為什麼近些年物理學沒啥大突破了?不夠努力?其實是受到了限制

2021-01-20 李論科學

20世紀的科學界真的是百花齊放,各家爭鳴,出了很多物理學大咖,還真的是熱鬧非凡,可以和中國古時候的戰國時期和歐洲近代的文藝復興時期相媲美,毫不誇張的說你每天睡覺起來,可能就會聽到又有了新發現或者誰提出了新理論。

雖然20世紀前半葉是人類社會動蕩的時代,但絲毫沒有阻礙科學的迅猛發展,但到了21世紀很多人就會感覺理論物理學怎麼好久都沒有啥重大突破了?例如題目所說近百年來,這著實有點誇張。那為什麼近幾十年來理論物理好像停滯不前了?這就要從一個成熟的科學理論的發展過程說起。

縱觀人類的科學史,我們不難發現,物理學的發展異常迅猛,科學理論的不斷提出和完善已經將人類科學推到了認知的前沿。也就是說現在你想憑藉一己之力,在目前的理論基礎上再往前推進已經十分困難了。這個道理很簡單,這就跟我們上學的時候,老師讓我們用一個詞語造句,你肯定會想趕緊叫我,因為越到後面越難,別人把容易的都說了。

而20世紀,或者是前幾個世紀,人類各行各業的科學都還是空白,屬於科學開荒的年代,也是為科學大廈築基的年代,很容易在當時利用現有的實驗和觀測條件提出一些容易掌握和被人理解的基礎科學理論,為以後的發展提供進步的臺階。

也就是說,科學不是一蹴而就的,它也跟我們上學一樣,先從英文字母和1+1開始的,而且科學理論的發展並不是我們通常認為的誰推翻誰的理論,而是一個在前人的基礎上不斷完善的過程。那麼一個新的理論誕生需要具備哪些條件呢?以下三個方面缺一不可:

一個新的科學論理論必須完美的容納和解釋,前一套科學理論所能解釋的所有已證實的現象。一個新的科學理論還必須完美的解釋舊科學理論無法解決的問題。一個新的科學理論在滿足以上兩個條件的同時,還必須提出新的預測,並且能被人們通過實驗和觀測手段進行證偽。

你看,人類近代科學的發展當從牛頓說起,萬有引力和三大定律的提出可謂是為人類撥開了眼前的迷霧,為人類首次開拓了一片科學的視野,牛頓理論的成功就滿足了以上的三個條件,萬有引力在容納和發展了克卜勒的行星三大定律以後,就完美地解釋了太陽系中一切天體的運動,而牛頓引力的預測還為我們發現了天王星。

但是牛頓的這一套理論,在後來人類觀測水星進動的問題上栽了一個大跟頭,從此一病不起,而且他還無法解釋萬有引力在兩個質量源之間是如何起作用的。那麼在1916年廣義相對論的發表,不僅解釋了牛頓引力所能解釋的一切現象,還解決了水星進動的問題,也順帶提出了一個驚人的預測:星光在經過大質量天體時會發生彎曲。並在1916年得到的觀測的證實。

從以上的例子,我們就可以看出,科學是一個不斷完善,循序漸進的過程,前一個科學理論並不是不正確,而是它只適用於一定的範圍內,在超出這個範圍的領域就需要新的理論來解釋。這就是為什麼相對論取代了牛頓理論,而我們目前還在學習牛頓那一套的原因,畢竟在地球上完全夠用了。

而且我們還能看出,理論永遠都是超前於實驗的,一個完善的理論可以提出很多驚人的預測,畢竟人腦子很活泛可以想到任何亂七八糟的東西,只要能被實驗和觀測證偽就是正確的。相對論不僅僅是提出了那麼一個預測,那簡直是太多了,一個比一個聽起來玄乎,但是驗證起來異常的困難,在愛因斯坦去世以後的幾十年間,我們一直都在通過各種嚴苛的手段在驗證其理論的正確性,但這個理論真的不負我們的眾望。

那麼廣義相對論有什麼問題?相對論也不是一個可以囊括整個宇宙的理論,它也有自己的痛點。例如:把廣義相對論應用在大尺度結構上,無法解釋星系團的緊密結構和星系旋轉曲線異常的問題,於是我們就提出了暗物質理論,認為宇宙中還存在未知的大質量的冷粒子,這才能解釋以上的問題。

還有,以上的問題可能並不是引力的錯, 而只是標準模型的完善的問題,但我們目前所使用的引力理論和微觀層面的量子理論並不那麼融洽。你看,宇宙存在的四大基本力(強力、弱力、電磁力、弱力)中,除了引力以外的這些力,都被量化了,都存在相互介導的粒子和電荷。而引力我們不知道它是如何傳遞作用力的,於是我們認為引力可能也存在一個名為引力子的介導粒子,而且也存在質量電荷(質荷)。

