为什么说物理学近100年没有重大突破?
一直以来都盛行着一种说法:物理学近100年都没有重大突破了?
那这个说法有道理吗?事实上,有一定的道理,但并不完全是对的。为什么这么说呢?
我们需要从科学的发展说起。
科学的发展
如果,我们要给物理学大师的地位排个序,那在物理学界的历史上有且只有3位大神可以跻身第一梯队。他们分别是牛顿、麦克斯韦和爱因斯坦,他们三个人分别以一人之力就完成了伟大的科学理论的构建。
牛顿提出了著名的牛顿力学和万有引力定律,统一了天上和地上的物理学。
麦克斯韦提出了麦克斯韦方程,统一了电和磁的现象。预言了电磁波和光是一种电磁波。
爱因斯坦提出了全新的时空观,统一了时间和空间,质量和能量,并且解释了引力的本质。
爱因斯坦完成相对论时,是1915年,从牛顿到爱因斯坦就差不多就是在100年。与爱因斯坦并立的,还有一个伟大的理论,这也就是量子力学,只不过,这是一群科学家做出来的,而不是像前面三位超神的科学家一个人就做出来。
在量子力学之后,科学家基于狭义相对论和量子力学构建了一套粒子物理标准模型。也是最接近于我们这个时代的,已经被实验所验证的物理学理论。
这套理论大概从上世纪30年开始,一直到80年前,几乎是宣告建立完成。但是具体的验证一直到2012年,才找到了最后一块拼图,也就是希格斯玻色子,对于最后的2块拼图,中微子和希格斯玻色子的性质,我们还了解得不多。
而这个理论宣告完成只距离我们现在40多年的时间,实验验证更是几乎和我们同时代。最近闹得沸沸扬扬的对撞机之争,实际上,中国高能物理学所所长王贻芳就表示,建立这个对撞机的一个目的就是寻找希格斯玻色子的性质。当然,今天,我们不讨论要不要建设对撞机,这是政府和科学家们的事情。
但是,至少我们知道的是,如今对撞机还在试图验证40多年前的构建出来的科学理论。
超前理论:弦论
所谓的100年没有重大突破,实际上是有点夸张了,其实最多就是40~50年。因为被我们实验所验证的理论宣告完成就是40多年前,而且这套理论是可以和量子力学,相对论,麦克斯韦方程,牛顿力学并驾齐驱的,也是物理学的一座高峰。
而且如果了解科学史,我们就会知道,科学家所提出的理论一般都是超越时代的存在。无论哪个理论,都是先提出来,然后科学家通过实验来验证。就拿麦克斯韦方程来说,就是提出后几十年,才由赫兹通过实验所证明。
爱因斯坦的相对论也是花了几十年的时间才完成验证,首先是1919年验证广义相对论,后来在上世纪50年代,才陆续有精度比较高的实验验证狭义相对论。一直到上世纪末,还有许多实验物理学在用实验证明相对论的正确性,量子力学更是如此。
同样的道理,粒子物理学标准模型也消耗大量的人力、物力、财力去验证,时间跨度也拉得非常长。
所以,我们会发现,随着科学的发展,理论变得越来越艰深。从原来一人之力就可以搞出一个理论,到后来,要许许多多的科学家共同努力才可以做成。而验证也是一样,所需要的实验仪器越来越精密,随随便便一台对撞机都在百亿级,更不要说后期高昂的维修保养费了。
所以,科学的发展不仅仅依赖科学家超凡的智力,还取决于人类制造实验仪器的能力。
实际上,在粒子物理标准模型之后,其实还有科学家提出更为超前的科学理论,这就是弦论。这个理论才上世纪80年代才开始蓬勃发展。至今还有许多的科学家从事这方面的研究。所以,并不是没有新的理论诞生。只是弦论这个理论太难验证了。我们现在所能造出来的最好的实验仪器,所测出来的实验结果的误差,都要比弦论描述的对象,还要大好几个数量级。
说白了,弦论无法验证的一个重要原因就是实验设备跟不上。
是什么阻碍了科学的发展?
