物理學已經走到盡頭了（現代物理學發展放緩了嗎）

2023-04-14 12:44:11 1

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第五屆索爾維會議上物理「大神」們的合影。資料圖片

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這段歷史要從其最閃耀的一刻說起。

1927年10月，第五屆索爾維會議在比利時布魯塞爾召開，29名物理學家以「電子與光子」為主題展開討論。愛因斯坦、普朗克、薛定鄂等大師雲集。會議舉行期間，他們留下一張合影，留給世人「神仙聚會」般的豪華記憶。

當然，成為經典的，還有這次會議上玻爾與愛因斯坦關於量子的著名爭辯。持續了數十年的「玻爾-愛因斯坦論戰」成為量子理論發展史上的重要轉折點。此後，量子理論逐漸成長為現代物理學的兩大基石之一。

另一基石，正是人們耳熟能詳的相對論。尤其是在1919年英國天文學家愛丁頓完成日全食實驗後，愛因斯坦提出的廣義相對論「一戰成名」。

與那個輝煌的時代相比，今天的理論物理多少顯得有點乏味——大師鳳毛麟角，缺乏顛覆性理論創新。人們不禁要問：物理理論的發展已經完備了嗎？現代物理學發展放緩了嗎？

遠去的大師時代

20世紀被稱為物理學的世紀。「相對論和量子論，是20世紀的兩大物理學成就，現在幾乎所有的科學技術，都是基於這兩大理論發展起來的。」中國科學院院士、中國科學院理論物理研究所研究員蔡榮根說，量子論的出現徹底改變了人類的世界觀，大大豐富了我們對於客觀世界的認識，半導體、雷射，以及現在的量子計算等前沿技術，都是在這個基礎上發展起來的。「相對論就更不用說了，改變了我們對時間、空間，乃至整個宇宙的認識，像現在發射衛星，未來的星際旅行等，都離不開相對論的指導」。

20世紀初期誕生的相對論和量子論，為我們帶來了極大的震撼，也讓物理和物理學家成為備受關注的對象。

「那幅合影反映的那個時代就很典型。」蔡榮根說，那時，因為相對論、量子論剛剛誕生，有許多重要問題大家還沒有弄明白，空白比較多，「誇張點說，你只要解出一個量子力學的題目，就可以成為著名科學家。」

隨著科學家對理論認識的逐漸深入，學科發展也向縱深發展，相繼提出了量子場論、楊-米爾斯規範場論、弦理論和超弦理論，以及被霍金評價為「可能是解釋宇宙本原的終極理論」的M理論。這些理論的主要研究者也被學術界公認為旗幟性人物。

「如果說20世紀五六十年代是楊振寧先生和李政道先生的時代，那70年代就是荷蘭物理學家特·豪夫特的時代，到了80年代，則是美國物理學家愛德華·威滕的時代。」蔡榮根回憶，自己年輕求學時，和很多從事理論物理研究的同學一樣，都將威滕——這位公認的「全世界最聰明的頭腦」視為偶像，「威滕是提出M理論的大師。他當時做什麼研究，我們就會跟著做什麼研究。」

然而，在威滕之後，40多年的時間裡，能夠被全民普遍知曉的名字好像就沒有了。大師的缺席在不少人看來，似乎意味著理論物理學的發展無法找到新的突破方向，趨於停滯。

物理研究向縱深發展

——任何科學本身有其發展客觀規律

近些年，大眾越來越關注這一問題，有人發出「物理學沒有突破」的感慨。事實果真如此嗎？

「現在理論物理研究正在既有成果基礎上，不斷向前推進，只是類似量子力學、相對論這樣徹底改變人們世界觀的突破，確實是沒有的。」蔡榮根解釋，儘管從人類歷史的發展演進角度看，科技在過去100到200年間呈加速度持續發展，但並不能因此要求理論物理的發展也與之同步。「任何科學本身有其發展客觀規律」。

「最近二三十年，從諾貝爾獎的頒發就可以看出，物理學取得了一些長足的進步。比如，百年前愛因斯坦在廣義相對論中的某些預言，要到2016年引力波的發現才得以印證。類似的例子都體現出物理學仍然闊步向前。」在中國人民大學科技哲學專業副教授馬建波看來，「物理學根本性的理論變革往往涉及人類對宇宙的認識方式，本來就是比較困難的事情，不可能一直快速發展。」

