理論物理學已陷入困境?我們對自然的認識並不比上世紀70年代更多

2021-01-15 宇宙解碼

    1687年7月5日,艾薩克·牛頓的一本經典的傳世之作——《自然哲學的數學原理》,在埃德蒙·哈雷的鼓勵和支持下出版了。在這本書中,牛頓系統地闡述了在其後兩百年間都被視作自然真理的三大運動定律,並定義了萬有引力定律。在自此之後至20世紀70年代末的近300年間,理論物理學一直以驚人的速度發展著,讓人們極大地擴展了對自然以及自然定律的了解。


艾薩克·牛頓


    但是,在21世紀的第三個十年剛剛到來之際,科學家告訴我們,儘管他們付出了巨大的努力,但我們對自然以及自然定律的認識,並不比20世紀70年代更多!這說明了什麼?這意味著,在自20世紀70年代末至今的近50年裡,我們的理論物理學不知何故,已止步不前,正在陷入困境!這絕對是一件非同尋常的事情,它正在發生著,而絕非危言聳聽。如果將科學史回溯到200多年前,在那個年代,科學研究還僅僅屬於富家子弟的專利,但即使那樣,科學理論的發展卻沒有出現如同當今的窘境。


安託萬·洛朗·拉瓦錫


    這裡我們可以來簡單梳理一下,至少從18世紀後期開始,每隔大約四分之一個世紀,也就是25年,理論物理學都會在關鍵問題上出現重大的進步。牛頓的三大運動定律和萬有引力定律為人們提供了一個認識自然萬物的理論框架,當這些理論已經流行將近100年時,1780年,安託萬·洛朗·拉瓦錫倡導並改進了定量分析方法,並用其驗證了質量守恆定律。到這時,人們才逐漸開始認識物質、光和熱的基本事實,並將逐步打開電和磁等神秘現象的大門。


麥可·法拉第


    在接下去的50年裡(可視為2個25年),人們有了一些對現在來說意義重大的發現。首先,科學家明白了光也是一種波,並且發現了帶電粒子間的力的規律,因為道爾頓的原子理論,人們對物質的認識向前飛躍了一大步,我們有了能量的概念、用光的波動理論解釋了幹涉和衍射,還探索了電阻和電、磁之間的關係。


詹姆斯·克拉克·麥克斯韋


    現代物理學的幾個最基本的概念出現在1830年~1855年的四分之一個世紀裡。在這25年裡,法拉第提出了力是由「場」傳遞的創造性觀點,極大地促進了我們對電磁現象的認識和理解。同時,在這個時期,能量守恆定律也隨著熱力學第二定律確立了起來。在接下去的25年裡,詹姆斯·克拉克·麥克斯韋進一步發展了法拉第的「場」的思想,從而建立了我們今天的電磁學。麥克斯韋不僅統一了電和磁,還解釋了光其實就是一種電磁波。1867年,麥克斯韋用原子理論解釋了氣體的行為,同時,克勞修斯提出了「熵」的概念。


馬克斯·普朗克


    從1880年到1905年這25年間,科學家發現了電子和X射線。關於熱輻射的研究,在經歷了幾個階段之後,最終在1900年由普朗克發現了描述輻射的熱性質的正確公式——普朗克輻射定律,點燃了量子理論誕生的星星之火,宣告了新物理學革命這一偉大時刻的開始。普朗克因此獲得1918年諾貝爾物理學獎。1905年,愛因斯坦26歲,他證明了光既是粒子也是波,他將運動的相對性與麥克斯韋的電磁定律協調了起來,創造性地提出了著名的狹義相對論。


阿爾伯特·愛因斯坦


    接下來的25年,愛因斯坦的思想爆發,1915年他提出了廣義相對論,它革命性地宣稱空間的幾何不是固定的,而是隨時間變化的。而他在1905年揭示的波粒二象性,到了1930年已逐步成長為一個羽翼豐滿的量子理論,使人們具體地認識了原子、化學、物質和輻射都是密不可分的。同在1930年,天文學家還認識到,宇宙還包含著大量的如同銀河系一樣的河外星系,而且它們正在相互遠離。雖然還不清楚這個現象的意義,但人們已經認識到,我們可能是生活在一個膨脹的宇宙中。


弗裡曼·戴森


    愛因斯坦是在接下來的一個25年的最後一年去世的,即1955年。在這25年裡,因為弗裡曼·戴森和理察·費曼等這一代人的努力,人們已經學會了怎樣將狹義相對論與量子力學和諧地融合在一起。不僅如此,人們還發現了中子、中微子和其他幾百種基本的粒子,還認識到千變萬化的大自然由四種基本力主宰的,它們分別是:引力、電磁力、強核力和弱核力。


    從1955年至1980年這25年間,物理學家們已構造了一個能解釋所有基本粒子和力的實驗結果的理論——基本粒子的標準模型,而廣義相對論也得到了無數實驗驗證,霍金提出黑洞輻射理論也是在這一階段,並開始了對量子宇宙的探索。到這裡可以說,在物理學歷史上,我們第一次看到理論物理的腳步趕上了實驗物理的腳步,從那時以來,還沒有一個實驗與標準模型或廣義相對論矛盾。


史蒂芬·霍金


    到了20世紀80年代,正如文章標題所說,理論物理學的腳步停止了。或許你會提出一些反對意見,但請你再仔細想一想:從1980年之後,還有什麼新理論值得我們這一代人驕傲的嗎?理論物理學為什麼會突然陷入困境?誰也沒辦法說得清。

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