感觉我们的基础物理已经有很长的时间没有发展了,会不会最开始的理论就是错的?
关于这个问题,我们首先要确认一点,那就是理论物理学的发展其实已经不是在“对”“错”上下功夫,而是在拼“误差”,谁的理论误差更小,能解释得越多,就有可能成为主流的科学理论。确认了这一点,我们再来看看,理论物理学的发展到底是什么样的。
我们都知道,现代物理学起源哥白尼,伽利略,牛顿时代。尤其是牛顿,他统一了天上和地下的物理学。(在这之前,亚里士多德认为月下和月上是不同的。)随后,法国的一帮数学家深化了牛顿理论,他们在历史上都是大名鼎鼎,拉格朗日,欧拉,拉普拉斯等等。至今,在航天航空领域所使用到的牛顿理论都是经过这些数学家们的深化推导而来的理论。从此,利用牛顿理论,人类可以预测行星的位置,可以很准确地解释太阳系内的天文现象。整个过程也经历上百年。所以,并不是一个理论提出来就可以,整个理论被提出来之后还会有很多后续工作需要科学家和数学家一起参与。
同样的,牛顿之后大概150年,麦克斯韦提出了著名的麦克斯韦方程,统一了“电”和“磁”,并且预言了电磁波的存在,光是一种电磁波。而赫兹验证了麦克斯韦的理论。而麦克斯韦的理论和牛顿的理论是存在无法调和的矛盾,那就是光在惯性参考系下的情况。按照牛顿理论的世界观,是可以超光速的。而麦克斯韦的理论则告诉我们,光速是绝对的。
又过了50年,爱因斯坦横空出世,调和了牛顿和麦克斯韦之间的矛盾,提出了相对论。统一了“时间”和“空间”,把它们并称为“时空”,而光速则就是时空的特征属性,它描述了任意两个事件之间的时空距离。在提出狭义相对论的同一年,爱因斯坦还发表了一篇文章,在这篇文章当中,他统一了物质和能量,提出了著名的质能方程。1915年,爱因斯坦提出了广义相对论,描述了引力的本质是时空的弯曲,并且在1919年,被爱丁顿通过观测日全食所验证。
几乎是在相对论发展的同时期,量子力学也发展了起来,从第一代的普朗克,爱因斯坦,再到第二代的波尔,波恩,索末菲,再到第三代的海森堡,薛定谔,普朗克,泡利,德布罗意。康普顿等人。
逐渐建构起了一个宏大的量子力学理论。所以,其实在30年代之后,很多科学家表示很无奈,因为20世纪初的两朵乌云,诞生了两大理论,两大理论几乎在30年内就打好了地基。物理学的黄金年代似乎就此结束,有一些物理学家受到薛定谔著作《生命是什么》的影响,投身了生物学领域,其中有4个人通过各种办法和努力,最终确立了DNA双螺旋结构。
但是,物理学真的停滞了么?其实很多人的认知当中,物理学就停留在了量子力学的时代。可是,其实后面的理论物理学的发展,还是十分惊人的。这其实就是“粒子物理标准模型”。
牛顿,爱因斯坦的一生都在致力于“大一统”理论,可是其实无论他们多努力,多天才都美能做到。这是因为当时的人只知道世界上存在引力和电磁力。而近70年的物理学发展,让我们知道,除了引力和电磁力,还有强相互作用力,弱相互作用力。
在这段时间,费米和杨振宁提出的弱力理论,杨振宁和米尔斯提出杨米尔斯理论,盖尔曼提出了夸克模型,希格斯等人提出的希格斯机制,温伯格提出的弱电统一理论。最后在杨米尔斯理论的框架下,实现了电磁力,弱力,强力。如果放眼整个物理学的发展,从未来的物理学家眼里,这段时期的物理学也是一段黄金年代,前前后后40多位诺奖得主,这当中就有好几位华人,杨振宁,李政道,丁肇中。
也就是说,在距离相对论和量子力学不到20年的时间内,科学家有发展出了一套新理论,这段时期大概持续了30年,从50年代到80年代,这套理论大有要实现“大一统”理论的趋势。不过,引力一直没有被纳入进来。而通过强力的数学工具推导出的弦理论也很有希望称为最终实现大一统理论的理论。
所以,我们来看看,从牛顿理论到麦克斯韦电磁学理论,大概用了150年;而从麦克斯韦电磁学理论到相对论,量子力学,大概经历了50余年,而从相对论,量子力学到粒子物理标准模型,仅仅20年的时间。这明显是在加速状态,而不是在减速状态,所以何来物理学很久没有发展了?
