梳理學(xué)科發(fā)展脈絡(luò)，有助于我們認(rèn)清學(xué)科現(xiàn)狀、展望學(xué)科未來。物理學(xué)的歷史非常悠久，我們不可能面面俱到。我們只是從牛頓開始，牛頓之前的許多開創(chuàng)性工作都不得不省略。
20世紀(jì)之前物理學(xué)的三大綜合
從17世紀(jì)到19世紀(jì)，物理學(xué)經(jīng)歷了三次大綜合。牛頓力學(xué)體系的建立標(biāo)志著物理學(xué)的第一次綜合，第二次綜合是麥克斯韋電磁理論的建立，第三次綜合是熱力學(xué)兩大定律的建立和相應(yīng)統(tǒng)計(jì)理論的發(fā)展。
第一個綜合——牛頓力學(xué)
17世紀(jì)，牛頓力學(xué)形成了完整的體系。可以說，這是物理學(xué)的第一次大綜合。牛頓把天上行星的運(yùn)動和地上蘋果下落的運(yùn)動總結(jié)為一條定律，建立了所謂的經(jīng)典力學(xué)。至于蘋果落下啟發(fā)牛頓的故事有沒有歷史依據(jù)，那是另一回事，但它說明了人們對形象思維的偏愛。
牛頓力學(xué)的建立
牛頓實(shí)際上建立了兩條定律，一條是運(yùn)動定律，一條是萬有引力定律。運(yùn)動定律描述了物體在力的影響下如何運(yùn)動；萬有引力定律描述了物體之間的基本相互作用。牛頓將這兩個定律結(jié)合在一起應(yīng)用，因?yàn)樾行堑倪\(yùn)動或地球上拋射體的運(yùn)動受到重力的影響。牛頓從物理學(xué)中總結(jié)出這兩個重要的力學(xué)定律的同時，也發(fā)展了數(shù)學(xué)，成為微積分的發(fā)明者。他使用微積分和微分方程來解決機(jī)械問題。
由運(yùn)動定律建立的運(yùn)動方程可以具體地用數(shù)學(xué)方法求解，這體現(xiàn)了牛頓力學(xué)的強(qiáng)大之處——它解決實(shí)際問題的能力。例如，要計(jì)算一顆行星的軌道，只需根據(jù)牛頓給出的物理思想和數(shù)學(xué)方法求解運(yùn)動方程即可。
根據(jù)行星當(dāng)前在其軌道上的位置，可以估計(jì)出行星在數(shù)千年前或預(yù)計(jì)未來數(shù)千年的位置。海王星的發(fā)現(xiàn)充分體現(xiàn)了這一點(diǎn)。當(dāng)時，人們發(fā)現(xiàn)天王星的軌道偏離了牛頓定律的預(yù)期。問題出在哪里？后來發(fā)現(xiàn)天王星軌道之外有一顆行星對天王星產(chǎn)生了影響，導(dǎo)致天王星的軌道偏離了預(yù)期的軌道。隨后人們利用牛頓力學(xué)估計(jì)了行星的位置，并在預(yù)期位置附近發(fā)現(xiàn)了海王星。這說明牛頓定律是非常成功的。
根據(jù)牛頓定律寫出運(yùn)動方程。如果初始條件——物體的位置和速度——已知，你就可以在未來的任何時刻求出物體的位置和速度。這一思想被拉普拉斯概括并表述為普遍決定論：由于構(gòu)成世界的所有粒子在某一時刻都有特定的位置和速度，并且它們都遵守一定的規(guī)律，那么世界上任何后續(xù)的粒子都會出現(xiàn)這種情況。完全確定，無一例外。這就是拉普拉斯決定論。它與宿命論的思想不謀而合，但又不同于我們在日常生活中的感受（我們經(jīng)常遇到不確定的、不可預(yù)測的情況）。這個富裕問題直到20世紀(jì)才得到解決。
牛頓力學(xué)的新表述
19世紀(jì)，經(jīng)典力學(xué)的發(fā)展表現(xiàn)為科學(xué)家以新的、更簡潔的形式重新表達(dá)牛頓定律，如拉格朗日方程、哈密頓方程等。這些表達(dá)形式不同，但本質(zhì)沒有改變。這是19世紀(jì)牛頓力學(xué)發(fā)展的一個方面。另一方面，牛頓定律推廣到連續(xù)介質(zhì)的力學(xué)問題，出現(xiàn)彈性力學(xué)、流體力學(xué)等。在這方面，20世紀(jì)出現(xiàn)了更大的發(fā)展，尤其是流體力學(xué)，最終導(dǎo)致了航空甚至航天的出現(xiàn)。因此，牛頓定律直到今天仍然非常重要，牛頓定律仍然是大學(xué)課程中不可或缺的一部分。當(dāng)然，它的表現(xiàn)方式應(yīng)該隨著時代的發(fā)展而變化。
