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物理学理论的每一次突破都给当时的社会生产力带来全新的突破。从蒸汽机到发电机，再到如今的芯片和计算机的发明，人类社会经历了翻天覆地的变化。现代物理学究竟有什么发展？它的未来又将走向何方？对于未来的想象与好奇，可能让很多人的心里都有类似的思考与困惑。
物理学是研究自然规律和物质结构的学科。它的研究对象非常广——从我们肉眼根本看不见的一些基本粒子，比如夸克、电子、中微子，一直到广袤无垠的宇宙，以及这些物质的运动或相互作用引发的千奇百怪的现象。现代物理学发展的现状和未来趋势这个问题非常宏大，我们还需要从最基本的开始说起。
现代物理学研究有两种范式，或者也可以称为两种路线图，其中一种范式叫“ 还原论 ”。
还原论其实也是一种哲学思想，它认为所有复杂的系统和现象都可以通过拆解各环节来理解。在自然科学中，还原论的基本原理也十分类似，认为自然界的一切都是由最基本的组成单元和基本规律决定的。我们如果能够有办法获知自然界的基本组成单元和基本规律，就能知道自然界的一切规律。经典物理、原子物理、核物理、粒子物理等学科的研究遵守的就是还原论范式。
按照还原论的范式，物理学的研究目标就是要寻找物质世界的基本结构和基本规律。比如，发现构成物质的基本粒子是什么。从东方《庄子·天下》的“一尺之棰，日取其半，万世不竭”到西方德谟克利特（Democritus）的“原子论”，物质是否无限可分？这是一个很基本的问题。
给大家举个例子，我们知道水由水分子组成。在水分子不被破坏的情况下，水和冰中的水分子排列组合方式有什么不同？溶液中的离子是如何和水分子相互作用的？这些和水分子密切相关的性质就是化学和分子物理研究的内容。如果我们把视野进一步缩小，水分子不是不可分割的微粒，同样也是有结构的——一个水分子是由两个氢原子和一个氧原子组成的。原子之间形成化学键，这些问题在量子力学范围内都是可以计算的。
同样，原子也是有结构的，这是原子物理学的范畴——它里面有电子，还有原子核。电子是基本粒子之一，不可再分，但原子核还可以继续分。原子核是由质子和中子构成的，这脱离了原子物理学的范畴，进入核物理研究的领域。构成水分子的氧-16原子核中有8个质子和8个中子。
那么，这些质子和中子有没有更细致的内部结构呢？物理学家发现，质子和中子是由夸克组成的，对夸克等基本粒子的研究则属于粒子物理范畴。夸克是不是有结构？目前理论中的基本粒子是否真的足够“基本”，不可分割？类似上面这些的问题，我们可以一直问下去，但现在我们不知道这些问题的答案。因为我们目前还没有加速器能探测到夸克内部的结构。
当然，为了探究如此微小的结构中的规律，人们也付出了非常大的努力。现代粒子物理的研究依赖粒子加速器和高能宇宙射线，不是因为人们不想，而是因为粒子的尺度实在太小，只有通过高能粒子的碰撞，分析对撞后产生的次级粒子、次级粒子衰变等的结果反推基本粒子相互作用的规律。只有积累大量的实验数据以后，才能得到可信的结论——希格斯玻色子的发现，欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）从开始搜集数据到最后公布结论用了整整三年。这还没有计算前期其他加速器为了缩小搜索范围以及LHC应对实验设备升级与事故所花费的更长的时间。为了回答在此之后粒子物理所研究的超对称粒子、额外维、反物质去向、超弦模型等问题，按照现有技术手段，加速器的尺寸和耗能还要增加不知凡几。为了探索更深层次物质的基本结构和基本规律，人类不仅需要理论的突破，还需要实验手段的突破。
