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21世纪的物理学

2018-06-12 20:24 算法与数学之美

20世纪,是物理学多产的一个世纪。首先,爱因斯坦广义相对论颠覆了牛顿的引力理论,他将引力视作为时空的扭曲、而不是某种力。接着,普朗克薛定谔海森堡等人发展了理解亚原子世界的量子力学。在20世纪中期时,物理学家深刻的意识到在原子的内部还有两种基本力——强核力弱核力。而到了下半个世纪,物理学家则建立了描述宇宙中已知所有粒子和基本力的标准模型


○ 物理学的六个原理、六个大问题、及六个解决方案。


但在这个新的世纪里,物理学家似乎举步维艰。的确,这些年我们有一些非常重大的发现。例如,2012年科学家在大型强子对撞机中找到了标准模型的最后一块拼图——希格斯玻色子;四年后,人类首次在引力波天文台中直接探测到了引力波。尽管这都是非常伟大的成就,但值得注意——无论是希格斯玻色子还是引力波,都是基于上个世纪发展出的理论所预言的。而像理论那样的新思想却始终没有得到过任何验证。

○ 万物是由一维的弦构成的吗?


物理学家Neil Turok说:“自1970年代后,所有的理论工作都还没有产生一个成功的预言,这是很令人震惊的现状。”


但这并不意味着物理学家没有在埋头苦思,事实上现在发表于期刊上的研究论文比以往任何时候都要多。但Turok表示,目前所有的研究并没能真正的帮助我们更好地理解宇宙——至少不像上个世纪那些物理学家所做到的那样。


他说:“现如今,物理学家撰写许多的论文、建立许多的理论模型、举办许多的研讨会议、相互引用彼此的研究成果——我们拥有了好的科学所需要的一切。但我认为,一个好的物理理论就是要能成功地作出预言,而这正是目前所缺乏的。”


一些最被寄予厚望的实验也没有找到任何发现。以位于瑞士地底下的巨大加速器——大型强子对撞机(LHC)为例。在它找到希格斯玻色子后,物理学家希望LHC也能够迅速找证据,来证明预言了一系列新的、更重的粒子的超对称理论。但却仍未取得任何进展。

○ 左边为标准模型粒子,右边为超对称粒子。


同样地,在寻找暗物质(一种占据了宇宙大部分质量却不可见的物质)的道路上,我们也毫无收获。世界上一些著名的实验,比如LUX实验、XENON1T实验、以及中国的熊猫计划等等,都没有发现任何暗物质的踪迹。


此外,一直是万有理论最佳候选的弦理论如果一直拒绝实验的验证,那么像多重宇宙这样的概念对于一些科学家而言就像是科幻小说,而不是对现实的描述。


○ 我们的宇宙只是多重宇宙中的其中一个?


物理学家Sabine Hossenfelder表示,如果某些东西存在、而我们却无法观测到它,那这意味着什么?这一问题似乎属于哲学范畴的讨论。人们可以选择相信多重宇宙,但它并非科学。


在Hossenfelder的最新著作中,她认为今天的许多物理学家都因数学而步入歧途,他们被“美丽”或“优雅”的方程所诱惑,与真实的世界断了联系。她写道:“我无法相信这个曾经备受尊敬的职业现在成了什么样,过去的理论物理学家能解释观察到的现象。而现在他们试图解释的却变成了‘他们无法对某些未被观察到的事物作出解释的原因’。他们甚至都不擅长这一点。”


伽利略是第一个详细地描述了数学与真实世界之间的联系的科学家,的确,今天我们所看到的所有成功的物理理论都是由数学描述的。但是,也有一些伟大的思想家被数学带跑偏的例子。

○ 物理领域的重大突破有时需要数学的协助,反之亦然。


举个例子,在17世纪,德国天文学家开普勒发展了一个详尽的理论,利用欧几里得几何的“柏拉图立体”(正多面体)来描述行星的轨道。他的假设简直堪称优美,但却是错误的。


物理学家经常在他们的理论中寻求数学上的优雅;与其同时,他们被与之密切相关的简单概念所吸引。一些人引用“奥卡姆剃刀(Occam’s razor)来证明这种对美学的吸引力。奥卡姆剃刀认为,在两个相互竞争的理论中做选择时,更简单的那个通常是正确的。


○ 当爱因斯坦将数学作为指引后,就失去了方向。


因强核力工作而获得2004年度诺贝尔物理学奖的Franck Wilczek说:“我们希望我们找到的定律是优美的。我们希望他们会呈现出对称性,那样它们就可以基于几个简单的假设来解释清楚许多的事情,所以我们得到的会比投入的更多。”


但Wilczek警告说,没有人能确保这些原则会得到回报。尽管它们有良好的记录,但“它们并一定都行得通。”


Wilczek承认,近年来物理学似乎并没有什么起色,但他说,部分原因是由于我们在上个世纪获的成功太巨大了,在70年代和80年代,我们已经发展出非常好的模型来描述这个世界,因此想要在此基础上作进一步的发展将是非常非常困难的。


他说,至于超对称性和暗物质粒子,现在就放弃掉这两种观点还为时过早,“有时候,你必须要有耐心。”


Turok也乐观地认为,物理学的新时代或许就要到来——我们需要一个能够将量子理论和广义相对论联系在一起的大胆的新想法。“或许我们需要等待的是一些年轻人站出来说,‘啊哈!这就是把所有东西统一在一起的方式’。”

∑编辑 | Gemini

来源 | 树脑智能科技

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