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理论物理在当代科学发展中的重要作用
序言：理论物理正在由对基本粒子的研究转向对凝聚态的研究。
物理学是研究物质及运动规律的基础科学。其研究内容包括物质结构及其相互作用、物质运动形式以及它们之间的转化。物理学立足于实验，发展各种理论观念和思想方法。物理学的发展能够进一步引导各种技术革命创新，反过来导致物理学研究方式的变革。例如，以半导体为基础的计算机技术的飞跃发展，使得计算和模拟在物理学研究中发挥了越来越重要的作用，形成了计算物理的研究模式。
当前物理学的发展趋势可以概括为以下两个方面：第一，在更高的能量标度和更小的时空尺度上，探索物质世界的深层次结构及其相互作用, 揭示物质运动的时空形式和相互作用的本质；第二，面对由大量个体组元构成的复杂体系，探索超越个体特性的“演生”出来的有序凝聚体系和集体合作现象。由于第二方面的研究涉及从固体系统到生命软凝聚态等各种多体系统以及进一步形成各种人工结构，它会导致更为丰富的物理现象和实际应用。这两个方面研究代表了两种互为补充的基本科学观——还原论（reductionism）和演生论（emergence）。前者把物质性质完全归结为其微观组元的相互作用规律，旨在建立从微观出发的终极统一理论；后者强调经典和量子多体系统的整体性和凝聚合作效应，把不同层次“演生”出来的规律当成自然界的基本规律加以探索。
现代物理学通常从理论和实验两个途径研究以上的重大科学问题。二者既紧密依赖，又有所区别。利用科学的实验方法，通过对自然界的主动观测，并辅以理论模型或哲学上思考，先提出初步的科学理论假设，然后进一步借助实验对此进行判定性的检验。最后，用严格的数学语言精确、定量表达一般的科学规律，并由此预言更多新的、可以被实验再检验的物理观察结果。当现有的理论无法解释一批新的实验发现，物理学可能要面临重大突破。由此诞生的新理论在解释已有实验结果的同时，还要给出了更一般的理论预言，引发新的实验研究。
物理学这些内在的特征决定了理论物理学在当代科学中的核心地位。特别是它通过当代数学提供的描述语言和思想框架， 使得物理规律得到准确的描述。在解析的手段无法实现时，理论物理还可以采用数值分析和数值模拟，使理论预言进一步定量化。
理论物理学的发展趋势
理论物理学立足于科学实验和观察结果，借助数学工具、逻辑推理和观念思辨，研究物质、能量、时间和空间及其相互作用和运动演化，从中概括和归纳出具有普遍意义的基本理论。由此建立的基本理论不仅可以描述和解释自然界已知的各种物理现象和运动规律，而且还可以预言更多的未知物理现象。理论物理研究的对象非常广泛。有的学科，诸如粒子物理、凝聚态物理等，与实验研究关系密切，但还有一些更加基础的领域，诸如统计物理、非线性物理、引力和量子基础理论，研究对象广泛，一时并不直接涉及具体的实验。
物质结构是分层次的，每个层次上都有自己的基本规律，它们又是互相联系的。物质各层次结构及其运动规律的基础性、多样性和复杂性不仅为理论物理学提供了丰富的研究对象，而且对物质科学研究提出巨大的智力挑战，并激发人类探索自然的强大动力。这种高度概括的综合性研究，具有显著的多学科交叉性与知识原创性的特点。
20 世纪初诞生的相对论和量子理论，决定了理论物理学在现代科学中的核心地位。物理实验面临的日趋复杂的困难，使得实验和理论对物理学发展的作用发生了一直延续到今天的变化。尤其在对微观世界基本规律和复杂系统运动演化探索方面，理论物理将起到越来越重要的引领作用。例如，在粒子物理领域，轻的轻子和夸克只能有三代是理论考虑的结论，顶夸克的存在以及目前 LHC 希望发现的 Higgs 粒子和超对称粒子也都是首先来自理论预言。当今的高能物理实验基本上都是在理论指导下设计和运行的，对理论预言给予检验，发现现有理论无法解释的现象，从而推动物理学的发展。没有理论上的动机和指导，高能物理实验将如同大海捞针、无从下手。
宇宙学上的观测更是如此。虽然宇宙学观测结果会给出一些新的有关宇宙的信息，但其真正的物理解释依赖于具体的理论模型。宇宙的演化只有一次，但迄今为止，其初态和末态都是未知的。我们不能像在粒子物理和凝聚态实验那样，根据需要调整宇宙的初末态，以尽可能多地获得宇宙演化的信息，完全从观测角度构造合理的宇宙模型。因此，要对宇宙的演化有真正的了解，就必须从其它物理领域的理论出发（如粒子物理、广义相对论等）建立自洽的理论。