从20世纪被广泛使用的云雾室（也称云室）到后来的回旋加速器，再到如今最大的同步加速器LHC；从盖革计数器到闪烁体探测器，再到如今能将光信号放大100亿倍的光电倍增管……人们发明了各式各样的仪器，以前所未有的精度探测微观粒子。如今，我们知道组成这个世界的基本粒子一共有三类：第一类是夸克，一共有六种；第二类是轻子，一共有三种，包括电子、μ子、τ子；第三是中微子，同样也有三种，包括电子中微子、μ中微子、τ中微子。除此之外，还有传递这些基本粒子之间相互作用的玻色子，比如：光子，传递电磁相互作用——我们看见的光，就是光子；胶子，传递强相互作用；还有Z玻色子、W玻色子。在标准模型中最后一个还没被提到的，也是最晚被发现的，正是前几年非常轰动的一个粒子，叫“ 希格斯粒子 ”，也叫“ 上帝粒子 ”。随着2013年3月14日CERN发布新闻稿公开确认希格斯粒子的发现，人类终于把这块拼图补上。
当然，除了发现物质微观的基本结构，还原论还有个目标——发现支配物质运动的基本相互作用和基本规律。经过几十年的奋斗，如今我们知道，自然界有四种基本相互作用力：引力相互作用、电磁相互作用、原子核衰变时才会观测到的弱相互作用，还有中子、质子之间的强相互作用。 引力相互作用 的发现就是一个典型的例子。
引力相互作用实际上是我们认识最早的物质基本相互作用之一，因为我们就生活在由地球、月球、太阳等天体组成的引力场里面，感受到我们对地面的压力，观察到海边规律的潮汐。但在中世纪之前，人们对于这种能够支配星辰的基本相互作用的理解仅停留在模型层面。真正从理论上对天体运动规律进行系统化的研究，还要从开普勒提出行星运动三定律开始。开普勒在总结了他的导师第谷大量实验观测数据的基础上，提出了行星运动三定律。牛顿又在开普勒行星运动三定律的基础上发现了万有引力定律。当然，这把我们对宇宙的认识提高了一大截。
自从牛顿提出万有引力定律以后，天文学家就开始利用这一规律计算行星的运动轨迹和它们出现在天空中的具体位置。正是根据天王星计算出来的轨道和实际观测位置的误差，三位年轻的天文学家伽勒（Johann Gottfried Galle）、亚当斯（John Couch Adams）和勒威耶（Urbain Jean Joseph Le Verrier）通过数学计算和天文观测发现了海王星。
爱因斯坦则在牛顿的基础上进一步发现了广义相对论，把我们认识的引力和时空结合在一起，预言了黑洞、引力波等一系列新奇而又引人入胜的现象。随着引力理论在一步一步地往前走，我们的认识越来越深入。引力理论是不是发展到广义相对论就到头了呢？也不是。
因为我们现在根据天文观测就会发现，在我们认识的这个世界里，真正“看见”的物质，其实只占整个宇宙非常小的一部分——只有4%。还有96%，是所谓的 暗物质 、 暗能量 。至于暗物质、暗能量到底是什么，虽然物理学家有诸多猜测，比如暗物质可能是大质量弱相互作用粒子、惰性中微子等，但时至今日，我们对此依旧一无所知。对于暗物质和暗能量的探测和认识还在进一步深入，我想我们未来会有更新、更好的理论出现。
