，而成为现代凝聚态物理研究不可缺少的重要手段。高压可以改变物理中原子、电子结构及相互作用，是改变物性和构成新物质的重要手段，因些它也是凝聚态
物理中一门重要学科。以研究相变和状态方程、高压下的物性、合成新材料以及超高压技术为内容。
当今凝聚态物理基础研究的许多重大热点问题都离不开在极端条件下的研究，甚至很多是以极端条件下的研究作为基础，例如：高温超导的机理问题、新材料的探索、量子霍耳效应研究、介观体系物理问题、纳米体系物理问题、金属费米面研究、金属氢的问题等等。
除此之外，在发展极端条件中产生的各种高技术（如高压技术、低温制冷技术、低温支撑技术、超高真空技术、超导技术、磁体技术、高频核磁共振技术等）不但对科研工作超着重要作用，而且还会对国民以经济的发展起到重要的推动作用，有着良好的应用前景。
三、等离子体物理的前沿领域
等离子体是由大量带电粒子组成的宏观体系，是物质存在的第四种状态（固、液、气、等离子体）。在宇宙中99%以上的物质以等离子体形式存在。由于带电粒子的运动与电磁场直接耦合，并通过电磁场与其他粒子相互作用，等离子体的运动特征及规律远较其他物质存在形态为复杂。在很多情况下，等离子体的产生与维持也十分困难。因此等离子体物理是物理学科中的一个新的分支学科，它和新技术的发展是密切相关的。
虽然在20年代就已形成了等离子体物理的某些基本概念，但只是在50年代由受控热核聚变研究及人造地球卫星上天的推动，等离子体物理才形成了现代的面貌，有了可靠的实验基础。到70年代，人们对等离子体丰富的集体运动和
极强的非线性行为有比较深刻的认识。由于等离子体存在的参数范围异常宽广，其运动形态受外界条件强烈影响，等离子体物理研究不能脱开具体的研究对象。
今天，等离子体物理研究已成为人类认识宇宙的重要基础，成为认识和控制地球环境变化的重要保证，是人类在未来最终解决能源的希望，它还开辟了很多新技术与新应用的发展前景。等离子体物理愈来愈受到重视。
等离子体物理大体可分为下列几个领域：
A． 热核聚变等离子体物理
它以实现可控热核聚变为目的的高温等离子体仍为世界范围内的研究热点。2004年，国际合作的实验聚变堆ITER将建成并实现连续氘氚运转；预计演示型的聚变堆和商用聚变堆将分别于2025和2040年建成。然而，等离子体物理的研究并不因受控聚变科学可行性的验证以及聚变堆的将建成而有所减弱。必须优先加以研究的物理课题有：堆条件下的等离子体物理问题，特别是聚变产物高能α粒子的作用问题；装置连续运转（非感应电流驱动）和半连续运转（交流运行）问题；涉及L-H模转换的反常输运问题；决定第一壁选择的等离子体和壁的相互作用问题。此外，随着托卡马克型变堆的建成，及其不足点逐步被认识，有可能对其结构作较大的改变，如完全取消欧姆加热变压器。对托卡马克以外的途径，特别是仿星器和紧凑环，也将受到更大的重视。
作为另一受控聚变途径的惯性聚变，主要是激光聚变，由于可作为强X射线源和中子源，以至在X射线激光方面的应用，也将得到很快的发展。惯性聚变的实验堆也会在下一世纪建成。
B．空间等离子体物理
鉴于空间科学和技术在未来数十年的飞速发展，重大工程项目，如在月球上的移民、采矿，空间研究基地、空间太阳能电站建设，以及大规模气象工程的实施，空间等离子体子体物理的研究范围也将进一步拓展，对一些重要的过程的理解将进一步深化，这些理解对于日地关系、宇宙飞行器环境、气象预报等问题的解决是非常重要的。行星磁层物理也将有较大进展。我国应注意在开展空间技术的同时，建立相应的空间等离子体观测手段，并积极开展主动实验。
当今世界十大物理难题
2010-07-06 15:36:51
【美国《纽约时报》2008年8月15日文章】题：需要两千年思考的十大物理学
问题(作者 乔治·约翰逊)
100年前，德因数学家戴维·希尔伯特在巴黎的国际数学家大会上以一
番发人深省的话语开始了他划时代的讲话。他在讲话中罗列了当时尚未解决 的23个重大难题。希尔伯特宣称：“—个伟大时代的结束，不仅要求我们回 首过去，而且还引导我们回首对未知的将来进行深思。”随着又一个世纪— —实际上是整整一个千年纪元——的结束，有一种要求显得比以往任何时候 更为紧迫，那就是通过罗列最引人入胜的宇宙之谜来显示人类的无知。 今年5月，马萨诸塞州剑桥的克莱数学学会仿效希尔伯特，在巴黎宣布 了7道“千年大奖难题”，每道题悬赏100万美元征求解答。
无独有偶，上月，存圣巴巴拉加州大学，物理学家们像通常那样不事张
扬地结束了一次有关超弦理论的会议。他们的最后一次讨论题为“干年疯狂”， 议程是挑选出他们领域中10个最匪夷所思的问题。这就像是一场由科学界最 聪明的一批人参加的荒岛游戏。
圣巴巴拉加州大学的理论物理学家戴维·格罗斯在公布选出的问题时
说：“我是这样考虑的：如果我从现在起昏迷100年，当我醒来时，我会问 什么问题。”
在剔除一些大法问答的问题(例如“怎样获得终身职位?”)后，评委们
列出了足够让物理学家忙上100年的难题。尽管没有任何悬赏，不过，解决 下列问题中的任何一个差不多都能保证获得诺贝尔奖。
1．表达物理世界特征的所有(可测量的)无量纲参数原则上是否都可以推算， 或者是否存在一些仅仅取决于历吏或量子力学偶发事件，因而也是无法推算 的参数?
爱因斯坦的表述更为清楚：上帝在创造宇宙时是否有选择?想象上帝坐 在控制台前，准备引发宇宙大爆炸。“我该把光速定在多少?”“我该让这 种名叫电子的小点带多少电荷?”“我该把普朗克常数——即决定量子大小 的参数——的数值定在多大?”他是不是为了赶时间而胡乱抓来几个数字?抑 或这些数值必须如此，因为其中深藏着某种逻辑?
2．量子引力如何帮助解释宇宙起源?