牛頓對力學(xué)的研究成果寫成了一部巨著，名叫《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》。只要翻一下書，你就會發(fā)現(xiàn)它非常難懂。牛頓的一個重要貢獻(xiàn)是從萬有引力定律和運(yùn)動定律推導(dǎo)出行星運(yùn)動的軌道?，F(xiàn)在，在學(xué)習(xí)理論力學(xué)時，行星運(yùn)動的橢圓軌道問題并不是太難，可以通過求解微分方程來解決。但牛頓在《自然哲學(xué)數(shù)學(xué)原理》中并沒有使用微積分，更沒有使用求解微分方程的方法，而是純粹使用幾何方法來推導(dǎo)橢圓軌道。
現(xiàn)代科學(xué)家可能無法理解他的東西。理論物理學(xué)家費(fèi)曼曾說過，他在現(xiàn)代數(shù)學(xué)方面比牛頓強(qiáng)得多，但他不一定掌握了牛頓在17世紀(jì)所熟悉的所有幾何學(xué)。他花了很多時間試圖用牛頓的思想來證明所有行星的橢圓軌道，但他仍然無法證明一些聯(lián)系。最終他不得不調(diào)整自己的做法。雖然沒有完全遵循牛頓法，但基本上用幾何方法證明了這個問題。
科學(xué)理論的表達(dá)隨著時間的推移而變化?，F(xiàn)在看來，牛頓運(yùn)動定律的關(guān)鍵方面，例如行星的橢圓軌道，應(yīng)該可以在普通物理學(xué)中教授，因?yàn)楹唵蔚奈⒎址匠桃呀?jīng)可以通過計(jì)算機(jī)求解。由于計(jì)算機(jī)的發(fā)展，也許以后在講授牛頓定律時，可以在課堂上講清楚行星運(yùn)動橢圓軌道的一些基本概念。
不可積問題
牛頓定律取得了巨大的成功，并且具有完全確定的規(guī)律性。但它與拉普拉斯決定論到底有什么關(guān)系呢？這是值得探討的。
另外值得一提的是所謂的三體問題。單體問題是最簡單的。物體在固定的中心力場中運(yùn)動。二體問題并不復(fù)雜。這是兩個物體相互吸引的運(yùn)動問題。結(jié)果是兩個物體都圍繞質(zhì)心移動。大質(zhì)量物體的軌道較小，小質(zhì)量物體的軌道較大。如果加上另一個物體，即三個物體之間存在吸引力，它們的運(yùn)動規(guī)律就是天體力學(xué)中著名的三體問題。天體力學(xué)中的軌道計(jì)算涉及三體問題，通常通過攝動理論來解決，即將第三個物體的影響視為攝動。例如，地球和太陽是二體問題，月球加在一起就構(gòu)成了三體問題。月球?qū)Φ厍蜍壍酪灿杏绊?，但這種影響很小，可以用攝動法來處理。當(dāng)三個物體不能被視為擾動時，它就是三體問題。
在19世紀(jì)，三體問題是天體力學(xué)中非常引人注目的問題。為了解決太陽系的穩(wěn)定性問題，當(dāng)時的挪威國王設(shè)立了獎金。該獎項(xiàng)最終頒給了法國著名數(shù)學(xué)家龐加萊。龐加萊證明三體問題是無法解決的，或者更確切地說是不可積的。對于有解的運(yùn)動方程，位置和時間之間的關(guān)系最終可以表達(dá)為積分。在最理想的情況下，這個積分可以通過積分得到。即使無法求出積分，至少也可以表示為定積分。這是物理學(xué)中常見的可積性問題。
大學(xué)物理課程教授的內(nèi)容幾乎總是局限于可積問題，例如行星的運(yùn)動和擺系統(tǒng)中擺的運(yùn)動。這類可積問題的規(guī)則是確定的，計(jì)算出的軌道也是確定的。一旦知道了初始條件，接下來的所有情況就可以一一推導(dǎo)出來。
如果問題不可積，像龐加萊證明的三體問題，情況就完全不同了，就會出現(xiàn)所謂的對初始條件的敏感性。如果是可積問題，初始條件需要稍作調(diào)整，最終軌道只需要稍作修改；如果是不可積問題，初始條件的微小變化就會導(dǎo)致軌道完全不同。中國有句古話——差之毫厘，失之千里。這意味著有些情況對初始條件敏感。
