量子生物學是用量子力學的概念、原理和方法，從分子、原子及電子水平闡明生命現象的學科。1939年Jorolan主張“突變是一種量子過程”。1945 年，薛定諤（Schrödinger）在其著作《生命是什麼》一書中進一步系統地闡述了這一觀念。世紀70年代以來，量子生物學得到迅速發展，主要研究內容有：生物分子的結構與構象、分子間和分子內的相互作用、能量轉移和生物量子效應、致癌物質的結構與突變的量子理論及量子藥物學等。
量子生物學簡介
量子力學誕生不久，一些化學家和物理學家們很快地就把量子力學的觀念和方法廣泛地應用到化學上，終於奠定了量子化學（QuantumChemistry）這門新學科的堅固基礎。近廿年來，量子化學驚人的發展和輝煌的成果，使許多理論化學家、物理學家和生物學家想到為什麼不也把量子力學的觀念和方法應用到生物學上建立一門新的學科──量子生物學（QuantumBiology）？因為他們認為細胞是基本的生物單元，而構成細胞的基本粒子是電子和質子；但是這些基本粒子運動性質並不遵循古典力學而遵循量子力學。因此在理論原則上，似乎可以用量子力學研究構成細胞的原子、電子和質子從而解釋及預測一些生物細胞的現象、行為和性質。但是，也有許多人不同意這種看法。例如理論化學家LonguetHiggins（註一）認為量子力學的方法只能有效地應用到一些牽涉光或放射線的生物過程上（例如光合作用、生物發光，bioluminescence等）而不能應用到不牽涉光或放射線的生物化學反應上（例如蛋白質合成等）。Morowitz（註二）則認為應用量子力學去解釋和預測生物過程為期遙遠而且希望仍甚渺茫。而一些生物學家如Weiss（註三）, Commoner（註四）,Glass（註五）等人甚至認為這是不可能的。Weiss（註三）認為要生物學完全達到像物理學的終點是一個不可實現的幻想，這幻想的造成不是由於對生物系統和它們真正本質缺乏實際的認識便是由於不能明察物理歸謬論證觀念的限制。這些生物學家用盡各種論證來顯示一些規範生物現象的定律遠比那些規範物理和化學現象的定律為普遍且廣泛。由此看來，量子生物學仍是一門爭論未決的新學科。筆者雖然同意這門新學科的發展還有待科學家們的長期努力。但是筆者並不像某些生物學家們那麼悲觀。筆者認為這門新學科將有光明的前途。當然，這樂觀的態度並不是毫無理由的。
首先讓我們來談談把量子力學方法應用於研究生物分子。（biomolecules）的電子結構或應用於研究生物物理（biophysical）或生物化學（biochemical）問題上的必要。我們知道量子生物學目的是在於應用量子力學的一般觀念和方法去研究生物分子的電子結構和行為從而用以解釋一些生命過程或生命現象。這與量子力學應用到化學上的情形非常相似，而量子力學為化學提供了一個全新的觀念基礎，這觀念基礎幫助我們明瞭了化學鍵合，vanderWaals力，氫鍵，電荷遷移複合物（charge transfercomplexes），共振現象（resonance），化學反應性（chemicalreactivity）等的本質。不但使我們了解了許多化學反應或化學現象的原理而且還使我們能預測許多化學反應的過程或結果。無可否認的，生物分子和生物過程一般說來是比一般化學分子和化學反應複雜。但是構成生物分子的基本成份是一般並不很複雜的有機分子。這些年來量子化學家對這些有機分子的研究相當透澈而且成果也相當輝煌。雖然要用以研究更複雜的系統現成的量子力學方法仍需改進，不過這並不是不能克服的困難。生物學變成一種分子科學（molecular science）也快有十七、八年的歷史，分子生物學家們（molecularbiologists）已深深體會到若干生命的基本現象是根植於一些基本生物分子或巨分子（macomolecules）的性質和它們之間的相互作用，因此明瞭這些分子的電子結構是必要之務，因為分子的電子結構決定分子的性質而生物分子行為性質又表現在生物過程或生命現象上。一些量子力學的計算目的在建立分子的某些電子的或能量的指數（electronic and energetic molecularindices）和分子的生物活動性（biological activity of molecules）間的數量關係（quantitativerelations）。由這數量上的關係去預測生物分子的行為並提供綜合實驗結果的理論標準（theoreticalcriterion）。但是生物活動性（bioligical activity）並不像普通的物理和化學活動性（physical andchemicalactivities），因為普通的物理和化學活動性常常在理論與實驗之間能作明晰的比較，而生物活動性則不然，因為我們找到的生物系統的總活動性是由許多不同而且複雜的因素造成的，我們對這些不同而且複雜的因素不易分辨。所以對生物化學過程作理論上研究時應注意二點：第一是盡可能事先了解要研究的過程的生物化學機構（biochemicalmechanisms），因為我們的計算方法和我們要計算的數量完全取決於這些生物化學機構。其次應注意的是慎重地且盡可能適當地選用量子力學的計算方法。例如，我們用分子軌道理論時牽涉到許多漸近法（approximations），如用於計算化學反應性（chemicalreactivity），常常省略許多因素，而這些省略的因素往往到後來又顯得重要而不該省略。
由上面的討論我們知道應用量子力學的計算方法來研究一些生命過程和現象仍有許多困難。但是如果我們能克服這些困難，則應用量子力學方法在生物上可有不少好處。第一點好處是這方法的普遍性（universalcharacter），例如普通的物理和化學實驗方法通常主要只研究某一特別的（有時多於一種，但很少研究多種）分子性質。因此每種方法通常只讓我們「看到」分子一部份的真面目。但一個量子力學的計算或一個波動方程式的解，原則上可得到我們所研究的原子或分子結構性質的全部資料。縱使我們用漸近法去解那稍微簡化了的波動方程式，我們仍是可得到許多方面的資料，「看到」分子多方面的真面目。第二個好處是在生物化學或生物物理上某些實驗可能非常難做出來（例如有些生物分子的生命期不易用實驗方法測出），往往可用量子力學方法計算出來或最少可估計一個合理的數值或結果。雖然在大部生物現象中只是牽涉到基層態能量（ground state energy）的化學反應，但是有些生物化學過程涉及放射線效應，激動態（excitedstates）或電子和能量的遷移則非用量子力學的觀念和方法不可。
生物系統通常有二個很顯著的特徵：這些系統的相對穩定性（stability）中某些行為的模式（modes ofbehavior）保持距離熱平衡（thermalequilibrium）甚遠；另一特徵是由許多個別單元構成的大生物系統有顯著的強烈的相關行為（correlatedbehavior）；例如生物器官（由許多單元──細胞所構成）的成長，當其成長到某一定大小或形狀時便自動停止。由於這些特徵使人相信在生物系統中有長程的量子力學相關聯（long rangequantum mechanical phasecorrelations）存在。早在1963年瑞典的量子化學家Lowdin便曾強調量子力學相的問題（phaseproblem）對生物系統的重要性。他並曾用量子力學中的「隧遁效應」（tunneleffect）解釋遺傳因子中DNA和RNA等的作用。他應用量子力學的觀念和 Schrödinger的時間相關方程式（Schrödingertime-dependent equation）對遺傳，突變，衰老和癌症形成等生物現象作了一個有系統的探討而稱之為量子遺傳學（quantumgenetics）。雖然把量子力學的觀念應用到生物學上所創的許多理論和學說目前還都帶有多少臆測性，但若假以時日，量子生物學當可有類似量子化學那樣輝煌的成果。
要用有限的篇幅對各種不同程度的廣大讀者介紹一門仍是爭論紛紜的新學科是一件相當困難的工作。為了使一些對量子生物學有興趣的讀者獲得更深一層的了解，筆者願於結束本文前介紹一些量子生物學方面的論文和書籍供讀者參考：