而所谓的是不是物理学理论错了,更是无稽之谈。物理学发展到目前为止,都和现象拟合得十分完美,科学家都是在小数点后面好几位去追求误差。为了验证狭义相对论,使用上了铯原子钟可以精确到小数点后十五位。
所以,现在的物理学不是比谁对谁错,而是谁的误差更小。爱丁顿检验广义相对论是为了证明牛顿错了么?不是的,他只是证明了广义相对论更接近事实,牛顿的理论比广义相对论的理论在解释光线偏折时的误差更大一些而已。
所以,至今学生还要学牛顿理论,这个理论在宏观低速下依旧十分完美。
而物理学也没有停滞,能够使得物理学停滞的其实观测手段,之所以,牛顿跨越到麦克斯韦这么难,其实就在于观测手段跟不上。只要有了新的观测技术,能观测到新的现象,理论物理学家就会一窝蜂地冲上去,在很多的时间内提出新的理论。纵观整个物理学的历史,越是接近近现代,越是这样。如果物理学发展的慢,那只能是因为观测仪器没办法跟上理论物理学发展的脚步。
这也是为啥,各国拼了命的建高能粒子加速器,引力波探测器,暗物质探测器,暗能量探测器,以及研究黑洞的原因。因为,这些探测器其实就是在探究新尺度下的物理学现象。
杨振宁
关于这个问题,我说一些自己的理解。
第一个问题:什么是基础物理?首先纠正一个概念,提起基础物理,很多人很直接的就会想起爱因斯坦的相对论和量子力学,这是现代物理学的两大支柱,但不代表所有基础物理。基础物理包含得非常广泛,除了天体物理和量子力学,电学、磁学、力学、热力学……等等。这些领域都属于基础物理的范畴,很多领域每天都在进步,怎么说基础物理没有发展了呢?
打个比方说吧,我国的杨振宁院士1957年,与李政道因共同提出宇称不守恒理论;经过科学家的不断努力,建立并修正了标准粒子模型;创立了弦论……等等。并且还出现了很多新的学科,比如说物理-化学流体动力学、磁流体力学……等等。当然从根本上我们还是要承认相对论和量子力学仍然是现代基础物理的支柱,并没有被撼动。
宇宙
第二个问题:为什么相对论和量子力学两大物理学支柱始终没有被撼动,难道真的错了吗?首先我们必须明白一件事,现代科学世界分为理论和实验两个体系。以爱因斯坦、波尔为代表的科学家都属于理论科学体系。换句说说,这些科学家的科研成果是不直接参与成果转化的,更不需要去证实,这是实验物理学家解决的问题。所以这就带来两个问题:
一、基础理论总是超前的,需要一定的时间进行消化、验证。这个很好理解,人类截止到21世纪才证实爱因斯坦引力波的存在。
二、基础物理在现实中其实没有什么直接的作用。这样说并不是对科学先贤不敬,而是确实如此。以爱因斯坦的相对论为例,实际只是解决了水星进动这一个学术问题,并不直接服务于生产、生活。比如说信息和能量的传播不能超越光速、时空弯曲等等,这些理论即便是爱因斯坦不发现,随着时代进步等卫星上了天,人类探测火星仍然会被发现。但爱因斯坦作为和牛顿比肩最伟大的基础理论物理学家,其伟大之处就在于提前至少100年给人类指明了方向,为后来人们的科研成果转化指明了方向,加速了人类科技的进步。
爱因斯坦
也正因为基础物理有这两大特点,所以决定了基础物理很难进步。具体原因有以下几个方面:
一、由于基础物理的重要性,决定了基础物理不可能天天进步。否则你把造物主摆到哪里?如果宇宙的奥秘这么简单就被人类给研究透了,根据熵增定律人类除了内卷还能做什么?
二、由于基础物理的前置性,决定了人类需要时间进行证实、消化。这个很好了解,人类在今天还不停在爱因斯坦和一众量子力学先贤划定的范围内转圈圈。
三、由于基础物理不会直接参与生产,所以投入必然要有节制。人类是一个活在当下的文明,必然要优先解决现实的问题。客观来说在当今世界,大规模参与基础物理研究的国家除了少数欧美发达国家和我国之外,连俄罗斯都没有能力。我国对基础物理的投入也是精打细算,最著名的就是关于近期我国关于粒子对撞机的争论。杨振宁院士之所以力排众议,带头投反对票也是因为这个缘故。
四、现在基础物理两大支柱从客观上不具备进步的条件。相对论和量子力学一个从宏观上研究世界一个从微观上揭示宇宙的奥秘,但以人类今天的科技水平,无论观察方式还是研究方式相对爱因斯坦和哥本哈根学派并没有本质的提高,只是相对的进行了一些优化。人类截止到今天为止也并没有走出太阳系,也没有能力直接系统的观测银河系,更观察不到特别微观的量子世界。在这种情况下,除非出现一个像牛顿、爱因斯坦一样千年不遇的奇才,客观上来说人类今天狭义上的基础物理并不具有进步的条件,也不需要进步,先把前人的理论消化了也不迟。
所以基础物理的两大支柱之所以长期没有进步其实跟对错无关,科学本身就是一个证伪和发展的过程,基础物理天天进步反而是不正常的。
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