通過對三體問題的研究，發(fā)現(xiàn)有些運(yùn)動對初始條件極其敏感。如果說 20 世紀(jì)經(jīng)典力學(xué)有一些發(fā)展，其中之一就是 20 世紀(jì) 40 年代和 1950 年代發(fā)展的 KAM 理論。在可積和不可積之間，存在一個近可積區(qū)域。 KAM 理論討論了這個近可積區(qū)域的運(yùn)動定律。 KAM理論是由前蘇聯(lián)科學(xué)家柯爾莫哥洛夫提出的
(AN)、阿諾德 (VI) 和瑞士科學(xué)家莫澤 (JK Moser) 證明了這一點(diǎn)。
20世紀(jì)力學(xué)的另一個發(fā)展是20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的混沌理論，它表明不可積系統(tǒng)中粒子的軌道是不確定的。換句話說，雖然牛頓定律本身是確定性的，但它所描述的具體事物很可能表現(xiàn)出隨機(jī)性。這樣看來，拉普拉斯的決定論是站不住腳的。人對初始條件的控制能力是有限的，不可能無限準(zhǔn)確。因此，初始條件的微小變化可能會導(dǎo)致運(yùn)動軌跡完全不可預(yù)測。這說明經(jīng)典力學(xué)的內(nèi)容非常豐富，其中有些內(nèi)容還有待進(jìn)一步探討。
第二綜合——麥克斯韋電磁理論
歷史上，電和磁是分別發(fā)現(xiàn)和研究的。后來又發(fā)現(xiàn)了電與磁的聯(lián)系，如奧斯特（HC）發(fā)現(xiàn)的電流磁效應(yīng)和安培發(fā)現(xiàn)的電流與電流相互作用定律。后來法拉第提出了電磁感應(yīng)定律，使電和磁融為一體。
19世紀(jì)中葉，麥克斯韋提出了統(tǒng)一電磁場理論，實(shí)現(xiàn)了物理學(xué)的第二次大綜合。電磁定律和力學(xué)定律之間有一個完全不同的點(diǎn)。根據(jù)牛頓的假設(shè)，力學(xué)中考慮的相互作用，尤其是引力相互作用，都是遠(yuǎn)距離相互作用，不存在力傳遞的問題（當(dāng)然，從現(xiàn)代的角度來看，引力也應(yīng)該存在傳遞問題），而電磁相互作用是場相互作用。從粒子的遠(yuǎn)距離作用到電磁場的相互作用，概念上發(fā)生了很大的變化。場效應(yīng)突出顯示。
電場和磁場的不斷相互作用導(dǎo)致電磁波的傳播，這一點(diǎn)已被赫茲在實(shí)驗(yàn)室中證實(shí)。電磁波不僅包括無線電波，實(shí)際上還包括非常廣泛的頻譜，其中重要的一部分就是光波。過去光學(xué)是完全獨(dú)立于電磁學(xué)而發(fā)展的。麥克斯韋電磁理論建立后，光學(xué)成為電磁學(xué)的一個分支，電、磁、光統(tǒng)一。
這種統(tǒng)一在技術(shù)上具有重要意義。發(fā)電機(jī)和電動機(jī)幾乎都是基于電磁感應(yīng)。電磁波的應(yīng)用催生了現(xiàn)代無線電技術(shù)。迄今為止，電磁學(xué)在技術(shù)中一直發(fā)揮著主導(dǎo)作用。因此，電磁學(xué)在基礎(chǔ)物理學(xué)中始終保持著重要的地位。
電磁學(xué)涉及觀察問題的參考系統(tǒng)，并涉及移動導(dǎo)體的電動力學(xué)。直觀地講，電流的流動，即電荷的流動，會產(chǎn)生磁效應(yīng)，但判斷電荷是否流動就涉及到觀察者的問題——參考系的問題。光學(xué)是電磁學(xué)的一部分，所以這個問題也可以表達(dá)為光的傳播與參考系之間的關(guān)系是什么。邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)表明，真空中的光速在慣性系中是不變的。這樣就證實(shí)了電磁學(xué)在慣性系統(tǒng)中也遵循同樣的定律。這實(shí)際上導(dǎo)致了愛因斯坦的狹義相對論。狹義相對論基本上是電磁學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展和延伸。邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)在19世紀(jì)還無法得到清楚的解釋。這是19世紀(jì)遺留下來的一個重要問題。
物理學(xué)第三綜合——熱力學(xué)基本定律