對量子力學沒有基礎的讀者可先讀M.Karplus and R. Porter所著的「Atoms and Molecules」（W. A. Eenjamin, Inc.1970）；或P. Mathews著的「Introduction to QuantumMechanics」（McGraw-Hill BookCompany, 1968）。對生物學沒有基礎的讀者則可先讀Setlowand Pollard所著的「MolecularBiophysics」（Addison-Wesley, 1968）或Szent-Györgi著的「Introduction toSubmolecular Biology」（Academic Press, 1966）。
關於量子生物學入門參考書及論文：
N. Bohr, Atomic Theory and the Description of Nature, （Cambridge Univ. Press, 1934）.
N. Bohr, Atomic Physics and Human Knowledge, （John Wiley, 1958）.
E. Schrödinger, What is Life? （Macmillan, 1945）.
W.M. Elsasser, ThePhysical Foundation of Biology, （Pergamon, 1958）. W.M. Elasser, Atomicand Organism,（Princeton Univ. Press, 1966）.
B. Pullman and A. Pullman, Quantum Biochemistry,（Interscience, 1963）
P.O. Lowdin, Quantum Genetics,（Int'l Sci.& Tech. May, 1963）.
H.H. Pattee, Quantum Mechanics, heredity and the origin of Life, J. Theor. Biol. 17,410（1967）.
B. Bernhard, Quantum chemistry of High Energy Biomolecules, Sci. Res. 1,25（1966）.
較專門性的參考書及論文：
M.K. Kasha & B. Pullman, Ed., Horizons in Biochemistry,（Academic Press, 1962）.
B. Pullman Ed., Electronic Aspects of Biochemistry,（Academic Press, 1964）.
M. Weissbluth ＆ B. Pullman, Ed., Molecular Biophysics,（Academic Press, 1965）.
C.H. Waddington, Towards a Theoretcal.Biology, Vol. Ⅰ, and Ⅱ, （Edinburgh Uni.Press, 1969）.
M. Marois Ed., Theoretical Physics and Biology,（John Wiley, 1969）.
J.P. Isaacs and J.C. Lamb, Complementarity in Biology,（Johns Hopkins Press, 1969）.
M. Weissbluth, Ed., Quantum Aspects of Polypeptides and Polynucleotides,（Biopolymers Symposia No. 1, 1964）.
J. Duchesene, The Structure and Properties of Biomolecules and Biological Systems,（Interscience, 1964）.
A. Pullman and B. Pullman, Cancérisation par les Substances Chimiques et StructureMoléculaire,（Masson, 1955）.
Annals of The New York Academy of Sciences, Vol. 158, Article 1（1969）.
P.O. Lowdin, Some Aspects of Quantum Biology, （Biopolymers Symposia No. 1, p.293, 1964）.
P.O. Lowdin, Proton Tunneling in DNA andits Biological Implications, Revs. Modern.Phys. 35,724（1963）.
N. Rashevsky, Suggestion for a possible approach to molecular biology, Bull. Math. Biophys. 21, 309（1959）.
N. Rashevsky. Some remarks on Rosen's quantum mechanical approach to genetics, ibid. 26, 187（1964）.
R. Rosen, A quantum-theoretic approach to genetic problems, ibid. 22, 227（1960）.
R. Rosen, On the role of chemical systems in the microphysical aspects of primarygenetic mechanism, ibid 23, 393（1961）.
R. Rosen, A note on quantum-theoretic basis of primary genetic activity, ibid. 25, 183（1963）.
E.P. Wigner, Physics and the explanation of life, Foundation of Physics, 1, 35（1970）.
M. Ageno, Does quantum mechanics exclude life？, Nature, 205, 1306（1965）.
P.T. Landsberg, Does quantum mehanics exclude life？, Nature, 203, 928（1964）.
P.O. Lowdin, Quantum Genetics and The Aperiodic Solid, Adv. in Quantum Chemistry, 2,（1965）
H. Primas, Probleme Der Interpretation Der Quantenmechanik Grosser Molekularer Systeme,（pre-print, 1970-72）.
參考文獻：
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（註二）H.J. Morowitz, Medical Physics, ed.by O. Glasser, Year Book Publishers,（1960）.
（註三）P. Weiss, Biophysical Science, ed. byJ.L. Oncley,（John Wiley, 1959）.
（註四）B. Commoners, Science, 133, 1745（1961）.
（註五）B. Glass, Philosophy of Science-The Delaware Seminar, Vol. 1, ed. by B.Baumrin.（Interscience, 1963）.
