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21世紀(jì)的物理學(xué),迷失方向了嗎?

發(fā)布時(shí)間:2018-07-04文章編輯:編輯部瀏覽次數(shù): 標(biāo)簽: 科技館設(shè)計(jì) 校園科技館

20世紀(jì),是物理學(xué)多產(chǎn)的一個(gè)世紀(jì)。

首先,愛因斯坦的廣義相對(duì)論顛覆了牛頓的引力理論,他將引力視作為時(shí)空的扭曲、而不是某種力。接著,普朗克、薛定諤和海森堡等人發(fā)展了理解亞原子世界的量子力學(xué)。在20世紀(jì)中期時(shí),物理學(xué)家深刻的意識(shí)到在原子的內(nèi)部還有兩種基本力——強(qiáng)核力和弱核力。而到了下半個(gè)世紀(jì),物理學(xué)家則建立了描述宇宙中已知所有粒子和基本力的標(biāo)準(zhǔn)模型。

物理學(xué)的六個(gè)原理、六個(gè)大問題、及六個(gè)解決方案。

但在這個(gè)新的世紀(jì)里,物理學(xué)家似乎舉步維艱。的確,這些年我們有一些非常重大的發(fā)現(xiàn)。例如,2012年科學(xué)家在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)中找到了標(biāo)準(zhǔn)模型的最后一塊拼圖——希格斯玻色子;四年后,人類首次在引力波天文臺(tái)中直接探測(cè)到了引力波。盡管這都是非常偉大的成就,但值得注意——無論是希格斯玻色子還是引力波,都是基于上個(gè)世紀(jì)發(fā)展出的理論所預(yù)言的。而像弦理論那樣的新思想?yún)s始終沒有得到過任何驗(yàn)證。

萬物是由一維的弦構(gòu)成的嗎?推薦閱讀:《十個(gè)問題,帶你認(rèn)識(shí)弦理論》

物理學(xué)家Neil Turok說:“自1970年代后,所有的理論工作都還沒有產(chǎn)生一個(gè)成功的預(yù)言,這是很令人震驚的現(xiàn)狀。”

但這并不意味著物理學(xué)家沒有在埋頭苦思,事實(shí)上現(xiàn)在發(fā)表于期刊上的研究論文比以往任何時(shí)候都要多。但Turok表示,目前所有的研究并沒能真正的幫助我們更好地理解宇宙——至少不像上個(gè)世紀(jì)那些物理學(xué)家所做到的那樣。

他說:“現(xiàn)如今,物理學(xué)家撰寫許多的論文、建立許多的理論模型、舉辦許多的研討會(huì)議、相互引用彼此的研究成果——我們擁有了好的科學(xué)所需要的一切。但我認(rèn)為,一個(gè)好的物理理論就是要能成功地作出預(yù)言,而這正是目前所缺乏的。”

一些最被寄予厚望的實(shí)驗(yàn)也沒有找到任何發(fā)現(xiàn)。以位于瑞士地底下的巨大加速器——大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)為例。在它找到希格斯玻色子后,物理學(xué)家希望LHC也能夠迅速找證據(jù),來證明預(yù)言了一系列新的、更重的粒子的超對(duì)稱理論。但卻仍未取得任何進(jìn)展。

左邊為標(biāo)準(zhǔn)模型粒子,右邊為超對(duì)稱粒子。| 圖片來源:DESY

同樣地,在尋找暗物質(zhì)(一種占據(jù)了宇宙大部分質(zhì)量卻不可見的物質(zhì))的道路上,我們也毫無收獲。世界上一些著名的實(shí)驗(yàn),比如LUX實(shí)驗(yàn)、XENON1T實(shí)驗(yàn)、以及中國的熊貓計(jì)劃等等,都沒有發(fā)現(xiàn)任何暗物質(zhì)的蹤跡。

此外,一直是萬有理論最佳候選的弦理論如果一直拒絕實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證,那么像多重宇宙這樣的概念對(duì)于一些科學(xué)家而言就像是科幻小說,而不是對(duì)現(xiàn)實(shí)的描述。

我們的宇宙只是多重宇宙中的其中一個(gè)?

