2006年诺贝尔物理奖授予玛舍（J.C. Mather）和斯穆特（G.F.Smoot）教授，表彰以他们为首的学者利用宇宙背景探索者卫星(Cosmic Background Explorer(COBE))的数据，证实宇宙微波背景辐射的黑体形式，并发现各向异性。这次诺贝尔奖的颁布，肯定了精确宇宙学的一些重要成果。毋庸置疑，精确宇宙学还会不断地获得更多的奖项。

在诺贝尔奖网站上，记载了10月3日当天对斯穆特教授的电话采访。采访者问道：“作为这些观测的结果，作为被证实的大爆炸理论，现在很好地被接受了。是这样的吗？”斯穆特教授立即回答：“大爆炸理论是被接受的宇宙论。（我们）绝不能完全证实任何理论，不过，它是被接受的宇宙论。”[1]

斯穆特教授在肯定大爆炸宇宙论的同时，强调“绝不能完全证实任何理论”。这无疑是正确的。同时，这也反映了广义相对论和以其为基础的宇宙论现在所处的境地。

一、相对论物理面临挑战

   近十年来的观测表明：我们的宇宙几乎完全是暗的：约百分之70几是“暗能量”，约百分之20几是“暗物质”，只有约百分之4点几为已知物质，其中包括各类星体所占的千分之几。宇宙在加速膨胀，并不渐近于闵氏空时，而可能具有正的宇宙常数，渐近于常曲率为正的德西特空时。然而，按照通常处理，德西特空时有许多疑难：能量不正定、没有超对称，更谈不上超弦；如果把宇宙常数解释为量子“真空能”，理论比观测大122个量级！等等。

美国能源部和国家自然科学基金，组织专家撰写，在2004年公开发表了《量子宇宙－21世纪粒子物理学的革命》一书[2]。提出粒子物理，其实是整个物理学所面临的9大问题：1. 有尚未发现的自然原理：新的对称性，新的物理规律吗？2. 我们如何解释暗能量的奥秘？3. 是否存在额外的空间维度？4. 是否所有的相互作用力都统一为一种？5. 为什么有如此多的（基本）粒子？6. 什么是暗物质？我们能够在实验室中造出来吗？7. 中微子告诉我们什么？8. 宇宙如何演化到现在的？9. 反物质哪里去了？

同年，美国加州大学圣巴巴拉分校的Kavli理论物理研究所为庆祝建所25周年，举行“物理学的未来”研讨会。几位诺贝尔物理学奖获得者和许多著名物理学家与会，共同研讨这一议题。研讨会结束前，当年的诺贝尔物理奖获得者，所长大卫.格罗斯以“物理学的未来”为题作总结发言，他依据与会者提出的问题，为今后25年科学，主要是物理学的发展提出25个问题。后来归纳如下：1宇宙如何开始？2什么是弥漫于宇宙中暗物质的性质？3．什么是引起宇宙加速膨胀的暗能量的性质？ 4.宇宙中星体和行星如何形成？5．爱因斯坦广义相对论在极强引力时成立吗？6.量子力学是自然最终的描述吗？7.什么是基本粒子奇怪质量谱的起源？8.超对称是自然界真实的性质吗？会在哪里出现？9.能否解出量子色动力学？10.什么是弦理论？11.什么是空间和时间真实的性质？12.物理学是环境科学吗？13.运动学和动力学应该区分吗？14.有没有凝聚固态物质的新的状态？ 15.对于复杂的混沌的动力系统，能够得到真实的定量的理解吗？16.量子计算机如何实现？17.有可能构造室温超导体吗？18.生物学有没有一般的理论？对于生物学需要发展新的数学吗？19.能够使基因学成为一门有预见性的科学吗？20.什么是意识的物理基础？能够估量婴儿意识的发端吗？21.何时计算机能够创造理论物理？将如何训练之？22.物理能够保持统一，而不分裂为各式各样的分支吗？23.大事物的行为能够至少在原则上，完全由小事物决定吗？24.什么是理论物理适当的作用----实验的奴仆或者更高水平理解的成就？25. 怎样应对大科学由于新仪器越来越昂贵这一严重危机?