总之，当今物理学理论必须建立在实验的基础上，当今物理学的实验无一例外是在特定的理论框架下进行。通过对理论物理的预言不断地进行实验检验，才能完善和推动物理学的长足发展，才能加深对物理规律的深入认识，以不断推动人类掌握基本的自然规律。
目前理论物理的一个重要发展趋势是与现代强大计算的手段结合。面对纷繁复杂的物质世界（如强关联物质和复杂系统），简单可解析求解的理论物理模型不足以涵盖复杂物质结构的全部特征。例如，实际物理系统的时间演化具有内禀的高度非线性，线性化近似将不再适用。然而，计算机的发明提供了解决复杂结构和非线性问题的强大技术条件，辅以正确的科学计算方法，如第一原理计算、蒙特卡洛方法和各种精确对角化技术，近似求解复杂理论模型到足够高的精度，逐渐逼近物质运动的真实规律。因此，可以说，计算物理是连接物理实验和理论模型必不可少的桥梁。
量子力学是 20 世纪的奠基性科学理论之一，是人们理解微观世界运动规律的现代物理基础。一方面，量子力学可以应用到不同物理体系，导致一些现代学科的诞生。例如，它应用到光与微观物质相互作用，导致了量子电动力学的建立，其进一步发展引发了现代量子光学等新领域；另一方面，量子力学及其应用的发展，导致了以激光、半导体和核能为代表的新技术革命，深刻地影响了人类的物质、精神生活，已成为社会经济发展的原动力之一。然而，量子力学的基础却存在诸多的争议。围绕着量子力学的诠释，以玻尔为代表的哥本哈根学派的“标准”诠释不断遭遇到各色各样的挑战。其中一些严肃的学术争论，在促进量子力学自身的发展的同时，使量子力学走向交叉科学领域，如量子信息就是信息科学和量子物理交叉的结果：充分利用量子物理基本原理的研究成果，发挥量子相干特性的强大作用，探索以全新的方式进行计算、编码和信息传输的可能性，为突破芯片极限提供新概念、新思路和新途径。量子力学与信息科学结合，不仅充分显示了学科交叉的重要性，而且量子信息的最终物理实现会导致信息科学观念和模式的重大变革。量子力学的这些新的发展大多基于实验检验，促使人们回过头来在可检验的层面上重新考察量子理论的基本问题，使得量子力学又进入了一个崭新的发展时期——从观测、解释阶段进入量子调控新时代。当前，人们利用各种先进的现代科学技术，去制备、检测、调控量子体系，使量子世界从自在之物变成为我之物。
在高能物理方面，粒子物理是研究物质深层次结构的前沿学科。它借助于极端高能的实验手段，深入物质内部，探索物质的结构，寻找其最小组元及其相互作用规律。目前，探讨超出标准模型的新物理和研究描述强相互作用的量子色动力学（QCD）的微扰和非微扰问题，是粒子物理学面临的两个重大问题。大家知道，粲夸克和美夸克组成的重味强子和重夸克偶素物理不仅与微扰 QCD 和非微扰 QCD 有密切关系，而且与超出标准模型的新物理探讨相关。B 介子物理的研究、粲介子和粲重子质量谱和衰变的研究、重夸克偶素产生与衰变机制的研究等都是国际高能物理研究的热点问题。2003 年以来大量新强子态的发现，开辟了强子谱研究领域的新天地, 对人类深入探索物质基本结构和深刻了解量子色动力学有着重要的意义。量子色动力学因子化定理是自洽利用微扰论的前提条件，没有这些因子化定理，就没有一个基于量子色动力学的强相互作用过程理论预言，如强子对撞机上的各种过程的理论预言。
20 世纪的原子核也是朝着物质的深层次发展，与粒子物理融合，揭示出了强子由夸克和胶子构成，并建立起描述它们之间强相互作用的基本理论——量子色动力学（QCD）。对称性丢失与夸克禁闭是遗留的两大难题。理论家预期通过相对论性重离子碰撞形成高温高密极端条件，改变真空的性质，从而解除夸克禁闭，产生出一种在夸克层次上的新物质形态——夸克胶子物质或夸克胶子等离子体（QGP）。这种新物质形态的能量密度将比中子星内部更大，关于核物质的通常概念已不再适用，需要揭示出一些崭新的原理。进入新世纪以来，特别是美国布鲁海汶国家实验室在 RHIC 上发现了强耦合 QGP 存在的证据，当前研究的前沿转向从强子相到 QGP 相变的临界点、相变性质、QGP 性质、QCD 相图的相结构和相边界等一系列重大研究课题上来。
