物理学走向尽头了?
来源:环球科学
发布时间:2020-12-09
浏览次数:370
物理学是否已经穷尽了人类探索的极限?亦或是才刚刚开始?普林斯顿高等研究所主任戴克赫拉夫给出了他的看法。

 

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制图:James O'Brien

 

撰文 | 罗伯特·戴克赫拉夫(Robbert Dijkgraaf)

翻译 | 张和持

 

物理学走到尽头了吗?人们常常把21世纪称作生物学的世纪,或者人工智能的世纪,总之这个世纪得属于某个冉冉升起的新领域。这样看来,物理似乎已经是上个世纪的遗物——那个由量子力学和相对论卷起的震撼世界的革命,以及随之而来的基本粒子淘金狂潮,为高能物理赢得了数十尊诺贝尔奖。那个黄金时代早已成为过往。时至今日,人们总是叹息这满目萧然:或许再等个几十年也不会发现新粒子;也许,永远不会再有新粒子了。

 

我认为这种悲观是不可取的,理由来自起码三个方面。

 

首先,对于一个迟暮之年的学科而言,物理学在最近20年取得的成就似乎又太多了。2012年发现希格斯玻色子,2015年探测到引力波(2016年公开宣布),2019年拍摄到黑洞事件视界的照片。以上三者都是科学界的重磅新闻,登上报纸头条,吸引着全世界的目光。

 

不过肯定有人会反驳:这些重大发现背后的理论,都来自上个世纪。黑洞和引力波可以从1915年发表的爱因斯坦方程中直接推导得出。(希格斯机制也是上世纪六、七十年代的理论,译者注)那是不是说,物理学已经江郎才尽,想不出新点子了?

 

为了回答这个问题,就需要我的第二条理由。近年来宇宙学的发展,让科学家可以几乎肯定地说,宇宙的95%“凭空消失”了。这“凭空消失”的部分被称为暗物质和暗能量,它们被掩盖在一层神秘的面纱之中。面纱背后,便是未知的新物理了。只要这些谜团(还包括其他的未解之谜)还没有解开,物理学的工作就远远没有结束。不过,对于已知的5%,我们已经有相当程度的认识。这仍然算是非常伟大的成就了。

 

第三条原因在于,所谓“物理已死”这种论断,存在诸多基础和范畴的错误:说到底,用发现新粒子来定义物理学的进展,这本身就是一种鼠目寸光。如此一来,就忽视了物理学的大部分内容,大大低估了物理学的潜力。老实说,我们现在所掌握的这些知识,相较于尚未探索的领域,仍然是微不足道。

 

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本文作者戴克赫拉夫是一名理论物理学家(摄影:Gabi Porter)

 

物理学的目标是用精确的数学语言去描述宇宙中所有的物质和能量,而我们目前只踏出了这千里之行的第一步。说物理学走向了尽头,就相当于说数学只需要引入自然数和算术法则,或是化学只用列出元素周期表,就大功告成了一样。知道下棋的规则,并不代表你成为了棋艺高手。

 

事实上,为了寻找物理学的基本定律,我们并不一定非得研究基本粒子。有些物质由多种成分组成,每个部分都有不同的性质,这些性质作用在一起,就有可能会产生令人意想不到的规律。最简单的例子是声波,这是一种由物质中分子的震荡引起的现象。不过,根据量子力学,这种现象也可以描述为一种粒子。这些“声子”,便是声波的波包,或者说,是声音的“单元”。这就跟虚构的闵希豪森男爵一(本是德国贵族,退役后因杜撰其从军生涯而小有名气。这些故事被作家鲁道尔夫·埃里希·拉斯伯得知,而后被他改编成小说)扯着自己的头发把自己拉出沼泽一样。物理学也常常是“自己靠自己”——这门学科会运用已有的知识来发展新的基本概念。不过,随后还是需要用数学的方法对其进行严格处理。

 

目前已知的这部分宇宙,可以衍生出无穷无尽的物理系统,我们必须得换个角度看问题。与其从一条一条的现象中归纳出本质,我们不如先自己设计一条法则,然后看看这条法则意味着什么样的现象。比方说,今天的物理已经远远不是高中所学的固,液,气态能描述的了。量子力学中有不少怪异的结论,允许一些神奇的态存在,理论已经把这些态挨个归类,这样,我们就可以设计特殊材料,放到实验里去检验这些态是否真的存在。

 

以上的所有,反映了科学的一种转向:从“是什么”到“能用来实现什么”。20世纪的科学家找到了构成世界的砖瓦:分子,原子以及最基本的粒子等,它们是物质的原材料;细胞,蛋白质,基因让生命成为可能;比特,算法和网络是信息与智能的基础(既是对机器而言,也是对人类而言)。而本世纪,我们就可以试试用这些砖瓦能盖起怎样的宏伟建筑。

 

纵使经历了宇宙140亿,地球45亿年的历史,自然界展现出来的表象还远没有穷尽所有的可能。正如生物学家理查德·道金斯所指出的:我们人类以及从古至今所有有生命的有机物,都是中了宇宙级彩票的幸运儿。基因的排列组合完全是个天文数字,而我们这些生物随机选择的遗传代码却恰好构成了生命的原型。我们身边的其他物质也与此相似。自然的进程,在地球以及宇宙的其他地方表现出来的,只是分子和物质形式的庞大“菜单”中,一份小小的样品。相应的,也只能体现出这份样品的物理定律。

 

不过这一切现在都迎来改变。自然的变迁确实慢的令人捉急,但这些本来需要万、亿年的宇宙学及生物学过程都在实验室中被大大加快了。这样看起来,或许人为因素显得太多了。但是我们也应该认识到,从基因层面被设计出来的细菌,跟野外的细菌一样“真实”,或者说,它们对于研究有同样的价值。人造的一维、二维材料也是这个道理(它们背后的量子性质反而赋予了这些新物质更丰富的研究价值)。这些新技术将量子力学从原子和分子的范畴中“解放”出来,使其更贴近宏观世界和日常生活。总有一天,我们会有能力随心所欲地在宇宙的“菜单”上点菜。

 

原文链接:

https://www.quantamagazine.org/the-end-of-physics-20201124/


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