现代物理学的两大理论是标准模型和广义相对论。前者利用量子力学来
描述亚原子粒子以及它们所服从的作用力，而后者是有关引力的理沦。很久
以来，物理学家希望合二为一，得到一种“万物至理”——即量子引力论， 以便更深入地了解宇宙，包括宇宙是如何随着大爆炸自然地诞生的。实现这 种融合的首要候选理论是超弦理论，或者叫 M理论——这是其名称的最新 “升级版”，M代表“魔法”( magic)、“神秘”( mystery)或“所有理论
之母”( mother of alltheories)。
3．质子的寿命有多长，如何来理解?
以前人们认为质子与中子不同，它永远不会分裂成更小的颗粒。这曾
被当成真理。然而在70年代，理论物理学家认识到，他们提出的各种可能 成为“大一统理论”——该理论把除引力外的所有作用力汇于一炉——的 理论暗示：质子必须是不稳定的。只要有足够长的时间，在极其偶然的情 况下，质子是会分裂的。
况下，质子是会分裂的。
办法是捕捉到正在死去的质子。许多年来，实验人员一直在地下实验
空中密切注视大型的水槽，等待着原子内部质子的死去。但迄今未止质子 的死亡率是零，这意味着要么质子十分稳定，要么它们的寿命很长——估 计在10亿亿亿亿年以上。
4．自然界是超对称的吗？如果是，超对称性是如何破灭的?
许多物理学家认为，把包括引力在内的所有作用力统一成为单一的理
论要求证明两种差异极大的粒子实际上存在密切的关系，这种关系就是所 谓的超对称现象。
第一种粒子是费密子，可以把它们粗略地说成是物质的基本组件，就
像质子、电子和中子一样。它们聚集在一起组成物质。另一种粒子是玻色 子，它们是传递作用力的粒子，类似于传递光的光子。在超对称的条件下， 每一个费密子都有一个与之对应的玻色子，反之亦然。
物理学家有杜撰古怪名字的冲动，他们把所谓的超级对称粒子称为
“Sparticle”。但由于在自然界中还没有观察到5particle，物理学家
还需要解释这种对称性“破灭”的原因：随着宇宙冷却并凝结成现在的这 种不对称状态，在其诞生之际所存在的数学上的完美被打破了。
5．为什么宇宙表现为一个时间维数和三个空间维数?
这只是因为还没有想到一个可以接受的答案，只是因为除了上下、左
右、前后，人们无法想像在更多的方向上运动。这并不意味着宇宙原本就 是这样的。实际上，根据超弦理论，肯定还存存着另外六个维数，每一维 都呈卷曲状，十分微小，因而无法察觉。如果这一理论是正确的，那么为 什么只有这三个维数是伸展开来的，留给我们这个相对幽闭恐怖的空间呢?
6．为什么宇宙常数有它自身的数值?它是否为零，是否真正恒定?
直到最近，宇宙学家仍然认为宇宙是以一个稳定的速度在膨胀。但最
近的观察发现，宇宙可能膨胀得越来越快。人们用一个叫宇宙常数的数字 来描述这种轻微的加速。这个常数是否如人们早期所认为的是零，或者是 一个非常小的数值，物理学家现在还无法做出解释。
根据一些基本计算，这个常数 应该很大——是我们观测结果的大约
10到122倍。换句话说，宇宙应该以跳跃般的速度在膨胀。而实际情况并 非如此，肯定有什么机制在压制这种作用。如果宇宙真是超对称性的，那 宇宙常数就该被完全抵消掉。但这种对称性——如果确实存在的话——看 来已经破灭。如果这个常数随时间的变化而变化的话，那情况就更加复杂 了。
7．M理论的基本自由度( M理论的低能极限是 ll维的超引力，它包含5种 相容的超弦理论)是多少?这一理论是否真实地描述了自然?
多年来，超弦理论最大的弱点是它有5个不同的版本。到底哪一个——
如果有的话——描述了宇宙?反对这一理论的人最近已经接受了被称为 M理 论的最主要的 l l维理论框架。但情况却因此变得更加复杂。
在 M里论前，所有的亚原子粒子都被说成是由微小的超弦组成的。M理 论给组成亚原子的物质增加了一种叫做“膜”(brane)的更为神秘的物质，
它就像生理学上的膜一样，但最多有9个维数度。现在的问题是，什么是更 基本的物质组成单位，是膜组成了弦还是刚好相反?或者另外存在着一些更 基本的物质单位，只是人们没有想到罢了?最后，这两种东西中是否有一种 确实存在，或者 M理论仅仅是一种迷人的大脑游戏?
8，黑洞信息悖论的解决方法是什么?
根据量子理论，信息——无沦它描述的是粒子运动的速度还是油墨颗 粒组成文件的确切方式——是不会从宇宙中消失的。但物理学家基普·索 恩、约翰·普雷希尔和斯蒂芬·霍金却提出了一个固定的假设：如果你把
一本大不列颠百科全书扔进黑洞中去，将会发生什么事?宇宙中是否有其他 同样的百科全书是无关紧要的。正如物理学中所定义的，信息并不等同于 含义，信息仅指二进制的数字，或是一些其他的代码，它被用来精确地描 述一个物体或一种方式。所以看起来那些特定的书本里的信息将被吞没， 并永远地消失。但人们觉得这是不可能的。
霍金博士和索恩博士相信那些信息确实消失了，而量子力学必须对此
作出解释。普雷希尔博士推测信息其实并没有消失；它也许以某种形式显 示于黑洞的表面，如同在一个宇宙中的银幕上。
9．何种物理学能够解释基本粒子的重力与其典型质量之间的巨大差距? 换言之，为什么重力比其他的作用力(如电磁力)要弱得多?一块磁铁 能够吸起一个回形针，即使整个地球的引力在把它往下拉。
根据最近的一种说法，重力实际上要大得多。它仅仅是看上去比较弱
而已，因为大部分重力陷入了某一个额外的维数度之中。如果我们可以用 高能粒子加速器俘获全部的重力，也许就有可能制造出微型黑洞。虽然这 看上去会引起固体垃圾处理业的兴趣，但这些黑洞很可能刚一形成就消失 了。
10，我们能否定量地理解量子色动力学中的夸克和胶子约束以及质量差距 的存在?