對於基礎科學來說，理論上的突破如何取得呢？積累是必須的。「當舊的理論無法解釋新的實驗結果，新的理論就會提出來。」蔡榮根說。

19世紀末20世紀初，當時很多物理學家覺得以伽利略、牛頓為代表的經典物理學大廈已經完美地建構起來，只不過天空中還飄著「兩朵烏雲」——黑體輻射問題與麥可遜-莫雷實驗問題無法得到經典物理學的解釋。後來，其中一朵發展成為相對論，另一朵發展成為量子力學，進而動搖了經典物理學的根基。

與百年前遇到的情形類似，當下的物理學界也面臨著舊理論無法解釋某些新現象的問題。馬建波認為，不管是相對論還是量子力學，從理論本身來講，內部還有不少地方需要完善。

蔡榮根舉例：「比如我們常說的『暗物質』『暗能量』，就被稱為『籠罩在21世紀物理學上空的兩朵烏雲』。如果在這兩個問題上取得突破的話，那麼就會對我們之於客觀世界的認識，以及物理學規律的認識產生巨大影響，就會形成基礎物理學新的突破。」

但這種突破必將比此前艱難。「這就寄希望於我們的實驗與觀測了。物理是一門實驗科學，需要實驗與觀測積累越來越多的數據。」蔡榮根表示，「月亮為什麼圍著地球轉、飛機如何才能起飛……這些常規尺度上的問題都已經弄清楚了。但更宏觀宇宙尺度上的，更微觀量子尺度上的，還有高溫高密強磁場條件下的物理學規律，這些實驗要求的極端條件越來越苛刻，實驗很可能跟不上理論研究的步伐。因此理論物理發展遇到一些困難是正常的現象。

蔡榮根從能量的角度舉了一個例子。

現在人類能夠達到的最高的能量，就是歐洲粒子物理實驗室裡大型強子對撞機創下的紀錄——14TeV左右，即14萬億電子伏特。「人們已經覺得這是很高的能量了。但是粒子物理要探索的標準，如標誌量子引力時代的普朗克能量是1019Gev，即1019千兆電子伏特，二者之間還相差十多個數量級。」

理論物理自有獨特之處

——不知道突破會在哪裡，甚至不知道在哪個方向

除了實驗遇到的困境之外，理論物理學根本上有其特殊之處。

「我們從事理論研究，很大程度上是好奇心驅動，就是希望弄清楚事物的本質與發展規律。比如月亮為啥繞著地球轉？為什麼蘋果是落地了，而不飄到天上去？這有什麼現實意義，好像確實沒有。」蔡榮根說，理論物理追求的是對整個學科領域、對人類生活產生重大影響的思想理論。

「這就意味著我們面對的是一項具有長期性、基礎性、不確定性的問題。」蔡榮根進一步解釋，理論物理研究與具有很明確科學目標的大工程——建設天眼FAST、發射衛星不一樣。這些項目本質上都是工程問題。已經存在被證明行得通的路徑，只要研究出我們怎麼去走這條路就可以。「但在理論物理領域，你可能不知道突破會在哪裡，甚至不知道在哪個方向」。

他舉了暗能量的例子。1998年，科學家發現了宇宙加速膨脹現象，驅動膨脹的被稱為「暗能量」。經過20多年的驗證後，發現這一研究成果的科學家也被授予2011年諾貝爾物理學獎。

根據最新研究，目前的宇宙中只存在5%左右的普通物質以及27%的暗物質，其餘68%的能量組份則由神秘的暗能量提供。暗能量的本質雖仍未被揭示，但天文觀測證據表明，暗能量充滿宇宙，且除引力作用之外，暗能量與其他物質不存在任何已知的相互作用。

「從1998年到現在，已經20多年過去了，科學家還在尋找『暗能量』。什麼時候能夠找到，沒人知道。」蔡榮根認為，「就像我們做題，失敗的時候肯定佔絕大多數。」

理論物理學在科研組織模式上也有其與眾不同之處。

「基礎科學研究的突破，都是人才驅動的。這些頂尖人才取得突破，然後很多研究者跟進，可以一起去推動學科的發展。」蔡榮根說。

以尼爾斯·玻爾研究所為例，該研究所以丹麥著名物理學家玻爾的名字命名，旨在紀念這位哥本哈根學派領軍人物。20世紀二三十年代，該所成為原子物理和量子力學研究的中心，來自歐洲各地甚至全球的物理學家都會來到這裡與玻爾論道，包括薛丁格、海森堡、泡利等物理學界的頂尖學者。而在這裡工作過的物理學家，半數以上都獲得過諾貝爾獎。