速子
快子（tachyon）也被稱為迅子、速子，是一個理論上預見的超光速粒子。從相對論衍生出的假想粒子，總是以高於光速c的速度在宇宙運行。與一般物質稱為（慢子（tardyon））的相互作用可能性不明顯，所以即使其存在也不一定能偵測得到。
http://zh.wikipedia.org/zh-hk/%E5%BF%AB%E5%AD%90
快子 物理概念
快子
物理概念
快子(tachyon)：也叫做超光速子,是一種假設的亞原子粒子,質量為負，其速度總是超過光速。至今快子的存在還沒有得到實驗證實。
快子的性質據理論上的推測，快子具有奇異的物理性質。它的質量是虛數，它的速度將隨能量的耗散而無限增加，當它的能量趨於零時，則速度趨於無窮大。快子一旦產生，就具有大於光速的速度。要使它的速度減小，必須供給它能量。如要減小到光速，則必須供給它無限大的能量才行，因此其速度不可能減小到光速或低於光速。快子的負能問題是一個複雜的問題。由於負能量的出現，將意味著任何一個物理系統，因為可能無限地釋放快子而處於不穩定狀態，系統將無限地增加自己的能量，從而導致永動機的出現。而且，更為使人驚異的是，即使無限地產生快子對，也不會破壞能量動量守恆定律，同時也不會改變真空中的總能量。另外，根據洛倫茲變換，快子從一個坐標系轉換到另一個坐標系的過程中，可能改變時間的順序，即時間倒流。這樣一來，也許就要出現像打油詩“年青女郎名葆蕾，神行有術光難追，快子理論來指點，今日出遊昨夜歸”所描繪的“奇蹟”。這兩個困難問題雖然可以藉助二次說明原理(即應該將一個具有負能量的粒子看作是先被吸收，然後再發射，這樣一來，負能量與時間倒流和正能量與時間順流的物理意義完全一樣，因而變換坐標係後物理定律依然不變)來解釋，但它並沒有解決不變的因果律的問題。另外，快子有可能以無限大的速度傳播，因而假若存在著快子，就可能瞬時傳遞作用信息，似乎又可能回到“超距作用”論的概念上去。不過，近10多年來，雖說在理論方面和實驗方面都作了不少的工作，但至今尚未取得重大突破。要使快子理論與現代物理學理論協調起來，還需要克服相當多的困難。不過，這卻有可能迫使人們跳出目前的理論框架，克服早已習慣了的觀念，從而產生巨大而深遠的影響。
經典快子的若干電磁性質
1. 四維波數與亞光速變換一樣，仍用相位不變性來定義四維波數:因此四維波數在超光速坐標變換下是虛鷹矢。
2. 電荷與電荷密度我們認定物體總荷電量與坐標係無關。由於運動方向的尺度發生變化，(超光速下不是尺縮而是尺脹)，電荷密度p與荷電體的三維速度有關，因而也與坐標係有關。考慮到超光速粒子 (快子)的電荷與電磁場與亞光速粒子的電荷及電磁場性質應該相同，因此不論'快子'與'慢子'，電荷密度p的表達式應該同一。
3. 電流密度對於任意慣性系，定義四維電流密度現在考慮J的變換性質。基於與討論P時的同樣理由，我們認定J，經超光速變換後其前三個分量即實際三維電流密度保持實值，第四分量保持純虛位，這與亞光速變換相同。
快子研究發展前言：
愛因斯坦是本世紀初物理學學革命的巨人。海森伯在談到愛因斯坦的貢獻時說，他“有點像藝術領域中的達•芬奇或者貝多芬，愛因斯坦也站在科學的—個轉折點上，而他的著作率先表達出這一變化的開端；因此，看來好像是他本人發動了我們在本世紀上半期所親眼目睹的革命。”的確，從1905年的“幸運年”年到 1916年廣義相對論論文“標準版本”的發表，愛因斯坦在兩個研究方向上奠定了20世紀物理學的基礎。一是不變性原理的研究，最終創立了狹義相對論 (1905年)和廣義相對論(1915年)。二是統計理論的研究，其結果導致布朗運動理論(1905年)、分子大小測定法、光量子假設（1905年）、首次固體量子論(1907年)、光的波粒二象性(1907年)以及導致激光發現的A、B係數(1916年)。最後，在1925年，他完成了另一主要創造性工作，即獨立於德布羅意的關於物質波粒二象性的假設。指明不變原理和統計漲落這兩個別出心裁的研究方向，乃是愛因斯坦“前不見古人，後不見來者”的傑作。在1916年之後，這兩個方向合二而一，成為愛因斯坦探索統一場論的指南。
愛因斯坦向來謙虛謹慎，虛懷若谷。他一生勇於批判，勇於探索，勇於創新，從來也沒有躺在功勞簿上高枕而臥。他經常以萊辛(G．E．Lessing)的至理名言自勉：對真理的追求要比對真理的佔有更為可貴。他反對別人為相對論的成就大叫大嚷，也反對把相對論看作是物理學理論的頂峰。愛因斯坦認為：“我們關於物理實在的觀念決不會是最終的。為了以邏輯上最完善的方式來正確地處理所感覺到的事實，我們必須經常準備改變這些觀念——也就是說，準備改變物理學的公理基礎。”他還說：“然而為了科學，就必須反反复复地批判這些基本概念，以免我們會不自覺地受它們支配。在傳統的基本概念的貫徹使用碰到難以解決的矛盾而引起了觀念的發展的那些情況下，這就變得特別明顯。”在這種思想的指導下，愛因斯坦曾多次表示，他的理論絕不是完美無缺的終極理論，它們將來一定會被其他更完善的理論來代替。
理論發展：
這個概念最早由德國理論物理學家,量子力學奠基人之一阿諾.索莫菲提出的.