回到这四种基本相互作用力上，它们相互之间的能量尺度并不相同，这里的能量尺度指相互作用的强度。那这些截然不同的相互作用之间有关系吗？这个问题也是爱因斯坦建立广义相对论以后，在他的后半生花大量精力研究的问题。爱因斯坦希望能够将电磁相互作用和引力相互作用统一，建立起一个统一的场论。但很可惜，一直到他去世，也没能成功。在爱因斯坦去世之后，20世纪60年代，三位理论物理学家萨拉姆（Abdus Salam）、温伯格（Steven Weinberg）、格拉肖（Sheldon Lee Glashow）部分地完成了这项未竟事业，把电磁相互作用和弱相互作用统一了，建立起弱电相互作用的规范场论。后来大家又试图继续把统一的家族扩大，将三种相互作用——电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用统一到同一个框架下，这也被称为“ 大统一理论 ”。不过，大统一理论目前还没有得到实验的验证。至于更大的统一场论——把四种相互作用统一的场论，目前还没有。
回到物理学研究范式的讨论上，标准模型中基本粒子的发现和基本相互作用的统一是还原论非常成功的地方，而这个成功似乎又一次让我们感觉达到了物理学的顶峰，一如19世纪末的状况。科学家接下来要做的事情只是“修补”这里面的“窟窿”。
在讲修补物理学的“窟窿”之前，我们可以先问自己一个问题：知道基本粒子和基本相互作用，就能知道一切吗？在回答这个问题之前，先看一个简单的案例。
我们都知道水是由水分子组成的，为了从原子层面计算水分子的运动规律，需要计算量子力学的薛定谔方程。在这个方程中，三维空间中每个电子的坐标都是变量，而在一个水分子中，一共有18个电子（氧原子中有16个电子，氢原子中有1个电子），对应54个变量。如果我们需要计算大量的水分子，这里所谓的“大量”还只是几十个水分子，求解薛定谔方程就变得极为困难了。1998年诺贝尔化学奖得主、奥地利裔物理学家沃尔特·科恩（Walter Kohn）将这个问题形象地称为“指数墙”问题。从另一个角度讲，量子力学的描述也不一定对我们研究水的规律性有足够的指导意义。自然界中存在各种各样形态的水，它可以是气态的水蒸气，它也可以变成我们日常喝的水那样的液体。如果把温度降低一点，它还会变成冰，变成固体。这些不同的形态都有各自的运动规律和运动形式，很难直接从量子力学来给出肯定性或准确性的描述。
所以知道基本粒子和基本相互作用，就能知道一切吗？答案是否定的。
前面已经提到，现代物理学研究有两种范式，或者也可以称为两种路线图。还原论已经介绍过了，另外一种则叫“ 演生论 ”。与还原论试图“分而治之”相反，演生论认为客观世界的变化是无穷无尽、分层次的。 演生论就是研究大量粒子聚集在一起的时候所呈现的规律 。凝聚态物理、热力学、统计物理研究的主要范式就是演生论。
1977年诺贝尔奖得主，著名物理学家安德森（Philip Warren Anderson），曾经对演生论有一段非常精辟的论述。
大型复杂基本粒子集合体的行为，并不能按照少数基本粒子性质的简单外推来理解。恰恰相反，在复杂性的每一个层次都有崭新的规律；在我看来，为理解这些新行为所进行的研究，本质上是同样基础性的。
层级的划分可以从多个角度展开。就 时间层次 而言，人的一生中青少年时期与中年、老年时期的行为模式并不相同；从地月系和太阳系，到银河系和星系团，不同 空间层次 的天文系统现象也并不相同；从互不影响到多体纠缠，系统中 关联层次 的不同也意味着层级的不同。当然我们还可以从学科视角看，物理、化学、生物，还有由人构成的社会各自构成不同的层次。物理的规律和化学的规律是不一样的，化学与生物也不尽相同，到了意识这个层次就更加复杂。至于社会中人与人之间接触的规律，则已经进入心理学和社会学的范畴。
为什么把大量的粒子放到一起之后，会呈现出不同的规律？从物理学角度来讲，这里至少有三个原因。
1. 量变引起质变。 用更加专业的术语来讲，随着系统中粒子数量的增加，当其增加到无限大的时候，物理系统中会出现相变，本来可以连续变化的物理量将会变得不再连续。这个过程也被称为“热力学极限”。比如水存在气态、固态、液态三相，而一个水分子显然不存在三相。
