物理學到達終點了麼？其實冒險才剛剛開始

以下文章來源於中科院物理所 ，作者Dijkgraaf。

圖片來自Quanta Magazine

撰文 | Robbert Dijkgraaf (Quanta雜誌專欄作家)

01 物理學研究結束了麼

物理學的研究結束了嗎？人們常把21世紀叫做「生物學的時代」，或「人工智慧的時代」，或者任何其他新興領域的時代。

於是，物理學只能屈居於上世紀——在那個黃金時代，相對論和量子力學的革命震撼了整個世界，基本粒子的發現產生了一系列諾貝爾獎。如今，人們擔心物理學已經變成一片寸草不生的沙漠，即在未來幾十年內，不會再有新的粒子被發現了。

我認為這種觀點至少從三個方面來說是錯誤的。首先，對於一門被認為「已過巔峰」的學科來說，本世紀前二十年對物理學來說是相當成功的。我們在2012年發現了希格斯粒子，在2015年探測到了引力波（2016年宣布），以及在2019年看到了黑洞視界的第一張圖像。這三件事都是罕見的科學大事件，它們刊登在新聞報紙頭條，抓住了全世界的想像力。

人類歷史上看到黑洞視界的第一張影像

但有人會說，這些發現的種子都是在過去的美好時光裡播種的。黑洞和引力波是愛因斯坦在1915年提出的方程的直接結果。也許物理學的原創想法已經用完了？

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這就引出了第二個論點。宇宙學的最新進展使我們可以相當肯定地說，95%的宇宙缺失了。這些缺失的部分由暗物質和暗能量組成，它們都是新的物理學中的神秘現象。只要這些（以及其他的）謎團存在，物理學的工作就不會完成。（我還要補充一點，理解一門學科的 5% 本身就是一項了不起的成就。）

「物理學已死」這種說法是極度誇張的。第三個原因來自一個更根本、更明確的錯誤：用發現新粒子或力來定義物理學進展是一種目光短淺的觀點。它忽視了大部分學科知識，並且大大低估了我們仍然可以取得的成就。事實上我相信，我們目前所知只是物理學十分微小的一部分，還有太多等待被探索。

物理學的目的是用精確的數學方法來理解宇宙中物質和能量的所有表現形式，而我們還沒有開始探索這種無限的可能性。宣稱物理學已經終結，這就好比認為數學在引入自然數和基本算術之後就已經結束，或者化學自從周期表出現後就不再發展。學習西洋棋規則並不能使你成為大師。

事實是，最小粒子的領域並不是唯一一個你能找到物理學基本定律的地方。它們也可以從許多集體行為中「衍生出來」。一個簡單的例子就是聲波，即物質分子的同步振蕩。利用量子理論的規則，這些波本身可以用粒子來描述。這些「聲子」是聲音的基本單元，或稱為「量子」，它們的行為類似於光子，即光的量子。因此，就像小說中能拉著自己的辮子從沼澤中爬出來的「吹牛大王」蒙喬森男爵一樣，物理學是能夠自我維持的——它可以利用自身產生新的能夠用嚴謹的數學刻畫的基本現象。

02 冒險才剛剛開始

基於目前已知的宇宙基本組成部分，我們可以製造出無數的物理系統。比如我可以想像一個顛倒的物理觀。不同於先研究自然現象後發現自然規律的過程，我們可以先設計一個新的規律，然後逆向構建一個系統，而這個系統表現出的現象可以用設計的規律描述。

比如說，物理已經遠遠超出了高中課本裡物質的簡單相——固相、液相、氣相。量子力學的古怪結果，讓許多潛在的「奇異」相成為可能。它們已經被編入理論探索的目錄，現在我們能夠在實驗室中利用特殊設計的材料逐漸了解這些可能的物相。

科學正在發生更大轉變，其中的一部分就是從研究「這是什麼」到「什麼是可能的」。在二十世紀，科學家們找到了構成現實的基本模塊：組成所有物質的分子、原子和基本粒子；讓所有生命成為可能的細胞、蛋白質和基因；構成人類信息和人工智慧基礎的比特、算法和網絡。而在本世紀，我們將反過來探索用這些基本模塊能夠製造什麼。

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即使宇宙膨脹了140億年，地球存在了大約40億年，大自然也只探索了所有可能的設計中最微小的一部分。正如生物學家理察·道金斯（Richard Dawkins）所喜歡說的那樣，我們人類——以及其他所有曾經存在過的有機體——都是宇宙彩票的幸運中獎者。從數量驚人的可能的基因藍圖中，我們的代碼被偶然地選出來，成為了一個真實存在的模型。我們周圍所有形式的物質也是如此。在所有的分子和物質形式的選單中，地球上和宇宙中的自然過程只製造出了一個小樣本。因此分子和生命形式所必須遵守的所有物理定律，也同樣只有一小部分被演繹了出來。

但現在所有這些都在改變。在數百萬年和數十億年的時間尺度上，受宇宙和生物進化所驅動的，大自然令人苦惱的緩慢的發現過程，在實驗室加速到了驚人的速度。這樣的工作一開始可能感覺像是「人造」科學。

但相比於野外發現的細菌，基因設計的細菌絕不是不真實的、沒有研究價值的。展示了量子理論奇特之處的新奇一維和二維材料也同樣如此。準確地說，這些新技術有效地將量子力學從原子和分子的限制中「解放」，並將其帶到日常生活的宏觀尺度。在某個時刻，我們將能實現包含了所有可能性的選單表上的每一項。

科學與所有現象有關，包括我們實驗室和頭腦中產生的現象。一旦我們充分理解了這個更加宏大的圖景，一幅不同於以往科學研究的圖景也就徐徐呈現。現在，科學之船終於開始離開自然雕刻出的安全的內河航道，駛向廣闊海洋，探索一個擁有「人工」材料、生物、大腦甚至可能是更好的人類本身的美麗新世界。

冒險才剛剛開始，圖片來源：pixabay

因此，我對物理學的樂觀看法同樣適用於所有其他科學分支：冒險才剛剛開始。

註：本文轉載自「中科院物理所」，翻譯：xux；審校：C&C；原文連結：https://www.quantamagazine.org/the-end-of-physics-20201124/