本世紀20年代量子力學建立以後，狹義和廣義相對論與量子理論相結合，一直是理論物理學發展的堅實基礎。半個世紀以來，這種結合不斷發展和深化，也不斷接受科學實驗的檢驗。一方面，實驗事實充分證明相對論和量子力學在其有效範圍內是可靠的理論；另一方面，實驗研究和理論進展表明，它們也遇到了一些難以解決的反常問題，其中一些問題是帶有根本性的和革命性的，似乎難以容納在相對論和量子力學的框架內。因此，在相對論和量子力學還處於興盛時期的今天，汲取這些理論的真理性的內容，克服它們所面臨的疑難，進一步探索自然界的奧秘，就已經提到當代物理學家的議事日程上來了。在這裡，我們擬就當代物理學的現狀和革命趨勢，簡要地作一點不甚全面的述評。
狹義相對論誕生以後，人們就一直設法做實驗來驗證它。 1958年，有人改進了邁克耳孫-莫雷實驗，得到了“以太風”小於地球軌道速度的1／1000的結論。後來利用穆斯堡爾效應，測得“以太風”的速度為 1.6±2.8米/秒，遠遠小於期望值(30公里／秒)。這既是對狹義相對論的驗證，也證明根本不存在19世紀的作為電磁場載體的以太。尤其明顯的是，從宇宙線的探測到高能加速器以及對撞機的應用，幾乎高能物理實驗的各個方面都要涉及狹義相對論效應，可是隨著加速能量的不斷提高，現在已經確認在小到約為一個質子半徑百分之一的距離內，沒有觀測到狹義相對論的破壞。有人進行了靜止光子質量的實驗及光速測定的實驗，還有人進行了大量有關運動介質的電動力學實驗和直接檢驗尺縮鐘慢的相對論效應實驗，甚至有人用高速噴氣飛機上的原子鐘驗證運動時鐘變慢的效應。所有這些實驗都表明，無論在微觀尺度還是在宏觀尺度，還沒有發現狹義相對論有破壞的跡象。
但是，這一切並不意味著狹義相對論就毋庸置疑了，就沒有進一步探討的必要了。情況完全不是這樣。儘管狹義相對論的具體結論得到了實驗驗證，但是只要它的兩個邏輯前提——相對性原理和光速不變原理——未有確鑿的實驗證據，它們就仍然帶有假設成分和“先驗”性質。愛因斯坦在提出這兩條原理時也是意識到這一點的。例如，他在1922年就光速不變原理寫道：“相對論常遭指責，說它未加論證就把光的傳播放在中心理論的地位，以光的傳播定律作為時間概念的基礎。然而情形大致如下：為丁賦予時間概念以物理意義，需要某種能建立不同地點之間的關係的過程。為這樣的時間定義，究竟選擇哪一種過程是無關重要的。可是為了理論只選用那種已有某些肯定解的過程是有好處的。由於麥克斯韋與洛倫茲的研究之賜，和任何其他考慮的過程相比，我們對於光在真空中的傳播是了解得更清楚的。”
事隔60餘年，這種狀況並沒有得到改變。在愛因斯坦提出光速不變原理時，已有的實驗只是說明在閉合迴路中平均光速的不變性，而不是光速不變原理本身。能不能找到更為基本的對鍾手段，或者通過其他途徑，來檢驗光速不變所包含的假定，是有待於科學實驗進一步發展來解答的基本問題。因為光速不變原理是現代物理學的柱石之一，解決這個問題難度較大，影響深遠，結果到底如何，人們將拭目以待。
60年代以來，有人提出了超光速粒子的新課題，他們稱這種粒子為“快子”。超光速理論工作一般從狹義相對論出發，將其推廣，求得既適合於慢子(低於光速的粒子)和光子，又適合於快子的相對論理論。據理論上的推測，快子具有奇異的物理性質。它的質量是虛數，它的速度將隨能量的耗散而無限增加，當它的能量趨於零時，則速度趨於無窮大。快子一旦產生，就具有大於光速的速度。要使它的速度減小，必須供給它能量。如要減小到光速，則必須供給它無限大的能量才行，因此其速度不可能減小到光速或低於光速快子的負能問題是一個複雜的問題。由於負能量的出現，將意味著任何一個物理系統，因為可能無限地釋放快子而處於不穩定狀態，系統將無限地增加自己的能量，從而導致永動機的出現。而且，更為使人驚異的是，即使無限地產生快子對，也不會破壞能量動量守恆定律，同時也不會改變真空中的總能量。另外，根據洛倫茲變換，快子從一個坐標系轉換到另一個坐標系的過程中，可能改變時間的順序，即時間倒流。這樣一來，也許就要出現像打油詩“年青女郎名葆蕾，神行有術光難追，快子理論來指點，今日出遊昨夜歸”所描繪的“奇蹟”。這兩個困難問題雖然可以藉助二次說明原理(即應該將一個具有負能量的粒子看作是先被吸收，然後再發射，這樣一來，負能量與時間倒流和正能量與時間順流的物理意義完全一樣，因而變換坐標係後物理定律依然不變)來解釋，但它並沒有解決不變的因果律的問題。另外，快子有可能以無限大的速度傳播，因而假若存在著快子，就可能瞬時傳遞作用信息，似乎又可能回到“超距作用”論的概念上去。不過，近10多年來，雖說在理論方面和實驗方面都作了不少的工作，但至今尚未取得重大突破。要使快子理論與現代物理學理論協調起來，還需要克服相當多的困難。不過，這卻有可能迫使人們跳出目前的理論框架，克服早已習慣了的觀念，從而產生巨大而深遠的影響。
相對性原理是狹義相對論的另一個基本原理，它認為一切慣性系彼此等價，沒有任何實驗能確定那個更為優越。但是，作為現代宇宙學兩個理論基礎之一的哥白尼原理(另一個是廣義相對論)卻要求，存在著描述宇宙演化的宇宙時標和宇宙空間的標準坐標，典型星系或星系團在其中的分佈是均勻各向同性的。宇宙背景輻射和各向同性的發現等大量觀察資料都支持把哥白尼原理作為描述宇宙大尺度行為的基本原理。於是，宇宙時標就是相對優越的時標，它描述著宇宙的演化，而相對於這個時標的同時性在宇宙演化上具有本質的意義。典型星系或星系團均勻各向同性的空間就是宇宙背景空間，它相當於一個優越的坐標系。可以推知，若在相對於該坐標係以某一速度運動的參照系上觀測星系，就會發現它們的分佈不是均勻各向同性的，因此原則上就有可能測出運動坐標系相對於優越背景空間的速度。現在，已有人測出地球相對於各向同性背景輻射(優越的背景空間)的速度為每秒數百公里，這和地球相對於典型星系或星系團的速度是基本一致的。眾所周知，作為整個相對論物理學根基的狹義相對論，恰恰否定了牛頓的絕對時間和絕對空間，否定了同時性的絕對性。雖然宇宙時標和宇宙背景空間的概念並不是牛頓的絕對時間和絕對空間，相對於宇宙演化的同時性也不是牛頓意義的同時性的絕對性，但在概念的物理意義上畢竟有可以比擬之處。這表明，狹義相對論的時間、空間概念以及慣性運動和慣性系的概念，還有相對性原理本身，在宇觀尺度上統統不再成立了。這樣一來，對於這個宇宙背景空間上的局部引力現象的更精確的描述就應以宇宙學原理為基礎，而不應當以廣義相對論為基礎。這意味著相對論在宇觀尺度範圍內必須從根本上加以改造。