但這些猜測目前都沒有得到驗證和證實,我們的宇宙貌似有兩套不相關的理論在掌控,這對於追求完美的物理學家來說,簡直無法容忍,所以科學的終極目標就是在尋找大統一理論。

除了廣義相對論的問題,量子力學的標準模型也不完善,除了上文說到的宇宙中存在標準模型的暗物質粒子外,可能還存在一些未被發現的粒子。例如中微子振蕩的問題就是一個證據,標準模型預測中微子應該和光子一樣沒有質量,但我們在觀察太陽中微子時,發現比預測少了2/3的中微子,這就是著名的太陽中微子消失之謎。

最後我們才得知其實中微子在被創造出來以後,會在三種味道中轉換,也就是電子中微子,μ中微子和τ中微子,這種相互的轉換就是中微子振蕩問題,說明中微子有質量,儘管很小,但說明還有未知的粒子可以賦予中微子質量。當然還有暗物質的消失之謎,超對稱粒子的問題,這些都於是這科學還要繼續往前發展。

下面的問題就是,目前科學上這麼多問題。

為何就突破不了呢?是什麼阻礙了科學的發展?

以前的科學發展,一張紙一桿筆就足以,我們很很簡單的花費就可以驗證你的理論。但現在不同了,什麼是科學的前沿?這其實也是更高能量和更多花費的前言。上文可以看出,所有的問題最後都集中在了粒子物理學上,而粒子物理學是一個需要頻繁實驗,頻繁的高能量撞擊去發現新粒子的過程。

你可能已經想到了,就是大型對撞機!這是人類物理學突破前沿的理想機器。既然我們之前的理論都是正確的,都經過了層層的驗證,那麼這些理論預言出來可能存在的粒子,在宇宙早期的高能量狀態下肯定都存在。但我們要想發現發現這些粒子,就必須創造出更高的能量,讓粒子相互碰撞以產生未知的粒子。

例如,歐洲的大型強子對撞機在2012年發現預測的希格斯玻色子以後,由於能量已達上限,再無任何建樹,這只能說明在這個能量段內以無新粒子。要想突破物理學前言就要提高能量繼續撞,所說就一定能撞出東西,但只要能量夠高,肯定是會發現新物理的。

這就是我國前段時間為何在爭論對撞機的原因,這是個燒錢的無底洞,你能不能裝出東西還不好說,說不定你建造的對撞機在這個能量下就有粒子,說不定就沒有。所以楊振寧也說了,對撞機的風頭已過,在往上走可能花錢不討好。

