我们离理论物理的研究终点有多远?
现代物理学基于相对论和量子力学,这两套理论体系发展至今已有百年,它们已经得到广泛的应用。然而,这并不意味着相对论和量子力学已经是完美的理论,现代物理学距离物理学的终点还早得很。
目前,人类已经认识到,宇宙中的各种相互作用最终都可以归结为四种基本力——引力、电磁力、弱核力和强核力。物理学家相信,只要一种理论就能涵盖四种基本力,此即为物理学家所追寻的大统一理论。如果要说物理学的终点,大统一理论就是物理学的阶段性终点。
相对论在描述引力效应方面取得巨大的成功,宇宙中的各种引力现象都完全符合相对论的预言。另一方面。量子力学在描述微观领域非常成功,粒子物理标准模型可以描述电磁力、弱核力和强核力,粒子加速器中的各种现象都符合这个理论的预言。
相对论和量子力学都是非常有效的理论,因为它们不但可以描述已经观测到的现象,而且还能对未知的现象做出准确的预言。但问题是,这两套理论无法兼容,引力似乎与另外三种基本力格格不入。
在物理学家看来,一定还有比相对论和量子力学更加基础的理论——大统一理论,它能同时描述四种基本力。在描述引力时,相对论是大统一理论的很好近似理论。在描述微观粒子的行为时,量子力学是大统一理论的很好近似理论。
在一定的适用范围之内,相对论和量子力学都是有效的理论。但在适用范围之外,例如,黑洞中心的奇点,宇宙诞生的最初时刻,只有大统一理论才能给出准确的描述。
为了实现大统一理论,许多物理学家在为之努力,其中就包括爱因斯坦。但迄今为止,仍然没有取得实质性进展,量子引力理论、弦理论只是候选的大统一理论。
目前,理论物理学的发展方向还不明朗,距离实现终极理论还早得很。甚至,理论物理学可能根本没有终点。
只要世界的本源没有搞清楚,理论物理学的使命就不会结束!19世纪末,在牛顿经典物理理论的指引下,热力学统计物理和电磁学理论几乎可以解释所有现象了,以至于有学者自信地说:物理学的大厦已经建立,后人只要做一些细修修补补的工作就可以了!不过好景不长,随着天文观测的深入以及对“黑体辐射”的研究,出现了人们意料之外的现象,经典物理学根本没法解释。在20世纪最初的20多年里,相继出现了适用于微观世界的量子力学和适用于宏观高速物体的相对论物理。目前理论物理学的前沿是搞清宇宙本源的大统一理论。不过至少在当前看来也才是万里长征的第一步,后续工作还有很多。
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