这些不仅几乎涵盖了物理学从微观、宏观到宇观的所有基本问题，而且包括了生命和意识的起源，计算机科学与人工智能，涉及到复杂性和还原论，以及理论与实验的关系，物理学发展的前景，等等。也就在这次报告中，格罗斯提出：“知识最重要的产品是无知。”

其实，早在2000年召开的弦论会议上，由格罗斯和著名弦理论家威滕和达夫，从与会者提出的种种问题中，就曾汇总出跨世纪的十大理论问题：1．表征物理宇宙的所有（可测量的）无量纲参数是否原则上都是可计算的，或其中某些仅仅是由历史或量子力学等偶然因素所确定，因而是不可计算的？

2．量子引力如何有助于解释宇宙起源问题？3．什么是质子的寿命？理论上如何解释？4．自然是超对称的吗？若是，超对称怎样破缺？5．为什么宇宙看来只有一维时间和三维空间？6．为何宇宙常数会有其值？是零吗？是常数吗? 7．何为M理论基本自由度？果真描述自然吗？8．如何解决黑洞的信息佯谬？9．引力尺度和基本粒子的典型尺度之间的差异如此巨大，什么物理可以予以解释？10．如何定量解释量子色动力学中的夸克胶子的禁闭，以及质量间隙的存在？[4]

这里的第1个问题涉及物理学中的无量纲常数的起源。如，量子电动力学中的精细结构常数；任何一对轻子或夸克质量之比，都是无量纲常数。至今，对于这些无量纲参数，物理学都是作为待定参数引进的，具体数值要由实验确定。这个问题与前面25个问题中的第12个问题是一致的。那里所谓的环境科学是指，物理理论是否与“环境”相关：物理的基本参数和规律都可以计算，还是仅由历史的或量子的偶然性决定，或者是由人择原理来确定？超弦的景观图像是对的吗？

从这里的第6个问题可以看出，当时弦理论家对于宇宙常数很可能为正，这一最新天文观测的结果是持怀疑态度的。

我们无需详细解释近几年物理学家提出的这些重大问题及其变迁，只需浏览并加以比较，就会发现当前物理学的状况，与19世纪末20世纪初时非常相似，物理学的发展，特别是相对论物理又到了一个重要关头，面临着巨大的挑战。

著名物理学家，诺贝尔奖获得者温伯格，早在上个世纪70年代初就提出：“物理学并不是一个已经完成的逻辑体系。相反，它每时每刻都存在着一些概念上的巨大混乱。有些观念像民间史诗那样，从往昔英雄时代流传下来；另一些则像乌托邦小说那样，产生于对将来也许有的伟大综合理论的向往之中。”[5]

现在，情况更为突出。问题出在哪里？

所有上面提出的问题，都没有涉及爱因斯坦狭义相对论在宇宙尺度上是否仍然成立的问题。其实，这恰恰是问题的关键。宇宙的渐近行为已经暗示着这一点。而且，利用普朗克常数、光速、牛顿引力常数和宇宙学常数，也可以构成一个无量纲参数g，其平方即普朗克尺度的平方与宇宙常数之积，恰恰为前面提及的10的-122次方。这暗示着，宇宙常数应该和普朗克常数、光速、牛顿引力常数一样，是自然界的一个基本常数；其起源并非什么“真空能”，而是更深刻的问题：能否计算常数g？那么，如何在原理的意义上引入这个常数呢？

二、二十世纪物理学取得重大发展

另一方面，上述面临的诸多问题也恰恰表明，物理学作为自然科学中最为基础的学科，在上个世纪取得了重大发展，而重大发展又带来一系列新的问题。

物理学研究涉及几个方面：物质各种形态及运动的起源、性质、构成、统一、呈现和演化的基本规律；时间-空间和宇宙的起源、性质、呈现和演化的基本规律；测量、实验和观测的方法和规律，等等；甚至，还涉及到生命以及意识的起源、呈现和演化。物理学这些基本问题的研究，越来越具有非常强的哲学背景和意义。