物理學(xué)家Sabine Hossenfelder表示,如果某些東西存在、而我們卻無法觀測(cè)到它,那這意味著什么?這一問題似乎屬于哲學(xué)范疇的討論。人們可以選擇相信多重宇宙,但它并非科學(xué)。

在Hossenfelder的最新著作中,她認(rèn)為今天的許多物理學(xué)家都因數(shù)學(xué)而步入歧途,他們被“美麗”或“優(yōu)雅”的方程所誘惑,與真實(shí)的世界斷了聯(lián)系。她寫道:“我無法相信這個(gè)曾經(jīng)備受尊敬的職業(yè)現(xiàn)在成了什么樣,過去的理論物理學(xué)家能解釋觀察到的現(xiàn)象。而現(xiàn)在他們?cè)噲D解釋的卻變成了‘他們無法對(duì)某些未被觀察到的事物作出解釋的原因’。他們甚至都不擅長這一點(diǎn)。”

伽利略是第一個(gè)詳細(xì)地描述了數(shù)學(xué)與真實(shí)世界之間的聯(lián)系的科學(xué)家,的確,今天我們所看到的所有成功的物理理論都是由數(shù)學(xué)描述的。但是,也有一些偉大的思想家被數(shù)學(xué)帶跑偏的例子。

物理領(lǐng)域的重大突破有時(shí)需要數(shù)學(xué)的協(xié)助,反之亦然。詳見:《物理和數(shù)學(xué)的共同演化》| 圖片來源:symmetrymagazine

舉個(gè)例子,在17世紀(jì),德國天文學(xué)家開普勒發(fā)展了一個(gè)詳盡的理論,利用歐幾里得幾何的“柏拉圖立體”(正多面體)來描述行星的軌道。他的假設(shè)簡(jiǎn)直堪稱優(yōu)美,但卻是錯(cuò)誤的。

物理學(xué)家經(jīng)常在他們的理論中尋求數(shù)學(xué)上的優(yōu)雅;與其同時(shí),他們被與之密切相關(guān)的簡(jiǎn)單概念所吸引。一些人引用“奧卡姆剃刀”(Occam’s razor)來證明這種對(duì)美學(xué)的吸引力。奧卡姆剃刀認(rèn)為,在兩個(gè)相互競(jìng)爭(zhēng)的理論中做選擇時(shí),更簡(jiǎn)單的那個(gè)通常是正確的。

因強(qiáng)核力工作而獲得2004年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的Franck Wilczek說:“我們希望我們找到的定律是優(yōu)美的。我們希望他們會(huì)呈現(xiàn)出對(duì)稱性,那樣它們就可以基于幾個(gè)簡(jiǎn)單的假設(shè)來解釋清楚許多的事情,所以我們得到的會(huì)比投入的更多。”

但Wilczek警告說,沒有人能確保這些原則會(huì)得到回報(bào)。盡管它們有良好的記錄,但“它們并一定都行得通。”

Wilczek承認(rèn),近年來物理學(xué)似乎并沒有什么起色,但他說,部分原因是我們?cè)谏蟼€(gè)世紀(jì)獲的成功太巨大了,在70年代和80年代,我們已經(jīng)發(fā)展出非常好的模型來描述這個(gè)世界,因此想要在此基礎(chǔ)上作進(jìn)一步的發(fā)展將是非常非常困難的。

他說,至于超對(duì)稱性和暗物質(zhì)粒子,現(xiàn)在就放棄掉這兩種觀點(diǎn)還為時(shí)過早,“有時(shí)候,你必須要有耐心。”

Turok也樂觀地認(rèn)為,物理學(xué)的新時(shí)代或許就要到來——我們需要一個(gè)能夠?qū)⒘孔永碚摵蛷V義相對(duì)論聯(lián)系在一起的大膽的新想法。“或許我們需要等待的是一些年輕人站出來說,‘啊哈!這就是把所有東西統(tǒng)一在一起的方式’。”


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