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物理學走到盡頭了嗎？人們常常把21世紀稱作生物學的世紀，或者人工智慧的世紀，總之這個世紀得屬於某個冉冉升起的新領域。這樣看來，物理似乎已經是上個世紀的遺物——那個由量子力學和相對論捲起的震撼世界的革命，以及隨之而來的基本粒子淘金狂潮，為高能物理贏得了數十尊諾貝爾獎。那個黃金時代早已成為過往。時至今日，人們總是嘆息這滿目蕭然：或許再等個幾十年也不會發現新粒子；也許，永遠不會再有新粒子了。
我認為這種悲觀是不可取的，理由來自起碼三個方面。
首先，對於一個遲暮之年的學科而言，物理學在最近20年取得的成就似乎又太多了。2012年發現希格斯玻色子，2015年探測到引力波（2016年公開宣布），2019年拍攝到黑洞事件視界的照片。以上三者都是科學界的重磅新聞，登上報紙頭條，吸引著全世界的目光。
不過肯定有人會反駁：這些重大發現背後的理論，都來自上個世紀。黑洞和引力波可以從1915年發表的愛因斯坦方程中直接推導得出。（希格斯機制也是上世紀六、七十年代的理論，譯者注）那是不是說，物理學已經江郎才盡，想不出新點子了？
為了回答這個問題，就需要我的第二條理由。近年來宇宙學的發展，讓科學家可以幾乎肯定地說，宇宙的95%「憑空消失」了。這「憑空消失」的部分被稱為暗物質和暗能量，它們被掩蓋在一層神秘的面紗之中。面紗背後，便是未知的新物理了。只要這些謎團（還包括其他的未解之謎）還沒有解開，物理學的工作就遠遠沒有結束。不過，對於已知的5%，我們已經有相當程度的認識。這仍然算是非常偉大的成就了。
第三條原因在於，所謂「物理已死」這種論斷，存在諸多基礎和範疇的錯誤：說到底，用發現新粒子來定義物理學的進展，這本身就是一種鼠目寸光。如此一來，就忽視了物理學的大部分內容，大大低估了物理學的潛力。老實說，我們現在所掌握的這些知識，相較於尚未探索的領域，仍然是微不足道。
本文作者戴克赫拉夫是一名理論物理學家（攝影：Gabi Porter）
物理學的目標是用精確的數學語言去描述宇宙中所有的物質和能量，而我們目前只踏出了這千裡之行的第一步。說物理學走向了盡頭，就相當於說數學只需要引入自然數和算術法則，或是化學只用列出元素周期表，就大功告成了一樣。知道下棋的規則，並不代表你成為了棋藝高手。
事實上，為了尋找物理學的基本定律，我們並不一定非得研究基本粒子。有些物質由多種成分組成，每個部分都有不同的性質，這些性質作用在一起，就有可能會產生令人意想不到的規律。最簡單的例子是聲波，這是一種由物質中分子的震蕩引起的現象。不過，根據量子力學，這種現象也可以描述為一種粒子。這些「聲子」，便是聲波的波包，或者說，是聲音的「單元」。這就跟虛構的閔希豪森男爵一（本是德國貴族，退役後因杜撰其從軍生涯而小有名氣。這些故事被作家魯道爾夫·埃裡希·拉斯伯得知，而後被他改編成小說）扯著自己的頭髮把自己拉出沼澤一樣。物理學也常常是「自己靠自己」——這門學科會運用已有的知識來發展新的基本概念。不過，隨後還是需要用數學的方法對其進行嚴格處理。
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目前已知的這部分宇宙，可以衍生出無窮無盡的物理系統，我們必須得換個角度看問題。與其從一條一條的現象中歸納出本質，我們不如先自己設計一條法則，然後看看這條法則意味著什麼樣的現象。比方說，今天的物理已經遠遠不是高中所學的固，液，氣態能描述的了。量子力學中有不少怪異的結論，允許一些神奇的態存在，理論已經把這些態挨個歸類，這樣，我們就可以設計特殊材料，放到實驗裡去檢驗這些態是否真的存在。
以上的所有，反映了科學的一種轉向：從「是什麼」到「能用來實現什麼」。20世紀的科學家找到了構成世界的磚瓦：分子，原子以及最基本的粒子等，它們是物質的原材料；細胞，蛋白質，基因讓生命成為可能；比特，算法和網絡是信息與智能的基礎（既是對機器而言，也是對人類而言）。而本世紀，我們就可以試試用這些磚瓦能蓋起怎樣的宏偉建築。
縱使經歷了宇宙140億，地球45億年的歷史，自然界展現出來的表象還遠沒有窮盡所有的可能。正如生物學家理察·道金斯所指出的：我們人類以及從古至今所有有生命的有機物，都是中了宇宙級彩票的幸運兒。基因的排列組合完全是個天文數字，而我們這些生物隨機選擇的遺傳代碼卻恰好構成了生命的原型。我們身邊的其他物質也與此相似。自然的進程，在地球以及宇宙的其他地方表現出來的，只是分子和物質形式的龐大「菜單」中，一份小小的樣品。相應的，也只能體現出這份樣品的物理定律。
不過這一切現在都迎來改變。自然的變遷確實慢的令人捉急，但這些本來需要萬、億年的宇宙學及生物學過程都在實驗室中被大大加快了。這樣看起來，或許人為因素顯得太多了。但是我們也應該認識到，從基因層面被設計出來的細菌，跟野外的細菌一樣「真實」，或者說，它們對於研究有同樣的價值。人造的一維、二維材料也是這個道理（它們背後的量子性質反而賦予了這些新物質更豐富的研究價值）。這些新技術將量子力學從原子和分子的範疇中「解放」出來，使其更貼近宏觀世界和日常生活。總有一天，我們會有能力隨心所欲地在宇宙的「菜單」上點菜。
撰文：羅伯特·戴克赫拉夫（Robbert Dijkgraaf）
翻譯：張和持
引進來源：quantamagazine
引進連結：https://www.quantamagazine.org/the-end-of-physics-20201124/