量子色动力学( QCD)是描述强核子力的理论。这种力由胶子携带，它
把夸克结合成质子和中子这样的粒子。根据量子色动力学理论，这些微小
的亚粒子永远受到约束。你无法把一个夸克或脑子从质子中分离出来，因 为距离越远，这种强作用力就越大，从而迅速地把它们拉回原位。
但物理学家还没有最终证明夸克和胶子永远 不能逃脱约束。他们也不 能解释为什么所有能感受强作用力的粒子必须至少有一丁点儿的质量，为
什么它们的质量不能为零。一些人希望 M理论能提供答案，这一理论也许 还能进一步阐明重力的本质。
最新物理学动态
当今科学研究中三个突出的基本问题是：宇宙构成、物质结构及生命的本质和维持，所对应的现代新技术革命的八大学科分别是：能源、信息、材料、微光、微电子技术、海洋科学、空间技术和计算机技术等。物理学在这些问题的解决和学科中占有首要的地位。
我们可以从物理学最前沿的八大难题来了解最新的物理学动态。
难题一：什么是暗能量
宇宙学最近的两个发现证实，普通物质和暗物质远不足以解释宇宙的结构。还有第三种成分，它不是物质而是某种形式的暗能量。
这种神秘成分存在的一个证据，来源于对宇宙构造的测量。爱因斯坦认为，所有物质都会改变它周围时空的形状。因此，宇宙的总体形状由其中的总质量和能量决定。最近科学家对大爆炸剩余能量的研究显示，宇宙有着最为简单的形状——是扁平的。这又反过来揭示了宇宙的总质量密度。但天文学家在将所有暗物质和普通物质的可能来源加起来之后发现，宇宙的质量密度仍少了2／3之多！
难题二：什么是暗物质
我们能找到的普通物质仅占整个宇宙的4％，远远少于宇宙的总物质的含量。这得到了各种测算方法的证实，并且也证实宇宙的大部分是不可见的。
最有可能的暗物质成分是中微子或其他两种粒子： neutralino和axions（轴子），但这仅是物理学的理论推测，并未探测到，据说是没有较为有效的测量方法。又这三种粒子都不带电，因此无法吸收或反射光，但其性质稳定，所以能从创世大爆炸后的最初阶段幸存下来。如果找到它们的话，很可能让我们真正的认识宇宙的各种情况。
难题三：中微子有质量
不久前，物理学家还认为中微子没有质量，但最近的进展表明，这些粒子可能也有些许质量。任何这方面的证据也可以作为理论依据，找出4种自然力量中的3种——电磁、强力和弱力——的共性。即使很小的重量也可以叠加，因为大爆炸留下了大量的中微子，最新实验还证明它具有超过光速的性质。
难题四：从铁到铀的重元素如何形成
暗物质和可能的暗能量都生成于宇宙初始时期——氢、锂等轻元素形成的时候。较重的元素后来形成于星体内部，核反应使质子和中子结合生成新的原子核。比如说，四个氢核通过一系列反应聚变成一个氢核。这就是太阳发生的情况，它提供了地球需要的热量。当然也还有其它的种种核反应。
当核聚变产生比铁重的元素时，就需要大量的中子。因此，天文学家认为，较重的原子形成于超新星爆炸过程中，有大量现成的中子，尽管其成因还不很清楚。另外，最近一些科学家已确定，至少一些最重的元素；如金、铅等，是形成于更强的爆炸中。还有一点需要确定，即当两颗中子星相撞还会塌陷成为黑洞。
难题五：超高能粒子从哪里来
太空中能量最大的粒子，其中包括中微子、Y射线光子和其他各种形式的亚原子榴征弹都称作字宙射线。它们无时无刻不在射向地球；当你读这篇文章的时候，可能就有几个在穿过你的身体。宇宙射线的能量如此之大，以至于它们必须是在大灾变造成的宇宙加速活动中才能产生。科学家估计的来源是：创世大爆炸本身、超新星撞成黑洞产生的冲击波，以及被吸人星系中央巨大黑洞时的加速物质等等。了解了这些粒子的来源以及它们如何得到如此巨大的能量，将有助于研究这些物体的具体的活动情况。
难题六：超高温度和密度之下是否有新的物质形态
在能量极大的情况下，物质经历一系列的变化，原子分裂成其最小的组成部分。这些部分就是基本的粒子，即夸克和轻子，据目前所知它们不能再分成更小的部分。夸克的性质是极其活跃，在自然状态下是无法单独存在。它们会与其他夸克组成光子和中子，两者再与轻子结合就形成了整个原子。
这都是现有科学可以推测的，但当温度和密度上升到地球上的几十亿倍时，原子的基本成分很可能会完全分离开来。形成夸克等离子体和将夸克聚合在一起的能量。物理学家正尝试在长岛的一台粒子对撞机中创造物质的这种形态，即一种夸克一胶子等离子体。在远远超过这些科学家在实验室中所能创造出的更高温度和压力之下，等离子体可能变成一种新的物质或能量形式。这种阶段性变化可能揭示自然界的新力量。
要使这些力量结合起来，就必须要有一种新的超大粒子——规范玻色子，如果它存在的话，就可以使夸克转变为其他粒子，从而使每个原子中心的光子衰变。假如物理学家证明光子能够衰变，那么这一发现就会证明有新力量的存在。
难题七：光子是不稳定的吗？
如果你担心组成你的光子会分解蜕变，将你变成一堆基本粒子和自由能量，那大可不必为此着急。各种观察和试验表明，光子的稳定时间至少在10的33次方年。然而，许多物理学家认为，如果这三种原子力确实是单个统一场的不同表现形式，前文所说的神秘变化的超大玻色子就会不时从夸克中演化出来，使夸克及其组成的光子衰退。
如果一开始你认为这些物理学家脑子出了毛病，那也是情有可原的，因为按理说微小的夸克不可能生成比它重这么巨大倍数的玻色子。但根据海森伯的测不准原理，我们不可能同时知道一个粒子的动量和位置，这就间接使这样一个大胆命题可以成立。因此，一个巨大的玻色子在一个夸克中生成，在很短时间内形成一个光子并使光子衰变是可能的。
难题八：有几维空间
对重力真正性质的研究也会带来这样的疑问：空间是否仅仅限于我们能轻易观察到的四维呢？
这就将我们引向了一些线性理论学家对重力的解释，其中就包括其他维的空间。开始的宇宙线性理论模型将重力和其他三种力在复杂的11维宇宙中结合起来。在那个字宙——也就是我们宇宙中——其中的7维隐藏在超乎想像的微小空间中，以至于我们无法觉察到。弄懂这些多维空间的一个办法是，想像一个蛛网的一根丝。用肉眼来看，这根细丝只是一维的，但在高倍放大镜下，它就分解成了一个有相当宽度、广度和深度的物体。线性理论学家说，我们之所以看不见其他维的空间，只是因为缺少能将它们分解的精密仪器。