另外，引力是自然界已知的四种相互作用之一, 是人类最熟悉但了解最少的相互作用, 尤其是它的量子行为。描述经典引力的科学语言是广义相对论，但包括引力量子行为的完整描述至今没有确定的答案。当然，经典时空背景下的半经典描述——弯曲时空量子场论也可以在一定程度上预言引力相关的量子效应，如黑洞的量子辐射。目前认为最有希望的引力量子化理论框架是超弦/M-理论。建立完整的引力理论不仅是超出粒子物理标准模型发展的必然，也是了解我们宇宙起源和演化的基础。宇宙学是物理学和天体物理的一个分支，研究的是宇宙作为一个整体的起源和演化, 希望回答如宇宙为何如此地平坦、星系是如何从这样平坦的宇宙中形成等科学问题，更希望回答一些古老如人类在宇宙中地位的问题。
就高能物理发展规律而言，粒子物理的发展主要是靠实验推动的。从最初的宇宙线和云室实验发现的大量奇异粒子直接导致了粒子物理学科的诞生，到后来的宇称对称性破缺实验推动了弱作用理论的发展以至于标准模型最后的建立。当今的高能物理实验基本上都是在理论指导下设计和运行的，对理论预言给予检验或发现现有理论无法解释的现象，从而推动理论的发展。对引力相互作用来说, 无论是其发现还是对宇宙演化的描述最初都源于人们对自然包括天文现象的好奇。在此基础上，人们结合一些天文观测甚至一些哲学的思考对这些现象提出一些半经验性的描述，并由此驱动对其做进一步实验检验和完善，从而达到对一些科学规律的发现。
统计物理目前正处在快速拓展时期。一方面，统计物理的思想和方法不断被应用到各种新的领域，以及各种新的、更加复杂的系统，带来了统计物理学的不断发展。另一方面，统计物理学在新领域和新系统的应用，这些也对统计物理学基本理论和自身发展提出了更高的要求。这两个方面的发展不是相互独立的，而是相互关联、相互促进的。特别是联系于能源科学的发展，偏离和远离平衡、有限尺度的系统及其有限时间过程的统计物理引起人们的重视。与统计物理密切联系的非线性科学研究在各学科领域中具有普遍意义的共性问题，也具有形成新的共性问题的潜在特性，以及在科学、技术和工程领域中的重要应用前景。非线性物理的主要研究课题包括典型非线性现象如孤子、混沌、斑图、分形和复杂性的物理特性的描述、物理本质的刻画及其基于这些现象的物理特性和物理本质在不同领域中的应用。与此密切联系的另一个重要方面是软凝聚态物理和生物物理。软物质是在自然界物质中存在的最广泛、最常见的一种凝聚态物质，处于固体和理想流体之间的一种复杂物质，与人们的日常生活及工业技术密切相关。例如，软凝聚态物理的研究还涉及水的基础科学问题。近年来水源危机已经成为人类面对的首要问题之一。
量子理论结合统计物理导致了凝聚态物理学的建立和发展。凝聚态物理目前已经成为物理学最大的一个分支，也是物理学近半个世纪以来发展最为迅速的一个领域。凝聚态物理涵盖面很广，按学科分类，包括半导体物理、磁学、强关联物理、表面物理、软凝聚态物理等子领域。这个学科中每个新材料和新现象的发现，都有可能诱发或产生一个新的学科方向或领域。凝聚态物理是材料、信息和能源科学的基础，也与化学和生物等学科有密切的交叉与融合。伴随者凝聚态物理的发展，凝聚态理论发展异常迅猛。传统的凝聚态物理研究，建立在能带论和费米液体理论基础上，奠定了以半导体、金属为基础的电子、计算机、信息等科学的理论基础，在实验及应用研究中发挥了重要的作用。同时，凝聚态理论研究凝练出来的一些具有普适性的概念和方法，如BCS超导理论、自发对称破缺概念等，对其它学科的发展也起到了重要的推动作用。近 20 年来，随着大量新型低维材料的合成和发现以及具有特殊功能的量子器件的设计和实现，以及包括高温超导、拓扑绝缘体等在内的大量新的量子现象的揭示，这些现象不能在以单体近似为前提的费米液体理论框架下得到解释，新的理论框架的建立已迫在眉睫。这种新的理论框架的建立，将使凝聚态物理的基础及应用研究跨上一个新的历史台阶。
原子分子物理学和光学是物理学的两个子学科。原子分子物理学是以原子、分子这一物质微观层次为研究对象的物理学分支，它主要研究原子、分子的结构、动态及相互作用的物理规律。而光学是研究光辐射的基本原理、光传播的基本规律，以及光与物质相互作用过程的物理学。20 世纪 60 年代激光的发明和伴随的非线性光学的发展，人们能够实现对光传输以及光与物质相互作用的调控。这方面的研究与凝聚态物理交互推动，是当前的理论物理研究重要科学前沿。例如，随着激光冷却和人造晶格系统研究的飞速发展，多学科的交叉性增强，通过预先的理论探索，在冷原子系统中也观测到了强关联系统特有的超流-绝缘体相变现象，为精确操控多体关联系统提供了强有力的实验手段，促进了强关联物理与原子分子物理的结合，成为这个学科发展的一个新的生长点。
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