物理学在微观、宇观和复杂性这几个方面取得了革命性的重大进展：量子论的建立和发展，狭义和广义相对论的建立和发展，宇宙作为一个演化整体的确立，不同尺度和复杂性物态的认识，等等。量子论和相对论已经成为当代物理学的理论基础；当代物理学已进展到前所未有的深度、广度和复杂程度；物理学实验和观测所直接涉及的领域，在空间-时间尺度上，从小至10^-17厘米到整个宇宙的尺度（137亿光年）；在理论上，则小到普朗克尺度(10^-33厘米)，并追溯到宇宙的创生。

现在的物理学已非常庞大，包含许多分支：高能物理或粒子物理、核物理、等离子体物理、凝聚态物理、原子分子物理、光物理、声学、引力和天体物理，理论物理，计算物理和应用物理，等等。然而，这也引起前面提到的问题：如何保持物理学内在的统一性？还是不断分成若干小的独立分支？

物理学的研究离不开数学表述和概括，物理学研究提出的数学问题，往往又促进着数学的发展。物理学不仅与力学、化学、天文学、地质学、材料科学、生物学和生命科学等有密切关系，甚至与社会科学，如金融与经济学有密切关系；物理学与经济学和金融学交叉导致经济物理学(econophysics)的出现，等等。

物理学经过长足发展，与现代技术之间交相呼应，已经成为发展科学技术，促进社会进步的重要基础学科。物理学的基础研究和应用开发的相互结合非常紧密。一方面，应用开发对于基础研究提出要求；另一方面，不断深入和精确的基础研究对于新技术、新设备，以及计算机和计算技术等的需求也越来越高。物理学涌现出的思想、原理、方法和实验手段和技术等等，不断促成新技术和新产业的出现和生长；物理学对于现代技术发展和社会进步的影响，往往难以估计。源于高能物理的互联网，对于当代社会各个方面的变革非常突出；激光技术、纳米技术等等的广泛应用也都如此。

总之，当代物理学的综合、广泛、深入、复杂、创新和应用，不断推动科学和技术，以及社会的发展和进步，不断丰富着人类的思维方式。这些都具有鲜明的时代特征。

三、物理学面临的一些基本问题

然而，物理学的重大发展，又揭示种种新问题。事实上，物理学史上从来没有不存在问题的理论体系。前面提到的几个权威性的提法充分反映了目前的状况。

其实，作为物理学基础的量子论和相对论一直存在着一些基本问题，值得注意。

就非相对论性量子力学而言，其本质到底是什么？量子测量过程在理论上如何描述？对于这些基本问题，一直存在着激烈争论。早在上个世纪30年代，爱因斯坦、勃多尔斯基和罗森提出EPR佯谬的理想实验，试图说明量子力学在本质上是与狭义相对论相矛盾的。薛定格也提出著名的薛定格猫的理想实验，试图说明量子力学的几率解释与日常生活的经验相悖。80年代以来，由于实验技术的发展，当初的理想实验在原则上得以具体实现。结果表明，量子力学是正确的；不过，也没有否认狭义相对论。但是，却提出了如何理解量子纠缠、量子隐态传输、量子信息和量子计算等一系列新课题。前面提及的许多问题，都涉及到量子理论的实质；这值得特别注意。早在量子论的初期就出现的“零点能”，涉及到“真空”的性质。其本质到底是什么？至今并不清楚。如果把在宇宙尺度上的“零点能”，看成为宇宙常数，那就导致122次方的巨大差异。

狭义相对论仍然包含着单程光速不变的假定，这与假定静止钟的固有时、静止尺的固有长度分别服从欧几里德几何有密切联系。最新观测已经表明，加速膨胀的暗宇宙，并不趋向于平直的闵氏空时；因而在宇观尺度上并不支持这些假定。这一点，在上面所有提出的问题中都没有涉及。然而，这却很可能是暗宇宙挑战最为要害之处。

