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理論物理在當代科學發展中的重要作用
序言：理論物理正在由對基本粒子的研究轉向對凝聚態的研究。
物理學是研究物質及運動規律的基礎科學。其研究內容包括物質結構及其相互作用、物質運動形式以及它們之間的轉化。物理學立足於實驗，發展各種理論觀念和思想方法。物理學的發展能夠進一步引導各種技術革命創新，反過來導致物理學研究方式的變革。例如，以半導體爲基礎的計算機技術的飛躍發展，使得計算和模擬在物理學研究中發揮了越來越重要的作用，形成了計算物理的研究模式。
當前物理學的發展趨勢可以概括爲以下兩個方面：第一，在更高的能量標度和更小的時空尺度上，探索物質世界的深層次結構及其相互作用, 揭示物質運動的時空形式和相互作用的本質；第二，面對由大量個體組元構成的複雜體系，探索超越個體特性的「演生」出來的有序凝聚體系和集體合作現象。由於第二方面的研究涉及從固體系統到生命軟凝聚態等各種多體系統以及進一步形成各種人工結構，它會導致更爲豐富的物理現象和實際應用。這兩個方面研究代表了兩種互爲補充的基本科學觀——還原論（reductionism）和演生論（emergence）。前者把物質性質完全歸結爲其微觀組元的相互作用規律，旨在建立從微觀出發的終極統一理論；後者強調經典和量子多體系統的整體性和凝聚合作效應，把不同層次「演生」出來的規律當成自然界的基本規律加以探索。
現代物理學通常從理論和實驗兩個途徑研究以上的重大科學問題。二者既緊密依賴，又有所區別。利用科學的實驗方法，通過對自然界的主動觀測，並輔以理論模型或哲學上思考，先提出初步的科學理論假設，然後進一步藉助實驗對此進行判定性的檢驗。最後，用嚴格的數學語言精確、定量表達一般的科學規律，並由此預言更多新的、可以被實驗再檢驗的物理觀察結果。當現有的理論無法解釋一批新的實驗發現，物理學可能要面臨重大突破。由此誕生的新理論在解釋已有實驗結果的同時，還要給出了更一般的理論預言，引發新的實驗研究。
物理學這些內在的特徵決定了理論物理學在當代科學中的核心地位。特別是它通過當代數學提供的描述語言和思想框架， 使得物理規律得到準確的描述。在解析的手段無法實現時，理論物理還可以採用數值分析和數值模擬，使理論預言進一步定量化。
理論物理學的發展趨勢
理論物理學立足於科學實驗和觀察結果，藉助數學工具、邏輯推理和觀念思辨，研究物質、能量、時間和空間及其相互作用和運動演化，從中概括和歸納出具有普遍意義的基本理論。由此建立的基本理論不僅可以描述和解釋自然界已知的各種物理現象和運動規律，而且還可以預言更多的未知物理現象。理論物理研究的對象非常廣泛。有的學科，諸如粒子物理、凝聚態物理等，與實驗研究關係密切，但還有一些更加基礎的領域，諸如統計物理、非線性物理、引力和量子基礎理論，研究對象廣泛，一時並不直接涉及具體的實驗。
物質結構是分層次的，每個層次上都有自己的基本規律，它們又是互相聯繫的。物質各層次結構及其運動規律的基礎性、多樣性和複雜性不僅爲理論物理學提供了豐富的研究對象，而且對物質科學研究提出巨大的智力挑戰，並激發人類探索自然的強大動力。這種高度概括的綜合性研究，具有顯著的多學科交叉性與知識原創性的特點。
20 世紀初誕生的相對論和量子理論，決定了理論物理學在現代科學中的核心地位。物理實驗面臨的日趨複雜的困難，使得實驗和理論對物理學發展的作用發生了一直延續到今天的變化。尤其在對微觀世界基本規律和複雜系統運動演化探索方面，理論物理將起到越來越重要的引領作用。例如，在粒子物理領域，輕的輕子和夸克只能有三代是理論考慮的結論，頂夸克的存在以及目前 LHC 希望發現的 Higgs 粒子和超對稱粒子也都是首先來自理論預言。當今的高能物理實驗基本上都是在理論指導下設計和運行的，對理論預言給予檢驗，發現現有理論無法解釋的現象，從而推動物理學的發展。沒有理論上的動機和指導，高能物理實驗將如同大海撈針、無從下手。
宇宙學上的觀測更是如此。雖然宇宙學觀測結果會給出一些新的有關宇宙的信息，但其真正的物理解釋依賴於具體的理論模型。宇宙的演化只有一次，但迄今爲止，其初態和末態都是未知的。我們不能像在粒子物理和凝聚態實驗那樣，根據需要調整宇宙的初末態，以儘可能多地獲得宇宙演化的信息，完全從觀測角度構造合理的宇宙模型。因此，要對宇宙的演化有真正的了解，就必須從其它物理領域的理論出發（如粒子物理、廣義相對論等）建立自洽的理論。