愛因斯坦為了在相對性原理(意味著一切慣性系平權，沒有優越的慣性系)和光速不變原理(指光速在“空虛空間”中不變)上建造他的狹義相對論，他就沒有必要再保留以太概念。但是，空虛空間的概念畢竟是一個令人困惑的概念，愛因斯坦本人在建立廣義相對論時，也認為空虛空間是不可思議的，為此他賦予空間以物質的內容，引入了所謂的“相對論以太”。但廣義相對論並非狹義相對論的簡單推廣，所以狹義相對論中的“空虛空間”是一個幽靈。愛因斯坦後來想在統一場論中解決這個問題，但他的宿願未能實現。 1929年，狄喇克在解決相對論性電子理論產生的負能困難時，提出了一個基於新的真空圖像的解決方案。原來，空虛空間即真空並非一無所有，而是所有的負能態都已填滿，所有的正能態都未被佔據的最低能態，它作為一種普通存在的背景並沒有可觀察效應。因此，真空不再是絕對的虛空，而是—種充滿了物質實體的存在形式，這就給愛因斯坦的“相對論以太”描繪了一幅實在的圖景。在某種意義上也可以說，這是古老的以太概念在新科學中獲得了“新生”。比如，在現代場論中佔有重要地位的真空自發破缺，就與這種“新以太”觀念有著內在的聯繫，而當前對真空結構的研究就可以看作是對以太結構的研究。其實，李政道博士在研究“不尋常核態”的工作中，也發現空虛空間存在著真空物質。現在，人們已經認定，真空是一種物理實體，它能對其它物質發生影響；真空具有相對論不變性，在有的情況下，真空也系某種介質，當不滿足某種不變性時，就形成真空自發破缺，從而使規範場粒子獲得靜止質量；處於真空狀態的場仍保持持續不斷的振盪，即所謂真空起伏，非阿貝爾規範場有一類特殊的叫作“瞬子”的真空物質。
廣義相對論是物理學理論寶庫中前所未有的珍品。這個理論以其概念的深刻、結構的嚴謹，內容的新穎和推論的精確而為人稱道，但它之所以能轟動一時，主要還在於它解釋了牛頓引力理論無法解釋的水星近日點的剩餘進動，並預言出不久經過實驗證實的光線偏折和引力紅移。50年代，有人改良了儀器設備，將厄缶實驗的精度10－8提高到10－11，證明引力質量與慣性質量相等，近幾年又有人將精度提高到10－12的數量極，這也是對等效原理的支持。由於採用穆斯堡爾效應，科學家在實驗室中驗證了引力紅移。有人早已通過測量人造衛星中懸浮陀螺的進動，來驗證廣義相對論。 70年代初，又有人通過測量對遙遠行星的雷達回波的方式檢驗了廣義相對論。70年代末，幾家大天文台同時報導採用射電天文學的方法測量某些類星體發出的射電信號經過太陽的彎曲程度，大大提高了檢驗光線偏折的精度，對廣義相對論提供了新的實驗支持。
但是，廣義相對論也面臨著一些困難和亟待解決的問題。廣義相對論一建立，愛因斯坦就企圖用它來描述作為一個整體的宇宙大尺度的行為。從此以後，廣義相對論和天文學密切結合，形成了相對論天體物理學的一個富有成果的領域——現代宇宙學。值得一提的是，現代宇宙學在60年代取得丁長足的進展，觀察材料已經支持早期宇宙的大爆炸模型，發現了空間各向同性的微波背景輻射。在這裡，尤為值得一提的是霍金(S．Hawking)等著名的相對論學者關於黑洞理論和大尺度時空結構的研究。
廣義相對論的引力場在理論上存在著奇性，這種奇性具有十分奇特的性質，沿著短程線運動的粒子或光線會在奇性處“無中生有”或不知去向。按照廣義相對論，演化到晚期的星體只要還有兩三個太陽的質量，就會遲早變為黑洞，包括光線在內的任何物體都會被黑洞的強大引力吸到裡面而消失得無影無踪。不僅如此，黑洞還要不斷坍縮到時空奇性。時間停止了，空間成為一個點，一切物理定律，包括因果律都失去意義，一切物質狀態都被撕得粉碎。此外，經典理論中的一個黑洞永遠不能分裂為兩個黑洞，只能是兩個或兩個以上的黑洞合為一個黑洞，其結果很可能是整個宇宙變為一個大黑洞，並且早晚要坍縮到奇性。尋找黑洞的觀測工作也在穩步進展。1970年底，美國和意大利聯合發射了載有X射線探測裝置的衛星，這顆衛星工作到1974年，共探測到161個射線源，經篩選確認，天鵝座X-1最有希望是一個黑洞。另外，圓規座X-1與天鵝座X-1數據非常相似，也很有希望被證認為黑洞。現在，關於黑洞的理論的研究正在進展，觀察結果還有待進—步證實。無論如何，廣義相對論竟然要求這類難以接受的奇性，無疑是一個難題。或者廣義相對論本身要修改，或者物理學的其他基本概念和原理要有重大變更。
大爆炸宇宙學的研究越來越追溯到更早期的宇宙。特別是80年代以來，根據大統一理論發展起來的暴漲宇宙學，開始研究宇宙年齡約為10－36秒或更早期的情況。當宇宙年齡小於10－36秒時，宇宙間不僅沒有星球，沒有化學元素，甚至連任何基本粒子也沒有，有的只是時間、空間和物理的真空。繼續追溯這種非常單純、非常對稱的狀態，便會得出時空創生於無(當然也就是說宇宙創生於無)的結論。其實，空間和時間的非永恆性，在相對論和量子論中已有強烈的暗示。按照相對論，不同的運動觀測者將測得不同的時間值。最有趣的例子就是雙生子佯謬，它描述的是兩個觀察者開始在一起，最終又在一起，但由於中間的運動情況各不相同，則二者所測得的歷時是不一樣的。因此，原則上講，要精確地測量時間，就必須精確地知道測量者的運動軌跡。然而，量子論中的測不准原理告訴我們，不可能精確地了解任何一個物體在時間中的運動軌跡，從而也就原則上否認了精確測定時間的可能性。 這個精度的限制是
