通过理论物理我们能对自然了解多少,能了解更多吗?

1687年7月5日,艾萨克·牛顿的传世经典著作《自然哲学的数学原理》在埃德蒙·哈雷的鼓励和支持下出版。在这本书里,牛顿系统地阐述了在接下来的两百年里被奉为自然真理的三大运动定律,定义了万有引力定律。从那时到20世纪70年代末的近300年间,理论物理一直以惊人的速度发展,极大地拓展了人们对自然及其规律的认识。

然而,在21世纪的第三个十年开始时,科学家告诉我们,尽管他们付出了巨大的努力,我们对自然及其规律的认识并不比20世纪70年代更多!这是什么意思?这就意味着,从20世纪70年代末至今的近50年里,我们的理论物理不知何故停下了脚步,陷入了困境!这绝对是一件非同寻常的事情,正在发生,也不是危言耸听。如果回到200多年前的科学史,那时候,科学研究只是富家子弟的专利,但即便如此,科学理论的发展也没有出现今天的困局。

这里可以简单梳理一下。至少从18世纪后期开始,每隔四分之一世纪,也就是25年,理论物理就会在关键问题上取得重大进展。牛顿运动三定律和万有引力定律为人们认识自然界的万物提供了理论框架。当这些理论已经流行了将近100年的时候,安托万·洛朗·拉瓦锡在1780年倡导并改进了定量分析方法,并用它来验证质量守恒定律。这时,人们逐渐开始了解物质、光和热的基本事实,并将逐渐打开电、磁等神秘现象的大门。

在接下来的50年里(可以看作是两个25年),人们有了一些对现在有重大意义的发现。首先,科学家了解光也是波,发现带电粒子间的力的规律。因为道尔顿的原子论,人们对物质的认识有了很大的飞跃。我们有了能量的概念,用光的波动理论解释了干涉和衍射,探索了电阻、电和磁的关系。

现代物理学的几个基本概念出现在1830到1855的四分之一世纪里。在这25年里,法拉第提出了力由“场”传递的创造性观点,极大地促进了我们对电磁现象的认识和理解。同时,在此期间,用热力学第二定律建立了能量守恒定律。在接下来的25年里,詹姆斯·克拉克·麦克斯韦进一步发展了法拉第的“场”的思想,从而建立了我们今天的电磁学。麦克斯韦不仅统一了电和磁,还解释了光实际上是一种电磁波。1867年,麦克斯韦用原子理论解释了气体的行为,同时克劳修斯提出了“熵”的概念。

在1880到1905的25年间,科学家发现了电子和X射线。经过几个阶段对热辐射的研究,普朗克终于在1900年发现了描述辐射热性质的正确公式——普朗克辐射定律,点燃了量子理论诞生的火花,宣告了新物理学革命伟大时刻的开始。普朗克因此获得了1918诺贝尔物理学奖。1905年,爱因斯坦26岁。他证明了光既是粒子又是波。他将运动的相对性与麦克斯韦电磁定律协调起来,创造性地提出了著名的狭义相对论。

接下来的25年,爱因斯坦的思想爆发了。1915年,他提出了广义相对论,宣称空间的几何不是固定的,而是随时间变化的。他在1905揭示的波粒二象性,到了1930逐渐成长为一个羽翼丰满的量子论,使人们认识到原子、化学、物质、辐射是不可分的。1930年,天文学家也意识到宇宙中也包含了大量像银河系一样的河外星系,它们正在相互远离。虽然这一现象的意义尚不明确,但人们已经意识到我们可能生活在一个不断膨胀的宇宙中。

爱因斯坦在接下来25年的最后一年,也就是1955年去世。在这25年里,由于弗里曼·戴森和理查德·费曼的努力,人们已经学会了如何将狭义相对论与量子力学和谐地结合起来。不仅如此,人们发现了中子、中微子等数百种基本粒子,也认识到了自然界的千变万化是由四种基本力主导的,即引力、电磁力、强核力和弱核力。

在1955到1980的25年间,物理学家构建了一个可以解释所有基本粒子和力的实验结果的理论——基本粒子的标准模型,广义相对论被无数的实验所验证。霍金在这个阶段提出黑洞辐射理论,开始探索量子宇宙。可以说,在物理学史上,我们第一次看到理论物理赶上了实验物理。从那以后,没有任何实验与标准模型或广义相对论相矛盾。

到了80年代,正如文章标题所说,理论物理的脚步停止了。也许你会提出一些异议,但请你再想一想:1980之后,有没有值得我们这一代人骄傲的新理论?为什么理论物理突然陷入困境?谁也说不准。