「大家在一起討論問題，看似天馬行空地聊，卻相互碰撞出思想的火花——量子力學的哥本哈根詮釋正是這一時期在這個研究所完成的。」蔡榮根指出，相比大型工程化的組織模式，在一種自由寬鬆的氛圍裡，由一種類似小團體的組織模式組織起來，互相交流討論，更符合理論物理研究的特點。

中國理論物理應該怎麼發展

——衝破深層阻礙，才能取得超越

1883年，美國著名物理學家、美國物理學會首任會長亨利·奧古斯特·羅蘭在美國科學促進會年會上做了題為《為純科學呼籲》的演講。他這樣說：為了應用科學，科學本身必須存在。假如我們停止科學的進步而只留意科學的應用，我們很快就會退化成中國人那樣，多少代人以來他們（在科學上）都沒有什麼進步，因為他們只滿足於科學的應用，卻從來沒有追問過他們所做事情中的原理。這些原理就構成了純科學。中國人知道火藥的應用已經若干世紀，如果他們用正確的方法探索其特殊應用的原理，他們就會在獲得眾多應用的同時發展出化學，甚至物理學。因為只滿足於火藥能爆炸的事實，而沒有尋根問底，中國人已經遠遠落後於世界的進步。

當下中國與一百多年前相比，已發生了翻天覆地的變化。「十三五」期間，國家高度重視包括理論物理在內的基礎科學研究，出臺《關於全面加強基礎科學研究的若干意見》，制定《加強從『0到1』基礎研究工作方案》，實施《新形勢下加強基礎研究若干重點舉措》。

過去五年，我國基礎研究經費增長近一倍，2019年達到1336億元；我國基礎研究投入年均增幅達16.9%，大大高於全社會研發投入的增幅。2019年的基礎研究佔全社會研發投入比重首次達到6%。

但理論物理仍然面臨一些深層的阻礙。

上海交通大學科學史與科學文化研究院院長、教授李俠認為，自牛頓時代算起，我們在物理學上整體落後西方200年，追趕過程還沒有完全結束，我們需要把這200年間西方人關於物理的意識與認知真正學來，才有可能實現超越。

「不可否認，『科學』的概念與方法，本身就誕生在西方。中國人對科學的理解，與西方人並不完全一致。」蔡榮根說，純粹的科學是沒有功利心的，而中國傳統文化中學以致用、經世哲學等思想，深深地刻印在中國人的思維裡，影響著一代又一代人的觀念。

「現在我們國家要想把理論物理做好，首先就要培養一種重視基礎研究、重視理論物理的文化，要在科學研究上打破傳統的根深蒂固的認識，不要動不動就問『你研究這個有啥用』。」蔡榮根坦言。

因此，他建議，要遵循理論物理學科本身的發展規律，為科學研究人員創造一種自由學術討論的氛圍，建立具有符合理論物理學科特性的新的科研組織模式，開展理論物理的研究。

在這種新的組織模式下，藉助同行評議對科研人員進行評價。「科學成果評價本身是一個很複雜的過程，也是一個世界難題。同行評議畢竟是世界通行的方式，我們也不妨借鑑一下，實現人才評價、成果評價的科學、正向引導作用。」蔡榮根說。

理論物理還需要長期穩定的支持。在國際科技競爭日趨激烈的當下，不少國家都加大了對基礎研究的經費投入。據媒體報導，俄羅斯最新出臺的2030年科技發展規劃提出，要確保基礎研究投入佔全社會研發投入比重不低於2015年的水平（14.4%）；英國、美國、法國、日本、韓國等5個國家用於基礎研究經費佔其國內研發總投入12%~23%；與這些國家比較，中國基礎研究經費佔比仍然偏低。

蔡榮根呼籲，為基礎學科提供更加穩定持續的投入，「畢竟，天天在壓力下做科學研究，是做不出突破性成果的。」

來源：光明日報