包括惯性运动、惯性系以及狭义相对性原理在内的惯性原理，是牛顿力学和狭义相对论的重要基本原理；也是量子理论定义物理量，引进运动方程的出发点。精确宇宙学的观测事实，是否对于这个极其重要的原理有所暗示？这值得深思。

至于量子论与狭义相对论的结合——量子场论，的确取得了实验和观测验证的巨大进展，也同时也带来了一系列极其深刻的问题有待解决。例如，描述物质基本组分（夸克和轻子）之间的弱-电磁-强作用的标准模型虽然取得了成功，在目前能够达到的能量标度下与粒子物理的实验符合，而且微扰论的一些计算结果与实验符合到十一位有效数字，这是任何自然科学理论都从来没有达到过的精度。然而，这个理论中的“基本粒子”有五十几种，包含二十几个参数需要由实验确定，它们涉及质量和电荷以及弱作用和强作用强度、电荷共轭与空间反演分别和共同破坏的本质，等等；其中，仅仅是夸克质量的参数就会差上许多量级；如何解释这样奇特的质量谱？不仅如此，如此精确的微扰计算，却在理论上是不成立的。而且，使得传递弱作用的中间玻色子获得质量的对称自发破缺机制，却也带来了前面提及的宇宙常数数量级上的巨大疑难。

其实，“真空”的性质在力学和物理学中的作用一直非常重要，在量子场论中更是这样。精确的微扰计算总要出现“真空涨落”，对称自发破缺涉及真空能量，夸克囚禁的问题，也很可能与真空的性质密切相关。而“真空”的性质，恰恰既具有局部性质，也具有大范围性质，以及二者之间的联系。事实上，我们宇宙的挑战，恰恰涉及宇宙尺度上真空的性质。

著名物理学家、诺贝尔奖获得者安德森说得好，“更多是不同的”[6]。

复杂性研究已经成为物理基础研究的一个重要方向。复杂系统的规律难道能够归结为个体或极少体的规律吗？在任何尺度或者能标上，从来没有过。其实，极其多相同个体组成的系统，往往满足随机和统计规律。已经知道，随机和统计规律是不能还原为个体规律的。何况既不太多、又不很少的个体所组成的系统的行为，往往更为复杂。

其实，在不同尺度上复杂系统作为整体，呈现出什么新的运动形态和规律？这个问题，至少与个体或者极少体运动形态和规律的研究，具有同等的重要性和基础性。

从数量上看，组成大分子的原子数目多到一定程度，便从无机物的分子突变为有机物的分子；进而，会呈现出生命，涉及到意识起源。

在主要是粒子物理、宇宙学、弦理论等方面的学者所参与的关于“物理学的未来”会议上，作为粒子物理学家和弦理论家格罗斯所提出的25个重大问题中，复杂性问题及其与还原论的关系，占有重要的地位；这具有重要意义。

在一定程度上，格罗斯所说的“知识最重要的产品是无知”，的确反映了上个世纪物理学取得突破进展的同时，世纪末的物理学又面临新的挑战的实际情况。

其实，除了“无知”这一最重要的产品之外，知识还有副产品。权威、自封“权威”和偏见等等就是；偏见比无知离真理更远，权威性的偏见则会导致谬误和压制，自封“权威”们造成的局面甚至会更加糟糕。有人以为，这种说法“颠覆了人类的自信”。其实不然，承认无知是求知之始。孔子说：“知之为知之，不知为不知，是知也。”(《论语·为政》) 就含有这个意思。不过，孔子又认为：“君子有三畏：畏天命，畏大人，畏圣人之言。小人不知天命而不畏也，狎大人，侮圣人之言。”（《论语·季氏》）似乎，“天命”早就知道了，无需再求知、探讨，否则就会成为“小人”？

历史上，已经有过几次对物理学发展的错误估计。建立在以为“物理学应该没有多少发展”，“世界已经在我们的掌握之中”，这类误解基础上的所谓“人类的自信”，或许是来自某些权威、甚至自认“权威”们的偏见。物理学发展的过程，也是不断地“颠覆”这类出于权威偏见的所谓“自信”的过程。