物理学发展的前沿领域有：
一、核物理和高能物理的前沿领域
1核物理
作为自然科学基础性研究最重要的基础分支学科之一，原子核物理学研究在近年来继续获得极为迅速的发展。随着加速器技术和核探测技术的巨大进步，原子核物理学在新的自由度和新的层次上不断取得令人瞩目的成果，充分显示出原子核物理学科研究的活力和重要意义。前沿领域：
(1)核子（特别是夸克）的自由度
对原子核研究的深入研究表明，把核看成只是核子组成的系统是不够的，随着实验的进展，介子、共振态等非核子自由度相继被揭示出来。近来高能物理的进展显示，所有这些粒子都是由夸克与胶子共同构成的，它们的相互作用遵从量
子色动力学（QCD）的规律。这个的引入，对核物理的发展产生了非常强大的推动作用。非核子——特别是夸克自由度的研究将是今后研究的一个重要方向。其实验进展取决于优良性能的加速器与探测器，如各种介子工厂与高占空比的高能强流电子加速器等等……
(2)能量（或温度，或密度）的自由度
近十多年来中、高能重离子加速器的建造，使原子核物理研究能够从低入射能和低激发能条件下进行的核反应机制和核结构的研究，扩展到更高入射能（所谓中、高能乃至相对论能区）、更高激发能、更高核温度区域。随着能量、温度和密度的增高，高温核的形成和衰变，原子核巨共振，液汽相变，介质效应等研究获得了出色成果。对核物质状态方程的研究在理论和实验上通过对多重碎裂、 集体流、阈下介子发射等方面的研究取得了初步进展。更高能量的重离子对撞机将有可能提供足够高的温度与密度以研究极端状态下核的状态方程，特别是探索夸克理论预言的新的物质形态：夸克-胶子等离子体（QGP）。原子核物理沿能量自由度的研究正孕育着新的突破。
(3)质子-中子比自由度——远离稳定线核素合成和研究
对远离稳定线的丰中子核或丰质子核（原子核的质子-中子比处于极端条件下）的研究，发现一些全新的物理现象，如新的壳模型幻数、新的衰变方式（与极大的QB值相联系的β缓发1-4个中子，β缓发1-4个质子，β缓发α粒子和β缓发裂变，以及直接质子或重离子发射等），核形状、大小、电磁矩的变化，新的形变区等。这些研究不但对检验和发展原子核理论模型、而且对天体物理的
研究起重要作用。近年来，轻质量极丰中子核11^Li中子晕及之相联系的新集体运动模式的发现和研究，丰中子核中中子皮和丰质子核中质子皮的研究，极丰中子核10^He的观测，Z=N双幻核100^Sn的合成以及与天体物理学密切相关的一批远离核的研究被认为是原子核物理在质子-中子比自由度上取得的最重要的进展。理论上预期有大约8000种核素，迄今只发现了约2700种，其中约2200种为远离稳定线的核素。远离稳定线的新核素，特别是滴线核，以及超重核、奇特核的合成和研究，是今后重要的发展方向。实验在上要求强的次级放射性核束流。
(4)角动量自由度
重离子与重元素的核反应可以形成很高角动量的复合核，这是近十多年来获得迅速发展的一个领域。对原子核高自旋超形变转动带的发现和研究，特别是高自旋超形变带的布居机制，组态结构，转动惯量、退激方式和电磁跃迁性质等研究是核结构领域最为重要的成就。对关联，中子质子相互作用的研究，超形变核结构的研究等，是高自旋核结构研究前沿，具有重要意义。
(5)高精密度的核物理实验
高能物理学和一些基本性问题也反映在核物理中，如标准模型、中微子质量、轻子数守恒、核内的宇称破坏等方面的研究。这些研究都要求进行极高精度的核物理实验，虽然这些实验有时看起来是“传统性”的，如核衰变谱。在这方面的研究也反映了核物理与高能物理、天体物理等学科的交叉和相互促进。
2. 高能物理
高能物理研究的主要内容是粒子的种类、性质、它们之间的相互作用力以及它们是由什么构成及是如何构成的、粒子层次和组成它们的更基本的组元层次的新现象和新规律。由于高能加速器的建造，近40年来这门学科得到极大的发展，它的进展对认识原子核和宇宙的起源与进化也有了较为深刻的影响。当今关于它的前沿领域有：
(1)发展“标准模型”
已知微观世界里的力有强力、电磁力、弱力和引力等四种，已发现的微观粒子可以分成强子与轻子二类。强子是有着这四种力的粒子，轻子是有着强力之外三种力的粒子。迄今我们对粒子物理的认识可以由“标准模型”所归纳。在这个模型里，轻子是基本的，而强子是由更基本的组元——夸克构成的，组成微观世界的组元是三代轻子（υθ,θ）， （υμ,μ），（υτ,τ）和三代夸克(u，d),(c，s),(t，b)。电磁力与弱力由电-弱统-理论描述，传递电磁力是光子，传递弱力的是矢量玻色子。传递强力的是胶子，其规律由量子色动力学（QCD）描述。这三种力的来源是破缺的定域规范对称性，破缺是由希格斯（Higgs）粒子引起的。虽然希格斯粒子和υτ中微子尚未发现，但目前所有的实验结果都与标准模型符合。
“标准模型”并不完美，目前大部分人相信它是一个有效的唯象理论。仍存在很多基本问题有待解决。例如，在理论中的参数达20个之多，其中11个来自希格斯机制。这样的模型显然不能成为高能物理的基本理论。因此，深入检验标准模型，探索这些参数的来源并找寻向基本理论的发展，是今后重要的研究领域。
（2）粒子的质量起源与自发对称性破缺机制研究
这三代轻子和三代夸克的质量有着令人惊讶的巨大差异：中微子质量比几个电子伏特还小，而顶夸克质量为质子的180倍，与金原子核相近。虽然规范对称性要求光子、胶子和引力子的质量为零，但是它并不要求中微子的质量为零。希格斯粒子被引入标准模型以产生规范对称性的自发破缺，但是其质量与耦合强度的大小已超出标准模型的范畴。所有这些都是有待解决的研究前沿问题。
（3）新粒子和更深层次的粒子