所以目前處在科學前沿的理論物理學,阻礙其發展的是我們目前無法跟上的實驗設備和觀測手段。總的來說,不管啥事,越往後越難。

相關焦點

  • 為什麼近些年物理學沒啥大突破了?不夠努力?其實是受到了限制
    怎麼好久都沒有啥重大突破了?那為什麼近幾十年來理論物理好像停滯不前了?這就要從一個成熟的科學理論的發展過程說起。縱觀人類的科學史,我們不難發現,物理學的發展異常迅猛,科學理論的不斷提出和完善已經將人類科學推到了認知的前沿。也就是說現在你想憑藉一己之力,在目前的理論基礎上再往前推進已經十分困難了。
  • 不是你不夠努力,是沒有喚醒大腦。突破極限,學習力就是超能力
    我們並非沒有夢想,只是覺得能力不夠,不可能實現。其實,改變夢想根本不需要等來生,不需要魔法,只需要充分發揮我們內在的力量。也可以說,人類的大腦並不是鎖定在6、7歲就不再發育了,它就像肌肉一樣,越鍛鍊越發達。可能你已經踏入成年,但高效運用我們的大腦,依然可以讓我們實現夢想。
  • 為什麼有人說物理學近100年都沒有重大突破?
    這樣矛盾的答案,小夥伴們肯定是不滿意的,就請大家跟著我的思路一起來回顧一下物理學的發展歷史和近況,一起來感受一下這個問題。一、物理學歷史上的重大突破「長」什麼樣?我們就把牛頓發表《自然哲學的數學原理》作為第一次突破吧。因為這次突破,總結了克卜勒的天文學和伽利略的慣性理論及相對運動理論,第一次,用牛頓三個定律,把地面物體和天體運行聯繫起來。
  • 物理學快100年沒有重大突破,人類科學被高等文明「限制」了?
    無數驚才絕豔的科學家出現,戰勝了一個又一個科學難題,但是在整個時代的大背景下,推動人類科學理論發展的總是一些天才,例如,愛因斯坦,薛丁格,普朗克等等上個世紀的科學家,可以看出來物理學是天才的遊戲。頂級物理家合照但是在最近幾年,「物理學發展停滯」,「人類科學停滯」的觀點逐漸出現,物理學確實有80多年沒有重大突破了
  • 進入21世紀,為什麼感覺物理學發展緩慢,是有人在限制嗎?
    進入21世紀,為什麼感覺物理學發展緩慢,是有人在限制嗎?可能很多人都看過這樣一張照片,這張照片是在1927年第5屆索爾維會議中所拍攝的,在這張照片當中是當時世界一流的偉大科學家,其中包括居裡夫人和愛因斯坦,狄拉克等等多位科學家。
  • 進入21世紀,為什麼感覺物理學發展緩慢,是有人在限制嗎?
    2按照正常的理論來說,隨著時間過的越來越久科學的發展應該會越來越迅猛,但是似乎過了20世紀之後來到21世紀,我們的物理學理論也變得越來越少,似乎並沒有什麼太大的突破,現在的科學家所研究的內容也不過是為了證明曾經某些科學家所提出的理論而已,為什麼我們感覺近幾十年的時間內,物理學好像是停滯不前呢?
  • 為什麼說物理學近100年沒有重大突破?是什麼阻礙了科學的發展?
    一直以來都盛行著一種說法:物理學近100年都沒有重大突破了?那這個說法有道理嗎?事實上,有一定的道理,但並不完全是對的。為什麼這麼說呢?我們需要從科學的發展說起。超前理論:弦論所謂的100年沒有重大突破,實際上是有點誇張了,其實最多就是40~50年。因為被我們實驗所驗證的理論宣告完成就是40多年前,而且這套理論是可以和量子力學,相對論,麥克斯韋方程,牛頓力學並駕齊驅的,也是物理學的一座高峰。
  • 為什麼智商會有高低之分?科學家:我們的大腦可能受到了限制!
    為什麼智商會有高低之分?科學家:我們的大腦可能受到了限制!那麼為什麼人類的智商會有高低之分呢,為什麼不能所有的人都像牛頓或者是愛因斯坦那樣聰明呢?首先第一點就是和我們人類大腦的開發程度有關。很多的陰謀論者認為我們的大腦是被人操控的。而操控者就是一些造物主,他們創造了地球上一切事物的存在,但是又不能夠讓人類知道他們的存在,所以就對於人類的大腦是設置了一定的限制,大部分人的大腦都會開發到5~%10%左右。
  • 為什麼近100年來物理學停滯不前,沒有重大的突破了?來看看
    為什麼近100年來物理學停滯不前,沒有重大的突破了?來看看在世界物理學發展史上,可以說從19世紀末到20世紀初的物理學顛覆了整個世界。相對論和量子力學取得了重大突破,為整個現代物理學奠定了重要基礎。對於物理學的兩大支柱,人類社會經歷了翻天覆地的變化。
  • 兩院院士何祚庥:物理學理論面臨第五次突破
    四次大突破重構物理學理論   暗物質、暗能量還沒有定論   能否出現物理學理論的第五次突破    宇宙的組成是什麼?過去,物質的密度越大,壓力P越大,而現在壓力P卻「負」得越大!   請問這是什麼樣的物質?為什麼會出現這樣的物質?總之,一種新的尚沒有為人們所能理解的物質形態出現了!這種新的物質形態的出現,必將導致物理學理論的新的大突破。   物理學理論四次大突破   從19世紀到20世紀,在物理學晴朗的天空上,曾經飄浮著兩朵烏雲。