總之，當今物理學理論必須建立在實驗的基礎上，當今物理學的實驗無一例外是在特定的理論框架下進行。通過對理論物理的預言不斷地進行實驗檢驗，才能完善和推動物理學的長足發展，才能加深對物理規律的深入認識，以不斷推動人類掌握基本的自然規律。
目前理論物理的一個重要發展趨勢是與現代強大計算的手段結合。面對紛繁複雜的物質世界（如強關聯物質和複雜系統），簡單可解析求解的理論物理模型不足以涵蓋複雜物質結構的全部特徵。例如，實際物理系統的時間演化具有內稟的高度非線性，線性化近似將不再適用。然而，計算機的發明提供了解決複雜結構和非線性問題的強大技術條件，輔以正確的科學計算方法，如第一原理計算、蒙特卡洛方法和各種精確對角化技術，近似求解複雜理論模型到足夠高的精度，逐漸逼近物質運動的真實規律。因此，可以說，計算物理是連接物理實驗和理論模型必不可少的橋樑。
量子力學是 20 世紀的奠基性科學理論之一，是人們理解微觀世界運動規律的現代物理基礎。一方面，量子力學可以應用到不同物理體系，導致一些現代學科的誕生。例如，它應用到光與微觀物質相互作用，導致了量子電動力學的建立，其進一步發展引發了現代量子光學等新領域；另一方面，量子力學及其應用的發展，導致了以激光、半導體和核能爲代表的新技術革命，深刻地影響了人類的物質、精神生活，已成爲社會經濟發展的原動力之一。然而，量子力學的基礎卻存在諸多的爭議。圍繞着量子力學的詮釋，以玻爾爲代表的哥本哈根學派的「標準」詮釋不斷遭遇到各色各樣的挑戰。其中一些嚴肅的學術爭論，在促進量子力學自身的發展的同時，使量子力學走向交叉科學領域，如量子信息就是信息科學和量子物理交叉的結果：充分利用量子物理基本原理的研究成果，發揮量子相干特性的強大作用，探索以全新的方式進行計算、編碼和信息傳輸的可能性，爲突破芯片極限提供新概念、新思路和新途徑。量子力學與信息科學結合，不僅充分顯示了學科交叉的重要性，而且量子信息的最終物理實現會導致信息科學觀念和模式的重大變革。量子力學的這些新的發展大多基於實驗檢驗，促使人們回過頭來在可檢驗的層面上重新考察量子理論的基本問題，使得量子力學又進入了一個嶄新的發展時期——從觀測、解釋階段進入量子調控新時代。當前，人們利用各種先進的現代科學技術，去製備、檢測、調控量子體系，使量子世界從自在之物變成爲我之物。
在高能物理方面，粒子物理是研究物質深層次結構的前沿學科。它藉助於極端高能的實驗手段，深入物質內部，探索物質的結構，尋找其最小組元及其相互作用規律。目前，探討超出標準模型的新物理和研究描述強相互作用的量子色動力學（QCD）的微擾和非微擾問題，是粒子物理學面臨的兩個重大問題。大家知道，粲夸克和美夸克組成的重味強子和重夸克偶素物理不僅與微擾 QCD 和非微擾 QCD 有密切關係，而且與超出標準模型的新物理探討相關。B 介子物理的研究、粲介子和粲重子質量譜和衰變的研究、重夸克偶素產生與衰變機制的研究等都是國際高能物理研究的熱點問題。2003 年以來大量新強子態的發現，開闢了強子譜研究領域的新天地, 對人類深入探索物質基本結構和深刻了解量子色動力學有着重要的意義。量子色動力學因子化定理是自洽利用微擾論的前提條件，沒有這些因子化定理，就沒有一個基於量子色動力學的強相互作用過程理論預言，如強子對撞機上的各種過程的理論預言。
20 世紀的原子核也是朝着物質的深層次發展，與粒子物理融合，揭示出了強子由夸克和膠子構成，並建立起描述它們之間強相互作用的基本理論——量子色動力學（QCD）。對稱性丟失與夸克禁閉是遺留的兩大難題。理論家預期通過相對論性重離子碰撞形成高溫高密極端條件，改變真空的性質，從而解除夸克禁閉，產生出一種在夸克層次上的新物質形態——夸克膠子物質或夸克膠子等離子體（QGP）。這種新物質形態的能量密度將比中子星內部更大，關於核物質的通常概念已不再適用，需要揭示出一些嶄新的原理。進入新世紀以來，特別是美國布魯海汶國家實驗室在 RHIC 上發現了強耦合 QGP 存在的證據，當前研究的前沿轉向從強子相到 QGP 相變的臨界點、相變性質、QGP 性質、QCD 相圖的相結構和相邊界等一系列重大研究課題上來。