实验上和理论上都不排除有更多的新粒子的存在，例如，磁单极子和其他较重的粒子。也没有任何的理由限定目前的粒子的组元只能有三代，新的代意味着新的种类的粒子，每一种新粒子的发现都会对粒子物理带来新的突破。不计反粒子，目前构成物质结构的最小基本组分是6种轻子，18种夸克以及传递电、弱、强相互作用的12种媒介子。虽然直至10-17厘米尺度尚未有夸克与轻子具有结构的迹象，但是面对这个不小的粒子数目，已经提出研究它们与希格斯粒子是否有结构并由更深层次粒子组成的问题。
（4）粒子相互作用力的深入了解
在粒子领域中对电磁力与弱力了解得较好，已经建立起一个统一的图像。对强作用力的了解次之，QCD至今未遇到严重的挑战，虽然人们对它的求解并不满意。建立这三种力的统一图像是很吸引人的，它将继续是今后研究的方向。至今引力在粒子的相互作用中可以忽略。但是在很高的能量下，引力将变得重要。它能否纳入目前量子场论的框架与能否和其他三种力有一个统一的图像，都是有待研究的重要问题。
（5）发展更高能量的基于及非基于加速器的实验装置
高能加速器是近年来发展粒子物理的最重要的实验装置，但随着能量的提高，目前建造费用已增加到非一个国家所能负担的程度，必须衡量发展本国科技的轻重缓急并走国际合作的道路。随着技术与探测手段的发展，在一些非基于加速器的装置上，如地下及高山的宇宙线实验装置、质子衰变探测器等，也做出重要的工作。总之，更高能量、更高精度与更高性能这三方面是今后实验设备的努力方向。
二、 凝聚态物理的前沿领域
凝聚态物理研究由大量原子、分子以相当强的相互作用凝聚结合而形成的固体、液体、液晶形态的物质的物理性质与运动规律，所研究的对象可以是金属、半导体、超导体、超液体、准晶体、电介质、 磁性物质等等，是物理学中内容最丰富，应用最广泛的一门分支学科，也是当今物理学最活跃的领域。凝聚态物理在本世纪取得了巨大的成功，发展迅速。从诺贝尔物理奖的情况看，从
1948-1967年的20次奖中，凝聚态物理方面的奖只有两次，而从1968年至1987年的20次奖中，凝聚态物理方面得奖有8.5次，占了三分之一强。凝聚态物理与高新技术产业的联系十分密切。如果没有由肖克莱(Shockley,W.)，巴丁
(Bardeen)和布喇顿(Brattain, W. H.)发现的晶体管效应，就没有当代的微电子工业和计算机产业。而由巴丁，库珀（Cooper,l.N.）和旋里费（Schriger）建立的超导理论和高温氧化物超导体的发现都有具有划时代的意义。
凝聚态物理的特点是：最富有创新性，研究内容极其广泛；基础研究与应用研究的界限越来越难以划分；研究前沿发展很快，此起彼伏，它将更使人感到眼花缭乱。它的发展的大趋势是将不断地开拓出新的领域，制备出新的材料、发现令人意想不到的新现象。在物理学和化学以及生物学和化学以及生物学的结合和交叉方面，毫无疑问，凝聚态物理将起到先导的作用。凝聚态物理的前沿领域中主要包括：超导电性物理、晶体学（新型功能晶体和晶体结构分析）、磁学、表面物理（表面和界面物理及材料）、固态发光物理、液态物理、生命科学中的物理问题、极端条件下物理等研究领域。其中，低维（二维、一维和零维体系）凝聚态物理：人工超结构中的物理问题、纳米材料和纳米体系物理、低维半导体量子系统和介观系统物理、低维系统的磁性等，反应了体系中受限电子态和相干电子态的性质，它具有与三维体系不同的行为。特别是，当电子波函数的相干波长与体系的特征波长可比时更表现出全新的物理效应和规律。这是凝聚态物理的重要发展前沿之一。凝聚态物理的另一重要发展前沿是以发现新的有序相和有序相的寻对称破缺以及这些新相所具有的新的物理性能为主要目标的研究：高温超导电性和超导物理研究、新功能晶体材料的探索和材料设计专家系统的研究、稀土——过渡族化合物磁性、表面物理（原子水平的界面生长，界面反应及界成材料）等是主要的研究内容，这也是凝聚态物理中最具有活力的领域。
液态物理，特别是复杂液体物理在揭示液体微观结构与性质的关系，固-液转变和固-液界面反应的机理上有重大的发展前景。
极端条件下（极低温、强磁场、超高压）物理也会得到迅速的发展。
在高温超导电性分支学科领域内，目前氧化物高温体的超导机制不清楚，迄今仍无任何定论，这无疑是对现在已有的固体理论的严重挑战。高温超导机制的问题不仅涉及到固体理论的最基本的框架，而且可能在对复杂多体系统的最基本的物理图像认识上产生根本的影响；另外，室温超导体仍然没有发现，而发现室温超导体一直是人类多年的追求；在高温超导体中所包含的丰富的、特有的物理现象如磁通点阵动力学和磁通钉扎等问题也是极待解决的。在高温超导体实用化中的物理问题上，国内外都做出了高水平超导薄膜，得到高Tc薄膜的临界电流密度jc超过去10^10安/米2^，用这些优质薄膜做成弱电器件，如SQUID、各种微波探测器、参量放大器、红外探测器等等已无问题。在强电应用中，目前，能获得的线材jc一般在10^8安/米2^量级，离实用还差一到两个量级，这不仅是工艺问题，还涉及到许多基础研究内容。例如，jc和钉扎机制就是一个待解决的问题，因此，寻找室温超导体、超导机制的研究、jc和钉扎的研究，弱电器件实用化的研究是今后若干年发展的趋势。
在晶体学分支学科领域中，晶体学研究的成果将继续为各种材料和器件的发展奠定基础，以至开拓出新的技术和工业，导致重要的技术革新和突破。例如无位错硅单晶生长技术的突破，给半导体器件的大发展奠定了基础，形成目前超大规模集成技术。随着大量晶体应用于高技术领域以及结构分析方法和理论的发展，给晶体学赋予新的内容，提出新的课题。
向各高技术领域和产业部门提供各种优异性能的晶体是晶体生长的主要任务，一方面对已经比较成熟的非线性光学晶体、光折变晶体、激光基质晶体等应做好应用开发研究；另一方面，探索具有应用价值的新型功能晶体，以及研究具
有特殊性质的单晶材料的晶体生长方法和技术，从而为高技术领域提供高质量的单晶体。晶体结构分析是研究凝聚态物质的结构与性质关系的重要手段，是晶体学研究的另一个重要领域。随着晶体品种的俱增和晶体结构分析技术的快速发展，晶体结构的研究已从简单结构到复杂结构，从三维材料到低维材料，从宏观尺度到原子级尺度。从头计算法(Ab initio)多晶材料晶体结构分析方法是一个长期被关注的研究内容。人工结构低维材料(包括半导体材料、磁性材料和超导材料等)给予晶体结构分析从三维结构到低维结构新的内容。
