现代物理学已经发展到瓶颈了吗?人类科技真被“智子锁死”?

2020-07-24 02:05 admin

回首过往,在20世纪初,量子力学和相对论的出现刷新了人们的世界观,让人类对时间、空间和物质的关系有了全新的认识,使人类的科技飞速发展。21世纪初,物理学却没有什么爆炸性的发现,准确来说是在基础领域没有较大的发现。难道物理学的发展遇到瓶颈了吗?莫非真的像科幻小说《三体》中描述的那样,人类的科学发展已经被高等级文明锁死。

其实物理学在最近100年里不仅没有止步不前,而且比历史上其他时期的发展快得多。20世纪初,那是一个人才辈出的时代,现代物理学的许多重大发现都诞生于那个时期。从20世纪开始,人类文明就进入了飞速发展的时期。

下图为1927年第五届索尔维会议参会科学家的合影,那个时期世界上最杰出的物理学家基本上都出现在了这张照片上。

物理学是研究物质及物质运动变化最一般规律的科学,是自然科学中最基础的一门学科,物理学的进步能够带动其他自然科学的发展。人类科技文明的进步在很大程度上得益于物理学的进步,比如,电磁学和热力学的研究使人类进入了电气时代,量子力学催生的半导体技术、激光技术则使人类进入了信息时代。

自然科学大约起源于2600多年前的古希腊,亚里士多德就是那个时代的代表人物。我国在2000多年前的春秋战国时期也出现了以墨家学派为代表的古代科学,可惜淹没在了历史潮流当中。古希腊时期还没有出现物理学这门学科,属于自然科学的萌芽期,大概持续了700年。那时科学家们主要根据观察和经验来总结规律。

中世纪,科学一直停滞不前,大约持续了1400年左右。渡过了漫长而黑暗的中世纪,时间到了16世纪,文艺复兴为近代科学萌芽奠定基础,先有哥白尼提出日心说,后有伽利略开物理实验的先河,物理学和近代科学正式建立。

在16世纪末(明朝末年),我国近代科学先驱徐光启与利玛窦等西方传教士翻译了大量西方科学著作,为中西方科学文化交流作出了重要贡献。可惜后来因为清朝的闭关锁国政策,中断了中西方文化交流,最终导致我国在科学技术领域落后世界近200年。

17世纪出现了一个划时代的人物——牛顿,开创了经典力学体系。至此,物理学开始蓬勃发展。18世纪末,蒸汽机的应用导致了第一次科技革命。19世纪中叶,麦克斯韦用一组优美的方程统一了电和磁。经典电磁学完善后,同时开启了技术上的大变革,第二次科技革命就是从19世纪60年代开始的。

从物理学的正式诞生到第二次科技革命开始,这一时期属于经典物理学时期,持续了300多年。在这一时期,物理学进入了实验为主的时代,并且数学与物理学开始紧密结合。因为实践表明,人的经验并不可靠,为了保证研究结果的准确无误,为所有人公认,科学家必须用可重复的实验来检验结论的正确性,并对物质的物理性质及运动变化过程中的物理规律进行定性定量的研究和描述。

19世纪末,物理学的天空飘来了两朵乌云。第一朵乌云指迈克尔逊-莫雷实验与以太的破灭,第二朵乌云指黑体辐射与紫外灾难。物理学家们为了解决这些问题,不断的进行实验和理论推测,并于20世纪初诞生了相对论和量子力学。第二次世界大战后,世界整体趋于和平,并于20世纪50年代开启第三次科技革命。

现代物理学诞生于20世纪初,一直持续至今。随着物理学基础的成熟,在这一时期,理论物理崛起,使现代物理学发展成一门理论和实验紧密结合的科学。理论物理不是胡乱猜测,而是建立在现有的结论之上,并作出合理的推测。

不管是物理学还是其他科学,发展之路从来不是一帆风顺。工业的发展需要技术积累,科学的发展也需要知识的积累。牛顿曾说过,他能取得巨大的成就,是因为站在了巨人的肩上。原始资本的积累需要足够长的时间,基础科学的发展也需要足够长的时间来打地基。