另外，引力是自然界已知的四種相互作用之一, 是人類最熟悉但了解最少的相互作用, 尤其是它的量子行爲。描述經典引力的科學語言是廣義相對論，但包括引力量子行爲的完整描述至今沒有確定的答案。當然，經典時空背景下的半經典描述——彎曲時空量子場論也可以在一定程度上預言引力相關的量子效應，如黑洞的量子輻射。目前認爲最有希望的引力量子化理論框架是超弦/M-理論。建立完整的引力理論不僅是超出粒子物理標準模型發展的必然，也是了解我們宇宙起源和演化的基礎。宇宙學是物理學和天體物理的一個分支，研究的是宇宙作爲一個整體的起源和演化, 希望回答如宇宙爲何如此地平坦、星系是如何從這樣平坦的宇宙中形成等科學問題，更希望回答一些古老如人類在宇宙中地位的問題。
就高能物理發展規律而言，粒子物理的發展主要是靠實驗推動的。從最初的宇宙線和雲室實驗發現的大量奇異粒子直接導致了粒子物理學科的誕生，到後來的宇稱對稱性破缺實驗推動了弱作用理論的發展以至於標準模型最後的建立。當今的高能物理實驗基本上都是在理論指導下設計和運行的，對理論預言給予檢驗或發現現有理論無法解釋的現象，從而推動理論的發展。對引力相互作用來說, 無論是其發現還是對宇宙演化的描述最初都源於人們對自然包括天文現象的好奇。在此基礎上，人們結合一些天文觀測甚至一些哲學的思考對這些現象提出一些半經驗性的描述，並由此驅動對其做進一步實驗檢驗和完善，從而達到對一些科學規律的發現。
統計物理目前正處在快速拓展時期。一方面，統計物理的思想和方法不斷被應用到各種新的領域，以及各種新的、更加複雜的系統，帶來了統計物理學的不斷髮展。另一方面，統計物理學在新領域和新系統的應用，這些也對統計物理學基本理論和自身發展提出了更高的要求。這兩個方面的發展不是相互獨立的，而是相互關聯、相互促進的。特別是聯繫於能源科學的發展，偏離和遠離平衡、有限尺度的系統及其有限時間過程的統計物理引起人們的重視。與統計物理密切聯繫的非線性科學研究在各學科領域中具有普遍意義的共性問題，也具有形成新的共性問題的潛在特性，以及在科學、技術和工程領域中的重要應用前景。非線性物理的主要研究課題包括典型非線性現象如孤子、混沌、斑圖、分形和複雜性的物理特性的描述、物理本質的刻畫及其基於這些現象的物理特性和物理本質在不同領域中的應用。與此密切聯繫的另一個重要方面是軟凝聚態物理和生物物理。軟物質是在自然界物質中存在的最廣泛、最常見的一種凝聚態物質，處於固體和理想流體之間的一種複雜物質，與人們的日常生活及工業技術密切相關。例如，軟凝聚態物理的研究還涉及水的基礎科學問題。近年來水源危機已經成爲人類面對的首要問題之一。
量子理論結合統計物理導致了凝聚態物理學的建立和發展。凝聚態物理目前已經成爲物理學最大的一個分支，也是物理學近半個世紀以來發展最爲迅速的一個領域。凝聚態物理涵蓋面很廣，按學科分類，包括半導體物理、磁學、強關聯物理、表面物理、軟凝聚態物理等子領域。這個學科中每個新材料和新現象的發現，都有可能誘發或產生一個新的學科方向或領域。凝聚態物理是材料、信息和能源科學的基礎，也與化學和生物等學科有密切的交叉與融合。伴隨者凝聚態物理的發展，凝聚態理論發展異常迅猛。傳統的凝聚態物理研究，建立在能帶論和費米液體理論基礎上，奠定了以半導體、金屬爲基礎的電子、計算機、信息等科學的理論基礎，在實驗及應用研究中發揮了重要的作用。同時，凝聚態理論研究凝練出來的一些具有普適性的概念和方法，如BCS超導理論、自發對稱破缺概念等，對其它學科的發展也起到了重要的推動作用。近 20 年來，隨着大量新型低維材料的合成和發現以及具有特殊功能的量子器件的設計和實現，以及包括高溫超導、拓撲絕緣體等在內的大量新的量子現象的揭示，這些現象不能在以單體近似爲前提的費米液體理論框架下得到解釋，新的理論框架的建立已迫在眉睫。這種新的理論框架的建立，將使凝聚態物理的基礎及應用研究跨上一個新的歷史臺階。
原子分子物理學和光學是物理學的兩個子學科。原子分子物理學是以原子、分子這一物質微觀層次爲研究對象的物理學分支，它主要研究原子、分子的結構、動態及相互作用的物理規律。而光學是研究光輻射的基本原理、光傳播的基本規律，以及光與物質相互作用過程的物理學。20 世紀 60 年代激光的發明和伴隨的非線性光學的發展，人們能夠實現對光傳輸以及光與物質相互作用的調控。這方面的研究與凝聚態物理交互推動，是當前的理論物理研究重要科學前沿。例如，隨着激光冷卻和人造晶格系統研究的飛速發展，多學科的交叉性增強，通過預先的理論探索，在冷原子系統中也觀測到了強關聯繫統特有的超流-絕緣體相變現象，爲精確操控多體關聯繫統提供了強有力的實驗手段，促進了強關聯物理與原子分子物理的結合，成爲這個學科發展的一個新的生長點。
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