2. 多粒子系统中存在强烈的非线性效应，甚至混沌效应。 什么是混沌效应？指系统初期非常小的扰动，会使得系统最终演化到一个想象不到的状态上去，这通常也被称为“ 蝴蝶效应 ”——在南半球的一只蝴蝶扇了一下翅膀，结果北半球出现了一场龙卷风。
3. 量子系统中存在量子纠缠，粒子被非常强地关联在一起，“牵一发而动全身”。 此时系统中一加一不等于二，任何一个粒子有一点点变化，其他的粒子都会感受得到并做出反馈。有时这种关联引起的现象可能会完全超乎你的想象，比如超导现象和超流现象。
在自然界中存在很多导电性能非常好的材料，比如很多金属，人们用它们制作成了导线和各种电器。不管是金、银、铜，还是铁，虽然它们的导电性很好，但依旧存在电阻，电流无法无阻碍地通过，一旦通电就会产生热量。在自然界中还存在另外一些特别的导体，当你把温度降到足够低以后，它们会变成超导体。此时电阻突然消失，超导体中的载流子发生很强的关联，电流可以在其中无阻碍地流动。而且超导体还存在抗磁效应，将它放到磁场中会产生非常强的排斥磁场的力。这个排斥力非常强，超导磁悬浮列车正是利用这一排斥力将列车悬浮在空中的。
超流则指流体中的黏滞力完全消失。我们知道流体在流动时会受到一定的阻力，这个阻力就是黏滞力——同样用吸管喝饮料，吸酸奶比吸牛奶费劲得多，就是因为流动的酸奶黏滞力比流动的牛奶更大。本来流体流动时多多少少都受一定的阻力，但人们发现如果将液氦降到足够低的温度后，它会变成一个超流体。在这种状态下，液氦的黏滞力消失了。如果存在一种超流状态的酸奶，用吸管吸这种酸奶将毫不费力。超导和超流现象都是关联效应的体现，必须将量子力学和统计物理的知识结合起来才能理解。
从20世纪中叶开始，多粒子系统中丰富的物理现象使得演生论逐渐从配角身份变成如今物理学研究的主角之一。
研究多粒子系统演生规律的学科主要有三个—— 热力学、统计力学与凝聚态物理 。热力学和统计力学是从19世纪就已经开始发展的学科，在20世纪以后新发现的量子统计又一次极大地丰富了统计物理的内涵，使得物质世界的现象变得更加丰富多彩，而另外一个研究演生规律的学科则是 凝聚态物理 。凝聚态物理主要是研究固体、一部分液体和胶体的物质运动规律的学科。凝聚态物理也是现在物理学最大的一个分支学科，是信息科学、材料科学和能源科学等学科发展和技术进步的基础。
凝聚态物理在不断开枝散叶的同时，极大地改变了我们的生活。现代社会已经离不开芯片，半导体物理的发展是现在信息技术发展的基础。另外，半导体对于新能源的发展也是很重要的，比如太阳能电池效率的进一步提高，锂电池乃至钠电池等新能源电池材料的发展都离不开对半导体材料的探索。磁学是凝聚态物理的另外一个分支，我们现在的磁存储技术，还有核磁成像医学诊断，都是磁学研究成果的应用。凝聚态物理的第三个分支是超导物理。前面我们已经介绍了什么是超导体，实际上超导体也拥有广泛的应用前景，光是能够让电流无阻碍地传输这一点，就可以用它帮助我们实现无能耗的输电。另外，可控核聚变技术路线之一的托卡马克装置的进一步升级，也和超导物理息息相关，托卡马克一旦成功的话，将会引发能源技术的革命，会彻底解决能源短缺问题。表面物理也是凝聚态物理的分支之一，和化学与其他应用学科有非常强的联系。
那么，物理学的创造性思维究竟是什么？当然，这实际上是一个很难回答的问题。但是，如果看一看物理学取得突破的主要因素是什么，也许能够给我们提供一点线索。我们认为，物理学取得突破有四个主要因素。这里借用量子力学中矩阵力学的发展作为例子。