低维半导体量子系统和介观系统物理是近年来在微电子技术，低维物理学等基础上发展起来的新兴学科。在介观体系中（量子阱、量子线、量子点列阵组成的纳米结构）电子波函数的相干长度与体系的特征尺寸相当。这时电子不再能被看成处在外场中运动的经典粒子，电子的波动性在输运过程中得到充分的展现。它导致了在实验上观察到的普适电导涨落、非局域性电导、量子点接触中的弹道输运、阿哈阿诺夫-博姆(Aharanov-Bohm)振荡、相干集束、电子运动路经的弯折和聚焦和四端结构的负阻等量子效应。上述种种物理特性说明介观系统物理的研究已突破了经典固体物理学中有关输运过程的若干观念和规律。它可以在正常态金属和半导体中实现了宏观量子效应，使得人们必须重新研究这一体系中的物理过程。
介观系统中新表现出的独有的量子效应指出了以传统的观念、原理为基础的大规模或超大规模集成电路进一步微细化的物理极限。同时，在介观系统中新出现的量子效应，可能成为新一代技术的生长点。
目前介观系统物理的内容已超出原来单一的量子输运、光电性质的范围。材料的范围也涉及到半导体、金属、超导体、铁电体、铁磁体、氧化物陶瓷。作为联结宏观世界与微观世界的过渡区域，在许多领域中都已形成新学科和新技术的生长点，如：微腔物理，介孔和量子液体中的传输、凝固、相变，纳米工程中的力学问题，纳米生物学中的物理问题等等。
磁性研究在凝聚态物理发展中起着关键作用。一方面，对凝聚态物质电磁性质的认识历来是个根本问题，各种磁性经典及量子系统的研究推动了统计物理的进展及现代相变理论的建立。作为高温超导机制出发点的强关联电子系统、重费米子系统等无不得益于磁性物理学。另一方面，对铁磁、反铁磁、亚铁磁等基本磁性的研究，导致大量新型应用磁性材料的诞生，如铁氧体、非晶态磁性玻璃、永磁材料——钕铁硼等。近20年来，国际上凝聚态物理学诺贝尔奖得主中，法国奈尔、英国莫特、美国范弗列克、安特森、威尔逊等的研究工作都直接涉及磁性物理学领域。
高温超导的发现加强了超导性、磁性两学科的特殊关系。除了量子反铁磁体、强关联电子系统等基础问题外，还出现了含磁性元素的具有较高临界温度的超导体。对于凝聚态物理基础研究有很大冲击。1998年，发现磁性金属多层膜中的电阻变化率高达50%，称巨磁电阻效应。这样继半导体超晶格之后又一重要人工超晶格系统，目前倍受国际物理界重视。
纳米材料和纳米体系物理是凝聚态物理引人注目的研究对象，纳米材料问世仅有几年的历史，然而纳米材料科学所取得的创造性成果已使人令人信服地认为这一前沿领域的发展前景方兴未艾。人们现在可以获得尺寸可控，重复可靠的试
样，探索了一些奇特物理现象，发现了一些普适的规律，为开展纳米材料体系物理研究提供了基本条件。当前，纳米材料的研究已在世界普遍开展起来。
表面物理是研究材料表面的物理和化学性质，即它的成分、结构、电子态、声子态以及它与外界的相互作用的规律。薄膜、多层膜以及超晶格膜以及纳米微颗粒等在现代科学技术中有重要和广泛的应用，它们是表面物理研究的主要对象。利用各种表面技术研究一些重要的薄膜或难长薄膜的生长和控制；多层膜和超晶格的生长和界面反应以及多层膜中界面效应和耦合；功能结构梯度薄膜的生长和功能等是十分重要的研究内容。
从原子水平上研究材料表面和界面所得到的物理规律和它和一些技术能在生长系统中原位观测薄膜、多层膜、超晶格膜以及结构梯度膜的生长全过程和伴随着的原子结构，电子结构和它的分布变化的全过程，它是研究薄膜生长、界面形成、界面效应及界面物理的极其有力手段。现在世界各国的科学家都看到了这一点，都在努力把表面知识和技术与各种膜的生长、界面形成及界面效应的研究相结合。
低维体系和生命物质中发光物理，近十多年来不断得到发展和开拓。其发展趋势之一是从三维向低维体系转化。同时，发光学与其他学科交叉领域的发展也十分迅速，如发光学与光电子学、农业以及生命科学等交叉，它包括：宽禁带II-VI族半导体量子阱蓝绿色激光器和光双稳态、多孔硅发光、固体中单个粒子的荧光探测、有机聚合物的电致发光和生命物质中和发光。
液态作为物质存在的一种基本形态，与固态、气态相比，液态具有特殊的结构、性质和变化规律。液态物理是凝聚态物理的重要组成部分，其对象广泛，内容丰富的程度可与固体物理相比。
液态物理的研究，对于简单液体，主要是研究重微观结构、动力学行为和性质，了解其变化规律，从而加深对液体这一基本物态的认识。同时更深入地理解-固转变、材料制备、晶体生长、矿物形成等的机理。在很多固体材料制备中，物相的形成、缺陷、杂质的产生、性质的改变等也与液相的状态有关。许多化学反应、生命过程也是与液体输运性质密切相关的。关于液-固界面及其相互作用也是极为重要的问题。
关于复杂液体的研究，它们某些特别的结构和特性，引起了广泛的关注。一些悬浮液（或混合液）中，液体和固体颗粒的相互作用及在外场下引起的奇特变化有重大的应用前景。磁流体在磁场中形成的自组织行为已有了较好了解并有了重要应用。电流变液（electrorheolo_gical fluid）简称ER液体，则在电场作用下可以发生“液-固”转变，这种效应在电控机械传动、减震等许多技术领域有广泛应用前景。
在极低温、强磁场和超高压条件下的物理研究，形成了凝聚态物理学中独立的分支学科，极低温物理就是其中典型的例子。强磁场、超高压物理除了有各自的特点外，也常常与极低温结合在一起，在凝聚态物理中形成独特的重要领域。强磁场能有效地改变物质内部的磁结构和电子结构，对物质的性质产生很大影响，而成为现代凝聚态物理研究不可缺少的重要手段。高压可以改变物理中原子、电子结构及相互作用，是改变物性和构成新物质的重要手段，因些它也是凝聚态
物理中一门重要学科。以研究相变和状态方程、高压下的物性、合成新材料以及超高压技术为内容。