如何对待权威，爱因斯坦是我们的榜样。爱因斯坦盛赞伽利略的英雄人格和科学成就，极其赞赏伽利略所代表的主导思想：“竭力反对任何根据权威而产生的教条。只承认经验和周密的思考才是真理的标准。”[7]事实上，这也恰恰是爱因斯坦创造奇迹，取得成功的重要原因之一。“作为对我蔑视权威的惩罚，命运竟然使我自己也成了权威。”如此豁达地自嘲的爱因斯坦，当然不会希望他的理论成为“根据权威而产生的教条”。

结 语

COBE的成就获得了诺贝尔物理奖，这当然是对于精确宇宙学的一种肯定。采访者与获奖者之一的斯穆特的对话值得回味，特别是斯穆特强调，“大爆炸理论是被接受的宇宙论。（我们）绝不能完全证实任何理论”。事实上，皮伯斯等在一篇有关宇宙常数与暗能量的综述文章中指出：“如果精确宇宙学基于有缺憾的物理学和天文学，就不那么有兴趣。这是我们为什么强调检验标准引力物理和结构形成模型…”[8]。大爆炸理论基于广义相对论，如果广义相对论有缺憾，那会怎么样呢？大爆炸理论及广义相对论都是被接受的，但是，并没有完全被证实。特别是广义相对论，作为除了牛顿引力理论之外的“标准引力物理”必须接受检验。

爱因斯坦认为，“物理学构成一种处在不断进化过程中的思想逻辑体系。”“进化的方向是增加逻辑基础（原理）的简单性。”[9]“我们应该准备改变这些概念----即物理的原理基础，以便以逻辑上最完美的方式审慎已认识到的事实。”[10]这里，爱因斯坦显然在暗示他当时尚未实现的统一场论的追求。在今天，这也是弦理论的追求。其实，一种逻辑体系，无所谓进化；一系列未完成的逻辑体系之间，或许有发展或进化的关系可言。

已经成为上个世纪最伟大的科学家的爱因斯坦，在晚年写道：“大家都认为，当我回顾自己一生的工作时，会感到坦然和满意。但事实恰恰相反。在我提出的概念中，没有一个我确信能坚如磐石，我也没有把握自己总体上是否处于正确的轨道。”爱因斯坦的这种不断反思、不断进取的精神，非常值得汲取。

事实上，爱因斯坦相对论体系的建立和发展的过程表明，物理学理论并不完备，总是处在不断追求完备的过程之中。那么，向哪里进化？向哪里追求？什么是可能正确的途径？

在结合新的观测事实，在尴尬中冷静地周密思考，探索相对论物理进化方向的过程中，爱因斯坦关于“进化的方向是增加逻辑基础（原理）的简单性”的教诲，值得我们注意。这也是对于爱因斯坦相对论进行检验的一个重要方面。

1．  http://nobelprize.org/nobel\_prizes/physics.

2．  http://interactions.org/quantumuniverse.

3．  http://online.itp.ucsb.edu/online/kitp25/gross.

4．  “Millennium Madness” -- Physics Problems for the Next Millennium, Strings 2000. July 10-15, Univ. Michigan. http://feynman.physics.lsa.umich.edu/strings2000 .

5．  温伯格1972，《引力论与宇宙论》，邹振隆等译，科学出版社，1980。

6．  P.W. Anderson, More is different，Science, New Series, 177, 4047, (Aug. 4, 1972), 393-396.

7．  爱因斯坦，《为德雷克英译伽利略的〈对话〉所写的序言》，1953年。

8．  P.J.E. Peebles and B. Ratra, The cosmological constant and dark energy, Rev. Mod. Phys. 75 (2003)559 - 606.

9．  爱因斯坦，《物理学与实在》1936年

10．              爱因斯坦，《麦克斯韦对物理实在观念发展的影响》，1931年。