物理學(xué)的第三次綜合始于熱力學(xué)，它涉及大量物體的運(yùn)動定律。
這個綜合涉及到熱力學(xué)的兩個基本定律——熱力學(xué)第一定律和第二定律，即能量守恒定律和熵不斷增加原理。這兩條定律決定了熱力學(xué)的基本定律，但人們不滿足于簡單、宏觀地描述物理現(xiàn)象，于是發(fā)展了分子動力學(xué)，從微觀角度解釋氣體狀態(tài)方程等宏觀定律。與此同時，玻爾茲曼的經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)也成立了。
進(jìn)行這些研究是為了了解物質(zhì)的性質(zhì)，特別是熱力學(xué)性質(zhì)。這一領(lǐng)域的發(fā)展促進(jìn)了物理學(xué)和現(xiàn)代化學(xué)的發(fā)展。一些具有實(shí)證主義哲學(xué)傾向的學(xué)者，如E.馬赫等人，對玻爾茲曼的原子理論進(jìn)行了激烈的批評，形成了19世紀(jì)末物理學(xué)界的一場重大爭論：原子是否真實(shí)存在？ ，還是人們?yōu)榱私忉寙栴}而提出的假設(shè)？直到1905年愛因斯坦提出布朗運(yùn)動理論并得到實(shí)驗(yàn)證實(shí)后，這一點(diǎn)才得到充分解釋。原子論終于得到學(xué)術(shù)界的認(rèn)可。
19世紀(jì)末，許多問題被提出，如黑體熱輻射能譜問題、多原子氣體比熱問題等，這些問題都無法用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)理論來解釋。
現(xiàn)代物理學(xué)-20世紀(jì)物理學(xué)
20世紀(jì)初，物理學(xué)取得了兩大突破：一是普朗克的作用量子概念，二是愛因斯坦提出的狹義相對論時空觀。
量子力學(xué)和相對論的建立
1900年，英國物理學(xué)家開爾文在贊揚(yáng)19世紀(jì)物理學(xué)成就的同時指出：在物理學(xué)晴空的遠(yuǎn)處，有兩朵令人不安的小烏云。這兩朵烏云指的是當(dāng)時物理學(xué)無法解釋的兩個實(shí)驗(yàn)，一個是黑體輻射實(shí)驗(yàn)，另一個是邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)。正是這兩片烏云導(dǎo)致了量子論和相對論的誕生。
1905年，愛因斯坦在《論運(yùn)動物體的電動力學(xué)》一文中系統(tǒng)地提出了后來被稱為狹義相對論的理論。之所以稱為相對論，是因?yàn)樵摾碚摰某霭l(fā)點(diǎn)是兩個基本假設(shè)。第一是相對性原理，即所有慣性系中物理定律都是相同的；二是真空中的光速無論處于哪個慣性系統(tǒng)中都保持不變。在該系統(tǒng)中，測量到的真空中的光速是相同的。這兩個假設(shè)并不矛盾。在所有慣性系統(tǒng)中貝語網(wǎng)校，麥克斯韋方程組都是相同的，因此在所有慣性系統(tǒng)中，真空中電磁波的速度必然相同，即光速。狹義相對論拋棄了牛頓的絕對時空觀，認(rèn)為空間、時間和運(yùn)動是相關(guān)的，并推導(dǎo)出質(zhì)量與能量的簡單關(guān)系，以及高速運(yùn)動物體的力學(xué)定律。這對于粒子加速器技術(shù)的后續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。
1915年，愛因斯坦創(chuàng)立了廣義相對論，從而填補(bǔ)了經(jīng)典力學(xué)的另一個漏洞，即無法解釋物體在強(qiáng)引力場中的行為。根據(jù)牛頓定律計(jì)算出的水星近日點(diǎn)進(jìn)動量小于天文觀測值。廣義相對論是一種引力理論，認(rèn)為引力是時空彎曲的結(jié)果。它很好地解釋了水星近日點(diǎn)的進(jìn)動。廣義相對論預(yù)言，引力會引起光頻率的變化，即引力頻移。它還預(yù)測光會在引力場中彎曲。這些都已被天文觀測所證實(shí)。
