物理科普：物理學(xué)走向盡頭了？

圖片來(lái)源：James O'Brien
物理學(xué)走到盡頭了嗎？人們常常把21世紀(jì)稱作生物學(xué)的世紀(jì)，或者人工智能的世紀(jì)，總之這個(gè)世紀(jì)得屬于某個(gè)冉冉升起的新領(lǐng)域。這樣看來(lái)，物理似乎已經(jīng)是上個(gè)世紀(jì)的遺物——那個(gè)由量子力學(xué)和相對(duì)論卷起的震撼世界的革命，以及隨之而來(lái)的基本粒子淘金狂潮，為高能物理贏得了數(shù)十尊諾貝爾獎(jiǎng)。那個(gè)黃金時(shí)代早已成為過(guò)往。時(shí)至今日，人們總是嘆息這滿目蕭然：或許再等個(gè)幾十年也不會(huì)發(fā)現(xiàn)新粒子；也許，永遠(yuǎn)不會(huì)再有新粒子了。
我認(rèn)為這種悲觀是不可取的，理由來(lái)自起碼三個(gè)方面。
首先，對(duì)于一個(gè)遲暮之年的學(xué)科而言，物理學(xué)在最近20年取得的成就似乎又太多了。2012年發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子，2015年探測(cè)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(xué)界的重磅新聞，登上報(bào)紙頭條，吸引著全世界的目光。
不過(guò)肯定有人會(huì)反駁：這些重大發(fā)現(xiàn)背后的理論，都來(lái)自上個(gè)世紀(jì)。黑洞和引力波可以從1915年發(fā)表的愛(ài)因斯坦方程中直接推導(dǎo)得出。（希格斯機(jī)制也是上世紀(jì)六、七十年代的理論，譯者注）那是不是說(shuō)，物理學(xué)已經(jīng)江郎才盡，想不出新點(diǎn)子了？
為了回答這個(gè)問(wèn)題，就需要我的第二條理由。近年來(lái)宇宙學(xué)的發(fā)展，讓科學(xué)家可以幾乎肯定地說(shuō)，宇宙的95%“憑空消失”了。這“憑空消失”的部分被稱為暗物質(zhì)和暗能量，它們被掩蓋在一層神秘的面紗之中。面紗背后，便是未知的新物理了。只要這些謎團(tuán)（還包括其他的未解之謎）還沒(méi)有解開，物理學(xué)的工作就遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有結(jié)束。不過(guò)，對(duì)于已知的5%，我們已經(jīng)有相當(dāng)程度的認(rèn)識(shí)。這仍然算是非常偉大的成就了。
第三條原因在于，所謂“物理已死”這種論斷，存在諸多基礎(chǔ)和范疇的錯(cuò)誤：說(shuō)到底，用發(fā)現(xiàn)新粒子來(lái)定義物理學(xué)的進(jìn)展，這本身就是一種鼠目寸光。如此一來(lái)，就忽視了物理學(xué)的大部分內(nèi)容，大大低估了物理學(xué)的潛力。老實(shí)說(shuō)，我們現(xiàn)在所掌握的這些知識(shí)，相較于尚未探索的領(lǐng)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(xué)家（攝影：Gabi Porter）
物理學(xué)的目標(biāo)是用精確的數(shù)學(xué)語(yǔ)言去描述宇宙中所有的物質(zhì)和能量，而我們目前只踏出了這千里之行的第一步。說(shuō)物理學(xué)走向了盡頭，就相當(dāng)于說(shuō)數(shù)學(xué)只需要引入自然數(shù)和算術(shù)法則，或是化學(xué)只用列出元素周期表，就大功告成了一樣。知道下棋的規(guī)則，并不代表你成為了棋藝高手。
事實(shí)上，為了尋找物理學(xué)的基本定律，我們并不一定非得研究基本粒子。有些物質(zhì)由多種成分組成，每個(gè)部分都有不同的性質(zhì)，這些性質(zhì)作用在一起，就有可能會(huì)產(chǎn)生令人意想不到的規(guī)律。最簡(jiǎn)單的例子是聲波，這是一種由物質(zhì)中分子的震蕩引起的現(xiàn)象。不過(guò)，根據(jù)量子力學(xué)，這種現(xiàn)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(shuō)，是聲音的“單元”。這就跟虛構(gòu)的閔希豪森男爵一（本是德國(guó)貴族，退役后因杜撰其從軍生涯而小有名氣。這些故事被作家魯?shù)罓柗颉ぐ＠锵！だ共弥?，而后被他改編成小說(shuō)）扯著自己的頭發(fā)把自己拉出沼澤一樣。物理學(xué)也常常是“自己靠自己”——這門學(xué)科會(huì)運(yùn)用已有的知識(shí)來(lái)發(fā)展新的基本概念。不過(guò)，隨后還是需要用數(shù)學(xué)的方法對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格處理。