有新的实验发现。 量子力学的研究起源于对光谱的研究。历史上针对光谱的研究很早就有了，牛顿利用三棱镜将来自太阳的白光分解成各种色光，揭开了光谱学研究的序幕。后来发展的衍射光栅和分光计允许人们使用非常高的精度观察和量化光谱中谱线的波长。通过对太阳、金属和气体的光谱的观察，我们已经明白了光谱对应于特定的化学元素，并因此发现了新元素，比如氦是从太阳光谱中发现的，这也是唯一一个首先在地球以外发现的元素。而针对氢原子谱线的波长，人们的研究更为彻底。1885年，年近60岁的瑞士数学老师巴尔末（Johann Jakob Balmer）提出了巴尔末公式，通过公式计算得到的谱线波长与实验测量值误差在1/40000以内。
旧的理论体系出现危机。 承接上一步，实验中的新发现在过去的理论体系中得不到解释，而为什么氢原子的光谱会出现分立的谱线？这些谱线的波长又为什么满足巴尔末公式？这些问题在电磁学中无法找到答案。为了研究原子光谱，肯定要先了解原子。随着人们对于原子研究的不断深入，原子的结构似乎更加清晰地摆在人们眼前。比如卢瑟福的氦原子核散射实验揭示了原子内部其实十分空旷，电子可能是绕着位于中心的原子核，就像行星绕着太阳一样运动。
不过，这个模型依旧遭到了很多人的攻击。在进入原子这样微小的尺度以后，原本很完美的经典电磁理论遭遇了明显的瓶颈。如果借用经典电磁理论中的加速电子辐射电磁波公式，原子甚至会直接崩溃，更不用说分立的能量状态在经典电磁理论中同样难以构造模型。
玻尔有针对性地提出了定态和跃迁的概念，并假设氢原子中电子绕原子核进行圆周运动；轨道中电子的角动量是量子化的。在这些概念和假设的辅助下，玻尔几乎完美地解决了氢原子光谱的问题，甚至可以将这个理论推广至其他元素。但对于氢原子光谱的谱线强度与更为精细的谱线结构，或者氦原子的光谱，玻尔模型无能为力。虽然黎明的曙光近在眼前，但对于光谱和原子结构模型的每一次猜想，都在解决部分问题的同时留下另一个扑朔迷离的问题。回过头来看，可以看到大家对于原子的图像非但没有变得更加清晰，反而越来越迷雾重重，一个又一个的矛盾环环相扣。
新的数学语言出现，或者要发展新的数学语言。 矩阵这一概念的雏形早已有之，为了直观地展示线性方程组的求解，中国古代的《九章算术》就把方程的系数摆成方阵。但真的将矩阵的表述规范化乃至能将其发展成适用于量子力学所需要的无穷维矩阵，则一直要到19世纪末20世纪初。不过对当时的物理学家而言，矩阵概念并不熟悉，平时使用最多的数学工具是微积分。海森伯在处理如何解决从经典理论到量子理论过渡的过程中，遇到了同样的问题。玻尔革命性地引入了定态的概念，解释了氢原子的光谱谱线为何是分立的，但是并没有解决一般情形下如何把经典理论自然地过渡为量子理论。
所以，海森伯在思考这个问题时，对跃迁和定态的概念进一步扩展。首先，因为在玻尔对氢原子模型的解释中可以看到，电子在特定时间所处的位置已经没有意义，只有定态和跃迁。所以为了让量子力学解决这个“位置”问题，只能把“位置”写成一张表，这张表的每一行和每一列代表跃迁出发的态和结束的态，用跃迁的方式表达电子的“位置”。当然上面的分析其实对于所有物理量都成立，在量子力学里，经典的动量 p ，应该扩展成（ p ） mn ，也就是定态之间的跃迁振幅。现在的我们知道，这就是矩阵。
根据矩阵的乘法，假如矩阵 A 、 B 、 C 满足 C = AB （比如动能和动量之间的关系就满足这种乘法关系），那么 C 的矩阵元是
回到我们开始在计算物理量
C
对应的表格的过程，为了计算
C
的跃迁振幅，原子经历的状态是从态