盡管廣義相對論取得了巨大成功，但它對地球問題影響甚微。同時，它所使用的數(shù)學(xué)過于復(fù)雜，因此在普通物理學(xué)中往往不予討論。廣義相對論引入了物體的慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量的概念。慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量具有相同的值，這僅在牛頓力學(xué)中得到承認(rèn)但無法解釋。愛因斯坦基于這兩個質(zhì)量相等提出了等效原理。接受等效原理，慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量自然相等。事實(shí)上，大量實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)，在一定精度內(nèi)（比如10-9），兩者確實(shí)是一樣的。相對論將經(jīng)典物理學(xué)推向了頂峰。
1900年，德國科學(xué)家普朗克提出了能量量子的概念。 1925年至1926年，海森堡和薛定諤最終建立了量子力學(xué)，解決了原子物理、光譜學(xué)等基本問題，取得了巨大成功。
此后，量子力學(xué)有兩個重要的發(fā)展方向。一是將量子力學(xué)應(yīng)用到更小的尺度（例如原子以下）。原子的中心是原子核物理學(xué)家歷史，原子核是由中子和質(zhì)子組成的，所以下一步就是將量子力學(xué)應(yīng)用到原子核上。原子核經(jīng)歷各種衰變，也可以經(jīng)歷人工轉(zhuǎn)變。核物理學(xué)是在量子力學(xué)的指導(dǎo)下發(fā)展起來的。更進(jìn)一步就是現(xiàn)代所謂的基本粒子物理學(xué)。基本這個詞通常只在一段時間內(nèi)被認(rèn)為是基本的?，F(xiàn)在人們相信物質(zhì)的基本組成部分是最小的輕子、夸克、膠子和其他中間玻色子。
量子力學(xué)的另一個發(fā)展方向是利用量子力學(xué)來處理更大規(guī)模的問題，例如分子問題（即量子化學(xué)問題）以及固態(tài)物理或凝聚態(tài)物理中的問題。從研究對象規(guī)模來看，研究范圍越來越廣，從固體物理到地球物理、行星物理，再到天體物理、宇宙物理。奇怪的是，宇宙的研究與基本粒子的研究聯(lián)系在一起。兩個不同方向的發(fā)展，一波三折，終于再次走到了一起。
統(tǒng)一理論
在發(fā)展過程中，物理學(xué)逐漸加深了對相互作用的認(rèn)識?，F(xiàn)在可以歸結(jié)為四種基本相互作用：引力、電磁、弱相互作用和強(qiáng)相互作用。引力和電磁相互作用是大家都熟悉的，而弱相互作用和強(qiáng)相互作用是短程的，基本上表現(xiàn)在原子核尺度上。一般來說，在大塊物質(zhì)中，看不到弱相互作用和強(qiáng)相互作用的痕跡。
各種相互作用有強(qiáng)度差異。若強(qiáng)相互作用的強(qiáng)度為1，則電磁相互作用比強(qiáng)相互作用稍弱，約為10-2；較弱的相互作用就是弱相互作用。交互作用值約為10-13~10-19；引力相互作用在日常生活中似乎能感覺到，但它是最弱的，只有10-39。
物理學(xué)家一直試圖統(tǒng)一這四種力。愛因斯坦晚年幾乎用了半輩子的時間試圖統(tǒng)一電磁相互作用和引力相互作用。應(yīng)該說，他的研究方向是對的，但并沒有取得實(shí)實(shí)在在的成果。真正取得進(jìn)展的是量子場論。 20世紀(jì)30年代和20世紀(jì)40年代，量子電動力學(xué)的發(fā)展成功地解釋了電磁相互作用。 20 世紀(jì) 60 年代，量子色動力學(xué)被發(fā)展來解釋強(qiáng)相互作用。隨后，弱相互作用和電磁相互作用得到了統(tǒng)一，即溫伯格-薩拉姆電弱統(tǒng)一理論，向各種相互作用的統(tǒng)一理論邁出了成功的第一步。后來有人希望將強(qiáng)相互作用統(tǒng)一起來，稱之為大統(tǒng)一理論。大統(tǒng)一理論迄今為止缺乏實(shí)驗(yàn)證據(jù)。