lp～(hG/c3)1/2～10－33厘米， lp～(hG/c3)1/2～10－33厘米，
tp～(hG/c5)1/2～10－43秒， tp～(hG/c5)1/2～10－43秒，
其中h是普朗克常數，G是萬有引力常數，c是光速。lp和tp分別叫做普朗克長度和普朗克時間。它們的意義是：我們無法造出一種“尺”和“鐘”，用來測定小於lp的長度和小於tp的時間。一個量在原則上不能測量，就不會有物理意義。這表明，在小於lp和tp的範圍內，空間、時間概念就失效了。1983年以來，霍金就致力於發展一種宇宙的自足理論。 1984年初，他和他的合作者得到了第一個完整的宇宙自足解。該理論的第一個要點是建立非時間的理論，這種新的“時”空，實際上是一種歐幾里得空間，其中不再含有時間坐標。該理論的第二個要點是給出上述歐氏空間的創生幅度，即宇宙創生於無的幅度。霍金只就簡單的情況作了計算，還不能看作是真實宇宙的解，而不過是玩具式的模型而已，但它無疑向人們提出了一個值得深思的問題：我們關於時空和宇宙的傳統觀念是否一貫正確?這當然是向現代物理學和哲學的挑戰。
50年代末到70年代初，廣義相對論經典理論的研究也大大深化了，其中引人注目的是引力波的進展。一開始，對於廣義相對論是否存在引力波的問題一直爭論不休，因為人們當時搞不清廣義相對論中的引力波會不會僅僅是一種坐標效應，這在很大程度上是對廣義相對性原理的不恰當的理解而引起的。 60年代初，人們弄清了在理論上的確存在引力波。引力波可以看作是以光速傳播的力場，它和電磁波在許多方麵類似，和坐標系的選擇毫無關係。由於引力波與物質的相互作用十分微弱，這給探測引力波的工作帶來了很大的困難，用實驗方法產生引力波的困難尤為嚴重。美國馬里蘭大學韋伯(J．Weber)教授於 1958年開始進行引力波的實驗，經過10餘年的努力，曾宣布檢測到來自銀河系中心的引力波，但結果不十分可靠，目前尚無定論。美國的泰勒等人測出射電脈衝雙星PSRl913+16的公轉週期變短，測得周期變率為(－3.2±0.6)×10－12，並在20％的誤差範圍內與廣義相對論輻射阻尼理論符合，這個結果可以看作是引力波存在的第一個間接的定量證據。1982年，他們又進一步發展了減小誤差後的結果。不過，人們還希望利用多普勒跟踪法或激光測距法觀測兩天體在引力波作用下間距的變化來直接探測引力波。現在，美國航天局和歐洲航天局正在加速這方面的研究，並使測距精度大大提高 (例如地球和月亮的距差為±5厘米)，其靈敏度Δl／l已達10－13～10－ 16，即便如此，還需把精度提高四個數量級才有可能探測到引力波。為此，歐美曾計劃在1985年發射兩艘深空間飛船（伽利略號和國際太陽極任務號），屆時可望將測量精度提高到10－20。一旦引力波探測工作取得成功，就可以進而研究引力波的性質，從而就會判明那種度規理論對宏觀引力現象的描述更符合客觀事實。
由以上有關描繪也可以看出，引力問題已處於一個充滿矛盾的新時期。雖然廣義相對論經過一些實驗檢驗，與其他理論相比可以看作是描述宏觀引力現象的一個較成功的理論，但它在處理某些極端條件下的問題(黑洞、引力坍縮、奇點、宇觀優越坐標系、10－36秒之前的早期宇宙等)時，又表現出一定的局限性。因此，廣義相對論也是人們認識發展過程中的相對真理，它也面臨著亟待改革的形勢。人們為了解決四種作用力的統一描述和引力領域內的各種矛盾問題，正在已有的理論上發展引力規範理論和超引力理論。
關於統一場論，愛因斯坦從1923年起直到1955年去世，一直從幾何學的觀點出發，企圖把電磁場和引力場統一起來(幾何統一場論)，但是沒有取得具有物理意義的成果。但是，在30年代和40年代，隨著弱相互作用、強相互作用以及各種基本粒子的大量發現，統一場論又中興起來。 50年代，海森伯不是從幾何學角度，而是從量子場論的角度出發，提出了一種量子統一場論，想用統一的自旋場把各種基本粒子和它們的相互作用都囊括進去，也沒有獲得決定性的成功。1954年，楊振寧和米爾斯為統一場論開闢了道路。他們推廣了魏耳的規範不變思想，提出了揚-米爾斯場即非阿貝爾規範場理論。這種理論與拓撲學中的纖維叢概念有著密切的聯繫，它雖然在數學上很完美，但在描述各種相互作用時卻遇到了困難。三年後，施溫格建議一種可能導致弱電統一理論的矢量介子理論。。到60年代，電磁場理論已由20年代的非量子化的相對論性電動力學發展成量子化的量子電動力學(QED)，為統一場論的建立奠定丁理論基礎。1961年，施溫格的學生格拉肖發展了一種弱相互作用理論，它同電磁相互作用有驚人的相似之處，並採用四個生成元，即光子、W＋、W－粒子和中性流矢量玻色子，也就是現在的Z0粒子的SU(2)XU(1)群。1967年，溫伯格和薩拉姆分別獨立地採用這四個生成元發展了一種弱、電統一理論。這種統一理論解決了楊-米爾斯理論的困難，它後來被稱為量子味動力學(QED)。 70年代以來，不僅弱、電統一理論得到了一些實驗的支持，而且描述強相互作用的量子色動力學(QCD)的出現也為統一強相互作用提供了可能性。量子色動力學中，強相互作用也是非阿貝爾規範場，它存在於強子之間和之中，它的場源是色荷，規範變換群是SU(3)群，其規範粒子是膠子，強相互作用是膠子同色荷相耦合而成的。這樣，弱、電、強三種相互作用的表現形式是一樣的，它們都是規範場。在這個基礎上，美國物理學家格拉肖和喬奇等人通過選擇新的規範群SU(3)，建立起統一描述弱、電，強三種相互作用的大統一理論。