  • 我國又突破一關鍵技術,美國要難過了
    近些年我國不斷發展,更方面領域都朝著更好的方向在邁進,不過我國的技術創新領域一直以來都是比較薄弱的版塊,之前的中芯事件,也是因為晶片問題而受到牽制打擊,自此晶片這個問題越來越走近大眾的視野當中,晶片問題也成為重要且急需需要解決的問題。
  • 技術文章:為什麼放大器壓擺率會受到輸入端大信號的限制?
    上一篇《計算放大器電路的大信號帶寬就用壓擺率|LTspice一條指令輕鬆解鎖》一文,收到幾位工程師的留言「如何分辨大、小信號?」這個問題是根據工程經驗來區分,通常將峰峰值小於100mV的輸入信號完全視為小信號進行處理,而在峰峰值大於等於100mV的輸入信號的處理中,按照輸入大信號分析壓擺率的限制。
  • 霍金為什麼說哥德爾定理是物理學的終結?
    霍金在去世之前做過一次演講,題為「哥德爾與物理學的終結」。他在演講中說道,「這和哥德爾不完備性定理非常相似……根據實證論科學哲學,一個物理理論乃是一個數學模型。因此如果有數學命題不能證明的話,那就有物理問題不能預測。……現在我很高興我們尋求知識的努力永遠都不會達到終點,我們始終都有獲得新發現的挑戰。」
  • 物理學為什麼需要大統一理論?
    物理學為什麼需要大統一理論?吃飽飯和考試拿一百分,哪個重要?一般人首選吃飽飯,但物理學家大部分可能選考一百分。物理學為什麼需要大統一理論?極簡科學史物理學,從伽利略開宗,到牛頓立派以來,地球上已經有成千上百的先輩們為這門科學嘔過心瀝過血。物理學的經典教義從開創之初,就寫著三個大字——大統一。經典物理說一千道一萬,其實就一個目的:「科學能統治整個宇宙」,堪稱終極信仰。後世晚輩有志於入得此門者,都得先背下這條鐵律。
  • ...我們該如何翻牆來突破限制呢?其實我們完全可以利用UC瀏覽器...
    網頁被限制無法打開怎麼辦?某些網頁由於受到辦公、校園的限制而無法打開,對此我們該如何翻牆來突破限制呢?其實我們完全可以利用UC瀏覽器「紅杏出牆」功能來突破限制實現正常瀏覽網站的目地。接著就會發現網頁被奇蹟般的打開啦,同時「紅杏出牆」面板中顯示已成功突破限制而打開的網頁數。當然,導致網頁打開緩慢甚至打不開也可能另有原因,對此我們需要藉助瀏覽器的預讀功能來提升瀏覽網頁的速度。點擊「菜單」->「選項」項。在打開的「設置」窗口中,切換至「瀏覽加速」選項卡,將其中的四項全部或部分選中即可實現加速功能。
  • 100年了,為什麼物理學還在「啃老本」,沒有革命性突破?
    關於這一點看看物理學史就知道了,物理學真正的發展興起有兩次,第一次是大約在17世紀到18世紀,這個是近代科學的啟蒙時間,第二次大家肯定都知道,就是愛因斯坦時期了,這兩次物理學基本上已經為後來的物理奠定了基礎,我們現在所學的很多知識都是基於兩個時期的理論,總體來說兩次物理學發展起來的時間都是間隔了
  • 現代物理學如何向前突破——新量子革命
    歷史總是輪迴的,用開爾文男爵說過的話描述現代物理學現狀,一點都不過時:「有量子理論和相對論兩大基礎理論的支撐,現代物理學的大廈已經落成,近幾十年的現代物理學發展,我們做的只是一些修飾工作,完善和驗證兩大理論。」這句話說得有一定道理,現代物理學發展陷入困境,物理學分支越來越細,研究的也越來越通徹,但沒有顛覆性的突破。雖然有弦理論發起革命的號角,但目前還無法推倒舊物理大廈。
  • 人類物理學發展到了瓶頸期?為何近年來鮮少有好消息傳出?
    物理,相信大家對它並不會感到陌生,因為我們的生活與物理息息相關,而且物理學也是一個非常有意思的學術科目。二十世紀可以說是物理的鼎盛時期,那時物理天才百家爭鳴,爭奇鬥豔。雖然那時社會動蕩不安,但科學卻未受到阻力,科學家們還加速了物理發展的步伐。
  • 頂多當個公交卡 NFC/無線充電其實沒啥用
    頂多當個公交卡 NFC/無線充電其實沒啥用    在整個智慧型手機發展的進程當中,有很多功能就如潮水一般,當時紅極一時的裸眼3D屏幕以及可以拍攝3D圖片的雙攝像頭    這其中最為標誌性的產物就是當時紅極一時的3D屏幕以及3D攝像頭,當時眾多日系廠商爭相推出的裸眼3D屏幕以及3D攝像頭功能,而且LG和一些國內廠商也都推出了這樣的產品,但因為實際體驗比較一般,並且3D效果受到一定的限制
  • 為什麼有人說:最近100年物理學的突破放緩了?
    常常會有人說,現代物理學的發展速度好像放緩了。那有沒有什麼證據呢?其實也有,我們會發現,學自然科學的專業的許多同學,在畢業之後,很難再繼續從事本專業的研究,這裡的主要原因就是目前的理論物理學的發展到了瓶頸。那是不是這就意味著物理學的發展放緩了呢?客觀地說,即便是如此,也不能說物理學的發展放緩了。