物理結(jié)構(gòu)有不同的層次。隨著物質(zhì)尺寸的減小，能量變得越來越高。根據(jù)電弱統(tǒng)一理論，原子尺度（10-10米）對應(yīng)的能量約為10-2GeV。費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室目前所能達(dá)到的最大加速器。為了建造更高能量的加速器，美國有超導(dǎo)超級對撞機(jī)（super super，SSC）計(jì)劃，設(shè)計(jì)能量為40太電子伏特。但這個計(jì)劃被否決了，因?yàn)槌杀咎?，耗電超過100太電子伏特。十億美元?，F(xiàn)在可能建造的是歐洲大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC），設(shè)計(jì)能量為14太電子伏特。電弱統(tǒng)一所需的能量現(xiàn)已觸手可及，因此該理論得到了證實(shí)。大一統(tǒng)所需的能量幾乎是遙不可及的，無論加速器有多大，似乎都無法達(dá)到如此大的能量。當(dāng)所有四種相互作用統(tǒng)一時，相應(yīng)的長度就是普朗克尺度，這可能無法使用人工方法實(shí)現(xiàn)。
現(xiàn)代宇宙學(xué)提出了大爆炸理論。大爆炸的時刻應(yīng)該是能量最高的時刻。理論上估計(jì)普朗克尺度出現(xiàn)在大爆炸后大約10-43秒。此時此刻，四種互動統(tǒng)一在一起，這是一種超級合一的局面。隨著時間的推移，大爆炸后10-35秒，引力效應(yīng)已經(jīng)分離，這是大統(tǒng)一的情況；那么強(qiáng)互動就分開了，大團(tuán)結(jié)也就瓦解了。
至于大爆炸理論，應(yīng)該說是有其實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)的。我們現(xiàn)在看到的宇宙正在膨脹。另外，根據(jù)大爆炸理論預(yù)測，現(xiàn)在應(yīng)該存在所謂的3K微波背景輻射，這一點(diǎn)已經(jīng)被觀測所證實(shí)。根據(jù)大爆炸理論計(jì)算出的各種化學(xué)元素的一些豐度分布也得到了天文觀測的證實(shí)。這種大爆炸理論基本上是一種物理理論，因此被稱為宇宙的標(biāo)準(zhǔn)理論。
在粒子物理領(lǐng)域，也有一個標(biāo)準(zhǔn)理論?；玖Ｗ拥目淇四Ｐ?、電弱統(tǒng)一理論和色動力學(xué)理論相結(jié)合，形成了粒子的標(biāo)準(zhǔn)模型。這個標(biāo)準(zhǔn)模型至今依然無敵，所有的實(shí)驗(yàn)事實(shí)都與這個標(biāo)準(zhǔn)模型一致。然而，如果能量進(jìn)一步增加，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能會偏離這個標(biāo)準(zhǔn)模型。物理學(xué)家希望測試和改進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)模型，這就是粒子加速器變得越來越大的原因。目前，粒子物理理論取得了巨大成就，但也存在一些問題。最重要的是能量無法增加。這個問題可以通過建造高能加速器，或者利用宇宙射線中的高能粒子來解決，這是近年來天體物理學(xué)中極其活躍和具有挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域。
因此，現(xiàn)代物理學(xué)的研究領(lǐng)域非常廣闊，從最微小的基本粒子一直延伸到浩瀚的宇宙。顯然，在極小和極大的兩個極端處，存在著大片未開發(fā)的處女地。兩者看似截然相反，但在早期宇宙中卻辯證地趨同。需要強(qiáng)調(diào)的是，在物質(zhì)結(jié)構(gòu)的眾多層次中，隨著復(fù)雜性的增加，層出不窮的問題不斷出現(xiàn)物理學(xué)家歷史，給物理學(xué)家?guī)砹诵碌奶魬?zhàn)。比如玻色-愛因斯坦凝聚、超流性、超導(dǎo)性等。這些問題不僅在基礎(chǔ)理論上具有重要意義，而且還可能引發(fā)技術(shù)上的重大變革。