圖片來(lái)源：Pixabay
目前已知的這部分宇宙，可以衍生出無(wú)窮無(wú)盡的物理系統(tǒng)，我們必須得換個(gè)角度看問(wèn)題。與其從一條一條的現(xiàn)象中歸納出本質(zhì)，我們不如先自己設(shè)計(jì)一條法則，然后看看這條法則意味著什么樣的現(xiàn)象。比方說(shuō)，今天的物理已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是高中所學(xué)的固，液，氣態(tài)能描述的了。量子力學(xué)中有不少怪異的結(jié)論，允許一些神奇的態(tài)存在，理論已經(jīng)把這些態(tài)挨個(gè)歸類，這樣，我們就可以設(shè)計(jì)特殊材料，放到實(shí)驗(yàn)里去檢驗(yàn)這些態(tài)是否真的存在。
以上的所有，反映了科學(xué)的一種轉(zhuǎn)向：從“是什么”到“能用來(lái)實(shí)現(xiàn)什么”。20世紀(jì)的科學(xué)家找到了構(gòu)成世界的磚瓦：分子，原子以及最基本的粒子等，它們是物質(zhì)的原材料；細(xì)胞，蛋白質(zhì)，基因讓生命成為可能；比特，算法和網(wǎng)絡(luò)是信息與智能的基礎(chǔ)（既是對(duì)機(jī)器而言，也是對(duì)人類而言）。而本世紀(jì)，我們就可以試試用這些磚瓦能蓋起怎樣的宏偉建筑。
縱使經(jīng)歷了宇宙140億，地球45億年的歷史，自然界展現(xiàn)出來(lái)的表象還遠(yuǎn)沒(méi)有窮盡所有的可能。正如生物學(xué)家理查德·道金斯所指出的：我們?nèi)祟愐约皬墓胖两袼杏猩挠袡C(jī)物，都是中了宇宙級(jí)彩票的幸運(yùn)兒?；虻呐帕薪M合完全是個(gè)天文數(shù)字，而我們這些生物隨機(jī)選擇的遺傳代碼卻恰好構(gòu)成了生命的原型。我們身邊的其他物質(zhì)也與此相似。自然的進(jìn)程，在地球以及宇宙的其他地方表現(xiàn)出來(lái)的，只是分子和物質(zhì)形式的龐大“菜單”中，一份小小的樣品。相應(yīng)的，也只能體現(xiàn)出這份樣品的物理定律。
不過(guò)這一切現(xiàn)在都迎來(lái)改變。自然的變遷確實(shí)慢的令人捉急，但這些本來(lái)需要萬(wàn)、億年的宇宙學(xué)及生物學(xué)過(guò)程都在實(shí)驗(yàn)室中被大大加快了。這樣看起來(lái)，或許人為因素顯得太多了。但是我們也應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，從基因?qū)用姹辉O(shè)計(jì)出來(lái)的細(xì)菌，跟野外的細(xì)菌一樣“真實(shí)”，或者說(shuō)，它們對(duì)于研究有同樣的價(jià)值。人造的一維、二維材料也是這個(gè)道理（它們背后的量子性質(zhì)反而賦予了這些新物質(zhì)更豐富的研究?jī)r(jià)值）。這些新技術(shù)將量子力學(xué)從原子和分子的范疇中“解放”出來(lái)，使其更貼近宏觀世界和日常生活?？傆幸惶?，我們會(huì)有能力隨心所欲地在宇宙的“菜單”上點(diǎn)菜。



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