科学的发展是从无到有、从少到多这么一个过程,当人类的认识达到了足够的广度,一些智者便会进行更加深刻的思考,就会引发科学革命,这就是量变到质变。如果没有前人的研究成果,爱因斯坦也不可能提出相对论。这个变化过程需要足够长的时间。

阻碍物理学发展的主要是人类的观测能力,包括观测技术和观测工具等。而实验的目的就是为了精确观测。

古人以为天圆地方,是因为活动范围较小。你以为你所听、所见、所感便是真实,实际上,人类的观察能力十分有限,要想探究事物的本质,必须要突破人类的感官限制。物理学家们用仪器代替人的感观能力,对这个世界进行观测,随着几次科技革命,这些工具的观测能力和精度越来越高,使物理学家能够进行更深层次的探索。从最初的望远镜、显微镜等工具,再到粒子对撞机,发明这些工具也不是容易的事。

上世纪初能出现那么多杰出的科学家和科学成果,在于教育体系的成熟,以及第二次工业革命使人类有能力研发更多高精度的观测工具,使物理学家的研究手段得到了空前提高。

物理学发展的大趋势并不是完全由天才人物决定的。500多年前的人为什么不能发现相对论?不是因为现代人更加聪明,而是因为我们站在了巨人的肩上,爱因斯坦所处的那个时代的观测能力远胜于牛顿时代,并且今人比古人知道的更多。

自然界中的物理规律非常复杂,至于这个复杂性究竟是有限的还是无限的?目前不知道。如果是有限的,当物理学发展到尽头,就会停滞不前。

19世纪末,经典物理学已经相当完善,几乎可以解释当时人类了解的所有自然现象,这让一些科学家以为物理学发展到了尽头,只剩下些修修补补的工作。直到电子、X射线和放射性现象的发现,以及两朵乌云的岀现,最终导致了一场物理学革命,现代物理学就此诞生。

如今,量子力学和相对论已经成为现代物理学的两大支柱。相对论主要是爱因斯坦的成果,而量子力学是由普朗克、玻尔、爱因斯坦、德布罗意、薛定谔、海森堡、费米、狄拉克、泡利、康普顿和玻恩等人发展建立起来的。经典力学研究的是低速宏观领域,而现代物理学则进入了高速、微观和宇观领域。

现代物理学中最大的梦想便是建立一个大统一理论,用以描述自然界中的所有现象。上世纪50年代起,物学家们建立了标准模型,用来描述夸克、轻子等基本粒子的性质,并统一了四大基本力中的电磁力、强核力和弱核力。此外,科学家们还建立了关于宇宙的标准模型,用以解释宇宙万物的起源。

不过,现代物理学自诞生起,就隐含着不可调和的矛盾,就是广义相对论和量子力学的矛盾,即引力无法被量子化。想要解决这个难题,可能需要全新的物理理论,比如弦理论或膜理论。

暗物质和暗能量的发现则彻底打破了这个美好的梦想,原来我们所了解的世界只是有5%普通物质构成的,其余95%的世界则知之甚少。其中,存在暗物质的猜测来自星系旋转现象中缺少的力;存在暗能量的猜测则来源于宇宙加速膨胀过程中缺少的能量,和引力不同,它具有斥力性质。暗物质和暗能量究竟是什么?目前还不清楚。

此外,还有许许多多的问题,等待我们探索。诸如:物质是否无限可分,黑洞的内部情况,正反物质的对称性破缺,多重宇宙和额外维度是否存在等等……

目前理论物理学发展的很迅速,可是现有观测能力远远不能验证当前的许多理论。无论是弦理论,还是关于黑洞的霍金辐射,都只能停留在理论层面上,还不能证实。正如前面所说,阻碍物理学发展的主要是人类的观测能力。

不过,物理学的发展并没有遇到难以逾越的瓶颈,并没有走进死胡同,待时机成熟,将会产生新一轮物理学革命,到时候又会产生新的难题。宇宙中是否存在更高等级的文明,还尚未可知。至于“智子锁死”这种低等级文明被高等级文明限制发展的想法,是未被证实的幻想。