当今凝聚态物理基础研究的许多重大热点问题都离不开在极端条件下的研究，甚至很多是以极端条件下的研究作为基础，例如：高温超导的机理问题、新材料的探索、量子霍耳效应研究、介观体系物理问题、纳米体系物理问题、金属费米面研究、金属氢的问题等等。
除此之外，在发展极端条件中产生的各种高技术（如高压技术、低温制冷技术、低温支撑技术、超高真空技术、超导技术、磁体技术、高频核磁共振技术等）不但对科研工作超着重要作用，而且还会对国民以经济的发展起到重要的推动作用，有着良好的应用前景。
三、等离子体物理的前沿领域
等离子体是由大量带电粒子组成的宏观体系，是物质存在的第四种状态（固、液、气、等离子体）。在宇宙中99%以上的物质以等离子体形式存在。由于带电粒子的运动与电磁场直接耦合，并通过电磁场与其他粒子相互作用，等离子体的运动特征及规律远较其他物质存在形态为复杂。在很多情况下，等离子体的产生与维持也十分困难。因此等离子体物理是物理学科中的一个新的分支学科，它和新技术的发展是密切相关的。
虽然在20年代就已形成了等离子体物理的某些基本概念，但只是在50年代由受控热核聚变研究及人造地球卫星上天的推动，等离子体物理才形成了现代的面貌，有了可靠的实验基础。到70年代，人们对等离子体丰富的集体运动和
极强的非线性行为有比较深刻的认识。由于等离子体存在的参数范围异常宽广，其运动形态受外界条件强烈影响，等离子体物理研究不能脱开具体的研究对象。
今天，等离子体物理研究已成为人类认识宇宙的重要基础，成为认识和控制地球环境变化的重要保证，是人类在未来最终解决能源的希望，它还开辟了很多新技术与新应用的发展前景。等离子体物理愈来愈受到重视。
等离子体物理大体可分为下列几个领域：
A． 热核聚变等离子体物理
它以实现可控热核聚变为目的的高温等离子体仍为世界范围内的研究热点。2004年，国际合作的实验聚变堆ITER将建成并实现连续氘氚运转；预计演示型的聚变堆和商用聚变堆将分别于2025和2040年建成。然而，等离子体物理的研究并不因受控聚变科学可行性的验证以及聚变堆的将建成而有所减弱。必须优先加以研究的物理课题有：堆条件下的等离子体物理问题，特别是聚变产物高能α粒子的作用问题；装置连续运转（非感应电流驱动）和半连续运转（交流运行）问题；涉及L-H模转换的反常输运问题；决定第一壁选择的等离子体和壁的相互作用问题。此外，随着托卡马克型变堆的建成，及其不足点逐步被认识，有可能对其结构作较大的改变，如完全取消欧姆加热变压器。对托卡马克以外的途径，特别是仿星器和紧凑环，也将受到更大的重视。
作为另一受控聚变途径的惯性聚变，主要是激光聚变，由于可作为强X射线源和中子源，以至在X射线激光方面的应用，也将得到很快的发展。惯性聚变的实验堆也会在下一世纪建成。
B．空间等离子体物理
鉴于空间科学和技术在未来数十年的飞速发展，重大工程项目，如在月球上的移民、采矿，空间研究基地、空间太阳能电站建设，以及大规模气象工程的实施，空间等离子体子体物理的研究范围也将进一步拓展，对一些重要的过程的理解将进一步深化，这些理解对于日地关系、宇宙飞行器环境、气象预报等问题的解决是非常重要的。行星磁层物理也将有较大进展。我国应注意在开展空间技术的同时，建立相应的空间等离子体观测手段，并积极开展主动实验。
当今世界十大物理难题
2010-07-06 15:36:51
【美国《纽约时报》2008年8月15日文章】题：需要两千年思考的十大物理学
问题(作者 乔治·约翰逊)
100年前，德因数学家戴维·希尔伯特在巴黎的国际数学家大会上以一
番发人深省的话语开始了他划时代的讲话。他在讲话中罗列了当时尚未解决 的23个重大难题。希尔伯特宣称：“—个伟大时代的结束，不仅要求我们回 首过去，而且还引导我们回首对未知的将来进行深思。”随着又一个世纪— —实际上是整整一个千年纪元——的结束，有一种要求显得比以往任何时候 更为紧迫，那就是通过罗列最引人入胜的宇宙之谜来显示人类的无知。 今年5月，马萨诸塞州剑桥的克莱数学学会仿效希尔伯特，在巴黎宣布 了7道“千年大奖难题”，每道题悬赏100万美元征求解答。
无独有偶，上月，存圣巴巴拉加州大学，物理学家们像通常那样不事张
扬地结束了一次有关超弦理论的会议。他们的最后一次讨论题为“干年疯狂”， 议程是挑选出他们领域中10个最匪夷所思的问题。这就像是一场由科学界最 聪明的一批人参加的荒岛游戏。
圣巴巴拉加州大学的理论物理学家戴维·格罗斯在公布选出的问题时
说：“我是这样考虑的：如果我从现在起昏迷100年，当我醒来时，我会问 什么问题。”
在剔除一些大法问答的问题(例如“怎样获得终身职位?”)后，评委们
列出了足够让物理学家忙上100年的难题。尽管没有任何悬赏，不过，解决 下列问题中的任何一个差不多都能保证获得诺贝尔奖。
1．表达物理世界特征的所有(可测量的)无量纲参数原则上是否都可以推算， 或者是否存在一些仅仅取决于历吏或量子力学偶发事件，因而也是无法推算 的参数?
爱因斯坦的表述更为清楚：上帝在创造宇宙时是否有选择?想象上帝坐 在控制台前，准备引发宇宙大爆炸。“我该把光速定在多少?”“我该让这 种名叫电子的小点带多少电荷?”“我该把普朗克常数——即决定量子大小 的参数——的数值定在多大?”他是不是为了赶时间而胡乱抓来几个数字?抑 或这些数值必须如此，因为其中深藏着某种逻辑?
2．量子引力如何帮助解释宇宙起源?
现代物理学的两大理论是标准模型和广义相对论。前者利用量子力学来
描述亚原子粒子以及它们所服从的作用力，而后者是有关引力的理沦。很久
以来，物理学家希望合二为一，得到一种“万物至理”——即量子引力论， 以便更深入地了解宇宙，包括宇宙是如何随着大爆炸自然地诞生的。实现这 种融合的首要候选理论是超弦理论，或者叫 M理论——这是其名称的最新 “升级版”，M代表“魔法”( magic)、“神秘”( mystery)或“所有理论
之母”( mother of alltheories)。
3．质子的寿命有多长，如何来理解?