至此，人們自然希望把引力相互作用也用規範場統一起來。愛因斯坦在世時就知道引力相互作用也是一種規範場，現在的問題在於不了解引力相互作用與其他三種相互作用如何發生聯繫。儘管引力場的量子化問題已經取得實質性的進展，然而廣義相對論的引力論卻在量子化以後可否重正的問題上遇到了難以克服的障礙。有人雖則在廣義相對論的基礎上加進了含場量高階微商的新的作用量，得到了可以重整化的量子引力理論，但這又破壞了保證機率守恆的么正性，在物理上也是不能成立的。關於四種相互作用的統一，另一類工作是超對稱、超引力理論，這是近年蘇聯、美國和西歐一些學者致力研究的課題，並相繼提出了幾種理論，但在理論上還存在不少困難，在學術界爭議也很大。不過，令人欣慰的是，西歐核子研究中心龐大的超同步質子加速器讓正反質子對撞並湮沒，在1983年1月首次報導產生了 W＋和W－粒子，6月又報導發現了Z0粒子，這是20世紀物理學的最重大事件之一。這三種傳播弱相互作用的粒子是溫伯格-薩拉姆理論所預言的，它們的產生給弱電統一理論以決定性的支持。就在同一年，丁肇中小組三噴注事例的發現，證實了膠子的存在，從而有力地支持了量子色動力學和格拉肖、喬奇等人的大統一理論。 人們可望在四種相互作用的統一方面取得突破，這將對物理學產生舉足輕重的影響。
粒子物理學也是當代物理學發展的前沿之一。 從30年代起，人們把當時已知的電子、陽電子、質子、中子和光子統稱為“基本粒子”，認為它們是構成物質世界最基本的磚塊，這樣就誕生了“基本粒子物理學”。從40年代起，在約20年之間，人們發現的粒子已達30種，從而認識到“基本粒子”並非基本，研究它們的學問也就被稱為“粒子物理學'了。
當時，人們按自旋將粒子分為兩類：凡自旋為h／2的奇數倍的粒子叫費密子，凡自旋為h／2的偶數倍的粒子叫玻色子。這樣，參與電磁相互作用的光子是玻色子，參與電磁和弱相互作用的輕子是費密子，而參與電、弱、強三種相互作用的強子既有費密子(即重子) ，又有玻色子(即介子)。不論光子、輕子、強子，都參與引力相互作用。60年代伊始，由於高能質子加速器的建成，在短短的兩年內就產生了壽命約為10－23至10－24秒的短命強子。 這樣一來，人們自然提出了一個問題：這些粒子是不是有更深的層次?於是， 夸克 (國內稱層子)模型應運而生。這種模型指出，在強子之下還有一個物質結構層次，即夸克，而強子則是由夸克或反夸克組成的。與此同時，還有弱作用不守恆和電荷共軛不守恆的發現。 60年代到現在，正如我們在上面所述的，關於統一場論的理論研究和相互作用粒子的實驗工作也取得了長足的進步。截止目前，人們知道的夸克和反夸克共有36 種(它們有不同的“色”和“味”)，輕子和反輕子共有12種，而由夸克和反夸克構成的強子已達數百種之多。但是，人們花了20年時間，“上窮碧落下黃泉，兩處茫茫皆不見”，至今仍未找到自由夸克的影子。於是有人認為，夸克好像永遠“禁閉”在強子中一樣，只有用無限大的能量才能把它“拉”出來，這就是所謂的 “夸克禁閉”問題。九年前有人利用電子計算機作非微擾計算，發展了一種格點規範理論，初步肯定了禁閉的存在，但依然不了解其具體機制。由於各種夸克和輕子多到48種，而它們的電荷和其他性質又有周期性的變化，人們又設想它們是否還有更深的層次，為此也提出了一些亞夸克模型，但這只是夸克模型的仿製品，並無質的突破。這就向人們提出：物質是否無限可分?可分性究竟應該如何理解?而且，粒子物理學的研究表明，量子化的場是比粒子更為根本、更為普遍的存在。自由粒子只不過是場在激發時的一種狀態，在真空情況下，沒有自由粒子，但場依然存在。這也許為最終消除愛因斯坦所不滿意的二元論(粒子和場)找到了歸宿。不用說，這一切還有待於深入揭示，新的突破必定會引起科學理念的革新。
磁單極子問題也是當代物理學一個饒有興味的課題。自1931年狄喇克從理論上提出磁單極子(帶正磁荷或負磁荷的粒子)可能存在的論證後，人們對這個課題開始了積極的實驗探索和理論研究。目前，實驗上的探測主要從三方面著手：高能加速器的實驗，宇宙線的觀測，古老岩石的觀測。用第—種方法還未觀測到磁單極子，一般認為這是能量尚不夠高的緣故。從宇宙線中找磁單極子的物理根據有兩方面；—種是宇宙線本身可能含有磁單極子，另一種是宇宙線粒子與高空大氣原子、離子、分子等碰撞會產生磁單極子對。近年，人們曾採用超導量子乾涉式磁強計在實驗室中進行了151天的實驗觀察記錄。據 1982年初報導，測量到一次磁單極子事件。在排除了各種可能的於擾因素後，計算出到達地球表面的磁單極子上限為每立體角的單位面積上每秒有 6.1×10－10個磁單極子，即每年用這種裝置可測到1.5次磁單極事件。這一實驗探索還在進一步進行中，人們不斷改進實驗裝備，以求得到更加可靠的觀察結果。另外，如果磁單極子含量很少，那麼異號磁單極子復合湮沒的機率就很低，因而它們就有可能保存下來，能在地球上的古岩石、隕石或其他天體的岩石中找到。可是，迄今還沒有找到確鑿的證據。與此同時，關於磁單極子的理論研究也在積極進行之中。施溫格(1966年)和茲萬齊格(1971年)分別克服了狄喇克理論中的若干困難和不足之處，利用兩個電磁勢建立了電荷與磁荷完全對稱處理的理論。 1976年，楊振寧等利用纖維叢的新數學方法，建立了沒有無物理意義的奇點的磁單極子理論，在磁單極子理論的發展中開闢了新的途徑。近年來，也出現了一些超越麥克斯韋電磁方程組框架的非傳統理論，例如統一規範理論、愛因斯坦-麥克斯韋耦台場理論和超光速參考系理論。而且，有關理論還在基本粒子的微觀世界和宇宙演化的宇觀世界得到了應用。總而言之，在關於磁單極子實驗探索和理論研究的半個多世紀中，人們進行了遍尋天上、地下的各種現代實驗探測，採用了量子論、相對論和統一場論的複雜理論手段，聯繫到最廣袤的宇觀世界(宇宙論)和最細微的微觀世界（粒子物理），涉及到極漫長的(古岩石)和極短暫的(宇宙演化早期)時間尺度。當前，這一探索和研究仍在繼續之中，它不僅給物理學帶來了活力，而且也向兩極不可分離的哲學信條提出挑戰。
