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21世纪物理学面临九大挑战 　　这幅十七世纪荷兰画家的油画《量具》，形象地表达了古罗马诗人贺拉斯的诗句：“万事万物都能被测量。”但事实上，人对物质的测量永远无法绝对精确，总有极微小的量无法测到，因为最小的测量工具不可能小于亚原子，因此，海森伯提出了著名的测不准原理。 20世纪的历史进程受到了物理学领域所取得的进步的深刻影响。未来几十年，如果我们能够有效地面对物理学界面临的众多巨大挑战，我们的努力就将在科学发展和社会福利方面取得极大的成果。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