以前人们认为质子与中子不同，它永远不会分裂成更小的颗粒。这曾
被当成真理。然而在70年代，理论物理学家认识到，他们提出的各种可能 成为“大一统理论”——该理论把除引力外的所有作用力汇于一炉——的 理论暗示：质子必须是不稳定的。只要有足够长的时间，在极其偶然的情 况下，质子是会分裂的。
况下，质子是会分裂的。
办法是捕捉到正在死去的质子。许多年来，实验人员一直在地下实验
空中密切注视大型的水槽，等待着原子内部质子的死去。但迄今未止质子 的死亡率是零，这意味着要么质子十分稳定，要么它们的寿命很长——估 计在10亿亿亿亿年以上。
4．自然界是超对称的吗？如果是，超对称性是如何破灭的?
许多物理学家认为，把包括引力在内的所有作用力统一成为单一的理
论要求证明两种差异极大的粒子实际上存在密切的关系，这种关系就是所 谓的超对称现象。
第一种粒子是费密子，可以把它们粗略地说成是物质的基本组件，就
像质子、电子和中子一样。它们聚集在一起组成物质。另一种粒子是玻色 子，它们是传递作用力的粒子，类似于传递光的光子。在超对称的条件下， 每一个费密子都有一个与之对应的玻色子，反之亦然。
物理学家有杜撰古怪名字的冲动，他们把所谓的超级对称粒子称为
“Sparticle”。但由于在自然界中还没有观察到5particle，物理学家
还需要解释这种对称性“破灭”的原因：随着宇宙冷却并凝结成现在的这 种不对称状态，在其诞生之际所存在的数学上的完美被打破了。
5．为什么宇宙表现为一个时间维数和三个空间维数?
这只是因为还没有想到一个可以接受的答案，只是因为除了上下、左
右、前后，人们无法想像在更多的方向上运动。这并不意味着宇宙原本就 是这样的。实际上，根据超弦理论，肯定还存存着另外六个维数，每一维 都呈卷曲状，十分微小，因而无法察觉。如果这一理论是正确的，那么为 什么只有这三个维数是伸展开来的，留给我们这个相对幽闭恐怖的空间呢?
6．为什么宇宙常数有它自身的数值?它是否为零，是否真正恒定?
直到最近，宇宙学家仍然认为宇宙是以一个稳定的速度在膨胀。但最
近的观察发现，宇宙可能膨胀得越来越快。人们用一个叫宇宙常数的数字 来描述这种轻微的加速。这个常数是否如人们早期所认为的是零，或者是 一个非常小的数值，物理学家现在还无法做出解释。
根据一些基本计算，这个常数 应该很大——是我们观测结果的大约
10到122倍。换句话说，宇宙应该以跳跃般的速度在膨胀。而实际情况并 非如此，肯定有什么机制在压制这种作用。如果宇宙真是超对称性的，那 宇宙常数就该被完全抵消掉。但这种对称性——如果确实存在的话——看 来已经破灭。如果这个常数随时间的变化而变化的话，那情况就更加复杂 了。
7．M理论的基本自由度( M理论的低能极限是 ll维的超引力，它包含5种 相容的超弦理论)是多少?这一理论是否真实地描述了自然?
多年来，超弦理论最大的弱点是它有5个不同的版本。到底哪一个——
如果有的话——描述了宇宙?反对这一理论的人最近已经接受了被称为 M理 论的最主要的 l l维理论框架。但情况却因此变得更加复杂。
在 M里论前，所有的亚原子粒子都被说成是由微小的超弦组成的。M理 论给组成亚原子的物质增加了一种叫做“膜”(brane)的更为神秘的物质，
它就像生理学上的膜一样，但最多有9个维数度。现在的问题是，什么是更 基本的物质组成单位，是膜组成了弦还是刚好相反?或者另外存在着一些更 基本的物质单位，只是人们没有想到罢了?最后，这两种东西中是否有一种 确实存在，或者 M理论仅仅是一种迷人的大脑游戏?
8，黑洞信息悖论的解决方法是什么?
根据量子理论，信息——无沦它描述的是粒子运动的速度还是油墨颗 粒组成文件的确切方式——是不会从宇宙中消失的。但物理学家基普·索 恩、约翰·普雷希尔和斯蒂芬·霍金却提出了一个固定的假设：如果你把
一本大不列颠百科全书扔进黑洞中去，将会发生什么事?宇宙中是否有其他 同样的百科全书是无关紧要的。正如物理学中所定义的，信息并不等同于 含义，信息仅指二进制的数字，或是一些其他的代码，它被用来精确地描 述一个物体或一种方式。所以看起来那些特定的书本里的信息将被吞没， 并永远地消失。但人们觉得这是不可能的。
霍金博士和索恩博士相信那些信息确实消失了，而量子力学必须对此
作出解释。普雷希尔博士推测信息其实并没有消失；它也许以某种形式显 示于黑洞的表面，如同在一个宇宙中的银幕上。
9．何种物理学能够解释基本粒子的重力与其典型质量之间的巨大差距? 换言之，为什么重力比其他的作用力(如电磁力)要弱得多?一块磁铁 能够吸起一个回形针，即使整个地球的引力在把它往下拉。
根据最近的一种说法，重力实际上要大得多。它仅仅是看上去比较弱
而已，因为大部分重力陷入了某一个额外的维数度之中。如果我们可以用 高能粒子加速器俘获全部的重力，也许就有可能制造出微型黑洞。虽然这 看上去会引起固体垃圾处理业的兴趣，但这些黑洞很可能刚一形成就消失 了。
10，我们能否定量地理解量子色动力学中的夸克和胶子约束以及质量差距 的存在?
量子色动力学( QCD)是描述强核子力的理论。这种力由胶子携带，它
把夸克结合成质子和中子这样的粒子。根据量子色动力学理论，这些微小
的亚粒子永远受到约束。你无法把一个夸克或脑子从质子中分离出来，因 为距离越远，这种强作用力就越大，从而迅速地把它们拉回原位。
但物理学家还没有最终证明夸克和胶子永远 不能逃脱约束。他们也不 能解释为什么所有能感受强作用力的粒子必须至少有一丁点儿的质量，为
什么它们的质量不能为零。一些人希望 M理论能提供答案，这一理论也许 还能进一步阐明重力的本质。