m
跃迁到态
n
，但是有没有可能原子经历的状态从态
m
跃迁到态
l
，再从态
l
跃迁到态
n
呢？把中间所有的可能性全加起来，这个计算的方式正好和矩阵乘法的计算方式不谋而合。
要在一个更高层级上建立一个统一的理论。 在海森伯发展上述矩阵力学的同时，薛定谔也从德布罗意的波动性角度出发，建立了电子应该满足的波动性方程。很快，薛定谔就写出了一系列震惊学界的论文——《量子化就是本征值问题》。在论文中，他第一次给出了如今已经写在量子力学教科书里的薛定谔方程。
并且，他还在数学家外尔（Hermann Weyl）的鼎力相助下成功求解氢原子模型下的薛定谔方程，得到了与玻尔模型一致的结论。这一系列论文得到了普朗克和爱因斯坦的盛赞。区别于当时物理学家觉得抽象和陌生的矩阵力学以及矩阵运算，波动力学用“友好的”微分方程就能解决量子化问题。随着矩阵力学和波动力学的逐渐完善，人们发现这两者只是一个东西的不同表述罢了，本质还是量子力学。由此，人们终于在经典物理理论体系的基础上，迈出了一大步。
原有的理论之所以会出现危机，是因为原有的理论存在适用范围，新发现的实验现象已经不在这个适用范围内。原有的理论适用范围想要更大，就需要在更大的层次上，或者更大的范围上建立新理论。而坚持在厘不清的新现象背后仍有一个新的统一的理论，不被旧思想束缚，“敢教日月换新天”，正是物理学发展的一种非常重要的思维方式。
回顾现代物理学的发展史，我们可以看到现代物理学实际上是个 引领型的基础学科 ，在自身发展的同时也对其他学科起到了推动作用。随着物理学的发展，一些成熟的分支学科会逐渐从物理学中分离出去。天文学、力学和无线电等学科，都是从物理学分离出去从而成为独立学科，光学、声学也部分从物理学独立出去。除此之外，物理学还推动了化学、材料、信息、能源、生命等学科的发展，并与这些学科形成非常紧密的交叉和融合，我们从一些学科的名称就能见到端倪，比如物理化学、化学物理、生物物理、地球物理，等等。这都是学科交叉融合的具体表现。
学科之间的水乳交融，也不断为物理学带来新突破。数学和物理也有非常密切的联系。简单来说， 物理是一个通过数学来揭示自然美的学科 。英国物理学家狄拉克说过一句非常有名的话：
A physical law must possess mathematical beauty.
物理定律必须具有数学美。
纵观物理学的发展，新数学语言的发展对物理确实起到了支撑作用。牛顿力学的建立离不开微积分。因为当时还没有这一数学语言，牛顿就自己创造并发展了微积分。这不光是对物理学的一个巨大贡献，也是对数学的一个巨大贡献。电磁学的发展中用到矢量场论、微分方程——这也是数学里一个重要的分支。广义相对论用到的是 黎曼几何 。黎曼几何和我们中学学的欧几里得几何是不一样的，和笛卡儿的解析几何也是不一样的。欧几里得几何是定义在平直空间的，而黎曼几何是定义在弯曲空间的。量子力学也被称为“矩阵力学”，用到了线性代数，也是数学里面一个很重要的分支。
如今，物理学研究的两种范式——还原论和演生论，各自在不同的领域内发挥着积极的作用，不断为现代物理学添砖加瓦。我们百年前的“决战量子之巅”，至今想来，仍让人觉得惊心动魄，科学家如何抽丝剥茧，从纷繁的自然现象中发现隐藏在背后的最朴素的自然定律。如今的物理学最前沿，同样也在这样发展。
现代物理学将会走向何方？这个问题的答案归根结底可能还需要正在读本书的你来回答。如果你将来打算从事物理学研究，希望你也能像历史上做出重要科学发现的那些科学家一样，成为打破物理学已有理论框架，引领现代物理学发展的那个人。