如今的科学理论之所以发展缓慢,并不是人类的智力不够了。更多的是因为人类的观测设备不行,没有办法去验证现有的理论。而科学家理论要成立的前提是理论可以被验证。所以,阻碍科学发展的实际上是观测手段。
这个结果可能出乎意料。但是,我们可以仔细想想如今的几个突破和几个前沿研究,就可以知道这当中的奥秘。
在高能物理领域,主要就是中微子和希格斯玻色子,前者质量小到科学家没办法测准,而且还有中微子振荡。后者,这是需要性能优良的大型强子对撞机,才能找得到。
再来看看天体物理学领域,如今大热的是暗物质和暗能量。但我们要知道的是,这两个“神秘来客”最早我们根本观测不到它们。至今,我们还不知道它们到底是什么。说白了,就是因为我们观测手段限定了我们观测视野,而它们代表了物质95%以上的物质总量。
再比如,引力波,100多年来一直观测不到,直到科学家建立了大型的精密设备,才可以监测到非常剧烈的引力波的些许信息。而我们如今依然无法检测到那些比较微弱的引力波。
而中微子、希格斯玻色子、暗物质、暗能量、引力波也就是如今最前沿的研究,都能引发物理学的革命,但同时它们都需要科学家大规模升级观测设备才有希望观测到相关的物理学现象。因此,是观测手段阻碍了科学的发展。
物理学作为世界一大基础学科之一,这门学科的发展对世界来说都是有非常大的意义,那要回答关于物理学为什么在近百年以内都没有很大的突破这个问题,我们首先来了解一下,到底什么是物理学?物理学简单来说的话就是研究物体的运动方式,研究世界所有能动的物体和不能动的物体,研究他们存在的形式与具体的表现方法,那如果说的复杂一点的话,物理学就是研究所有的自然现象,物理学家通过自然现象归纳出一些一般性的规律,或者通过一些归纳性的定律,演绎出自然状态下不太可能发生的事,简单来说就是通过理想的状态,来进行各式各样的实验,发现一些我们所不能观察到的真实物理现象。
物理学可分为理论物理学与实践物理学,这两种物理学相互独立又相互依存,只有通过理论物理学发现了一些基本规律,才能进而通过实践物理学,用基本规律发现一些我们无法发现的真实事件,就比如毫无摩擦的情况,又比如毫无空气阻力的情况,这些都需要理论物理学来提供理论基础,那物理学为什么近百年都没有什么突破性的发展?这究竟是遇到了什么样的瓶颈?
物理学百年来没有特别大的发展,原因在于人类对于自然现象的认识陷入到了一个比较尴尬的瓶颈,在之前的百年时光里,人类已经对自然界本就屈指可数的实际现象进行了一般性规律的归纳,就比如我们所说的声光力,这些基本现象已经被人类挖掘的差不多,在宏观世界当中,我们已经很难发现更多的可能性,这种不多的自然现象是阻碍物理学进步的根本性原因,想要让物理学继续发展,这里发现更多前所未有的自然现象,而这点对人类目前的科技水平来说,显然是不可能的。
当然并不是说自然界的自然现象,仅仅就是人类发现的这些了,真正原因是人类根本无法发现,或者说是很难发现,人类的感官局限性是非常强的,随便什么动物,它们所能观察到的自然现象都要比人类多得多,人类仅有的眼睛和耳朵,还有鼻子这三种感官能力相比于自然界的动物来说实在是太差了,我们仅仅能通过这些基础感官来认知世界。
就比如占据世界面积很大的海洋,我们到目前为止,都没办法对海洋进行什么很深层次的发掘,而海洋世界肯定是会有无数的自然现象正在发生,再比如自然界的微观世界,我们无法定向的发现其中的奥妙,我们可能知道世界上还有很多未发掘的自然现象,但却不知道该从哪里开始,也不知道该怎么样才能发现,即便发现也需要无数的实验来获取理论基础,这就是为什么人类在近百年来都没有获得很大的物理学成就的原因。