近10多年來，關於非平衡統計物理學的研究前景也十分誘人，非平衡相變、耗散結構、協同學等就是其中比較活躍的研究領地。這幾年，人們注意到，遠離平衡的系統可能經過突變進入混沌(chaos)狀態，而且混沌態可能並不比時空有序的狀態更“無序”，混沌態和耗散結構還可能交替出現。現在，人們大體上已了解到，混沌是非常普遍的自然現象，在一定的意義上講，混沌狀態比無理數要多得多，而且混沌序(內在隨機性)比自然界存在的有理序(週期性)、無理序(準週期性)更“高級”，即使在通常認為由決定論統治的牛頓力學中，也普遍地存在著內在隨機性，完全確定論的描述在牛頓力學中倒是少如鳳毛麟角。但是，混沌決不是簡單的無序，而更像是不具備週期性和其他明顯對稱特徵的有序態。在理想情況下，混沌狀態具有無窮的內部結構，只要有足夠精密的觀察手段，就可以在混沌態之間發現週期和準週期運動，以及在更小的尺度上重複出現的混沌運動。正因為如此，我國學者才從古漢語中引用“混沌”一詞(氣似質具而未相離，謂之混沌)來描述這種奇特的現象。混沌轉變和非平衡相變都是經過突變而不是漸變實現的，這說明混沌狀態的出現也與對稱破缺有關。現在重整化技術已經成功地用於混沌轉變的研究，已有一批反映通向混沌道路的數學模型，而且新的實驗報導也在不斷湧現。這個成為80年代重要研究課題的進展，也許不僅會導致數理科學中基本觀念的又一次革新，而且可能導致對偶然性和必然性、確定論和概率論等哲學範疇以及自然科學方法論的更深刻的認識。
此外，等離子體物理、凝聚態物理等領域，也是當代物理學的前沿，我們就不在這裡一一評論了。有興趣的讀者，可參閱國內有關學者一些評述性文章和國外的有關雜誌。不過，從上述材料我們可以看到，當代物理學的發展雖然存在著一些革命性的因素，暴露出相對論和量子力學的某些局限性，並誕生了某些新科學觀念，但是十分明顯的是，它們基本上還是在相對論和量子力學這兩大理論體系的基礎上發展著。這些革命性的因素儘管還未使當代物理學面臨“山雨欲來風滿樓”、“黑雲壓城城欲摧”的危機之勢，但隨著它們的日積月累，必將在將來的某個時候導致新的物理學革命，從而使整個物理學乃至人們的思維方式來一個大改觀。
快子與時空
Sen的關於D膜上的快子的研究告訴我們快子在理解D膜湮滅或者消失方面有重要的作用。
26維玻色弦論中有快子，過去一直認為，如果快子凝聚了，26維時空可能變成低維時空。這個想法在Adams, Polchinksi, Silverstein(hep-th/0108075)的研究中得到證實，他們研究的是閉弦中可以局域化的快子，所以比較容易研究。最近，Silverstein等人將這個研究推廣到研究類空奇點，以為快子的凝聚使得類空奇點消失。
更為新近的文章是Berkooz等人的(hep-th/0507067)，他們聲稱ull orbifold上的快子凝聚導致正常的orbifold。我覺得他們文章中的D(-1)膜的研究比較接近於最近Verlinde等人研究的matrix model。也許在不遠的將來，所有這些研究會產生一個共同的突破。
快子與因果性為了用一個超光信號確定一個果先於一個因的可能,最簡單的方法是考慮一個空間維度的閔可夫斯基圖。
我們考慮兩個以相對速度V
這個信號在B點,立即激發一個信號,在t′時刻以V′>C的速度向左傳播(標記為2)t2′>t1′時刻達到A點(在S′系中測量)。
然而,在S系中測量這個時刻t2,比t0要早。
很顯然,通過增大A和B之間的距離,t0-t2能被做得像希望的一樣大。
進一步講在B點不需要觀察者;第一個信號的接收和第二個信號的發射能夠用一個機構來完成。
因而為了避免因果反常,我們必須不允許在A點的實驗者發送一個速度V>C宏觀信號的可能性。
關於信號,Tertetskii指出被相對論排除的不是以比C大的速度運動的粒子(快子)的存在,而是禁止這樣一個過程,在這個過程中這樣粒子的發射被有計劃地重複而且和那輻射體的熵增加相聯繫,這是信息傳輸的必要條件。
儘管這樣,還有一些學者提出:“快子”可能存在而且可能由實驗產生。他們的努力主要是重新解釋快子1和2的世界線。
當世界線1進入S系中的未來,從S′和S觀察時,世界線1和世界線2各自進入過去(而有負能量,一個不能被討論的點)。通過“開關原理”,描述具有正能量和進入未來的世界線是可能的。 總而言之,已被令人信服地表明的是如果我們只觀察快子的世界線,可以用不違反邏輯或“因果性”的方式描述這些世界線。
但是已經取得的僅僅是閉合系統形成部分的快子的一致描述;違反因果性的問題只能在開放系統產生,這不是描述的問題而是自我矛盾現象。
雖然有一些文章反對快子擁護者提出的觀點,但是上述差別沒有得到充分強調。
在閉合系裡,快子的存在可以和相對論的因果性要求一致。然而,有目的產物沒有達到可重複和引起宏觀效應適合作信號的程度。如果它不被重複,即產物完全是隨機的,它不依賴檢驗者的意圖,那麼它不適合作信號。
迴避宏觀效應,不足以排除宏觀快子束產生的可能性。人們也必須排除由快子引發其它宏觀現象的可能性(除了完全隨機的方式以外)。
這些限制排除了設計有關快子實驗的可能性,而且只允許偶然的觀察。
因而相對論對開放系統力學允許的過程施加了嚴格的限制。
http://baike.baidu.com/view/272411.html
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