物理学革命

作者: Dan Garisto

来源: 新原理研究所

发布日期: 2023-01-09 07:59:44

多年来,物理学家一直在等待着一场新革命的出现。从实验的角度看,这样一场革命的到来并非是一件难以想象的事:它或许来自于一台刚好被调配到正确频率上的强大设备,观测到了科学家搜寻已久的暗物质;也或许是来自一台能看得足够远的望远镜,从比最古老的恒星还要早的光信号中发现了宇宙暴胀的秘密;又或许,它来自于一个深埋于地底的实验室,从中微子身上找到了为什么宇宙中充满的是物质而非反物质的答案。

多年来,物理学家一直在等待着一场新革命的出现。从实验的角度看,这样一场革命的到来并非是一件难以想象的事:它或许来自于一台刚好被调配到正确频率上的强大设备,观测到了科学家搜寻已久的暗物质;也或许是来自一台能看得足够远的望远镜,从比最古老的恒星还要早的光信号中发现了宇宙暴胀的秘密;又或许,它来自于一个深埋于地底的实验室,从中微子身上找到了为什么宇宙中充满的是物质而非反物质的答案。

除了实验方面的突破,物理学的大部分进展还来自于理论方面的发展。在物理学中,理论与实验就好比是同一枚硬币的正反两面。理论物理学家为宇宙中的一些难题提出解决方案;实验物理学家则专注于验证那些想法。而当实验物理学家发现一个有趣的结果时,理论物理学家便会提出一种模型来解释它。

这种相对明确的劳动分工有别于其他科学,比如化学或生物。在那些学科中,理论和实验的界限往往更加模糊。

在过去一个世纪里,理论物理学家与实验物理学家在他们各自领域的专业性上都更进了一步。实验物理学家运用精密复杂的设备来收集数据,比如粒子加速器等。他们置身于高科技的实验室中,那些地方充满了酷炫的电子设备,以及可重达数千吨的仪器阵列。而对理论物理学家来说,任何能让思想肆意发酵的地方都是他们的“实验室”:一场对话、一块黑板,甚至是瑞士的某个专利局。

纵使实验物理学家使用的工具非常复杂,但它们仍是有形的机器。图表、绘画和视频都可以用来说明它们是如何工作的。相比之下,仅靠简单的援助并不能帮助我们理解理论物理学家是如何思考,或是如何构想出下一个伟大思想的。但希望总是有的——如果你愿意聆听,理论物理学家总是很乐意尝试解释他们的理论是如何建立的。

物理学家对宇宙的理解可被简化为两个基本理论:广义相对论和量子场论。广义相对论是由阿尔伯特·爱因斯坦所构想提出的,这是一种支配着宇宙结构的理论,物理学家能通过它来预测并解释引力以及引力对空间和时间的影响。然而,若要理解粒子以及除引力之外的其他三种基本力——强力、弱力和电磁力,物理学家则需要量子场论。

量子场论用非常复杂的数学来描述粒子,但物理学家坎·科里奇喜欢将量子场论比作是场舞台剧:“台上和台下都有演员在表演,他们都有台词,你可以根据量子场论的规则写出无穷无尽的剧本。”在这个类比中,演员就是粒子,演员们所说的台词就是粒子间的能量交换——决定着粒子如何运动并该做什么事情。一旦你能描述舞台上的演员有哪些、谁要与谁对话、说了些什么话,你就对宇宙有了一个描述。

在过去的半个世纪中,理论物理学家基于量子场论所作出的预测一次又一次通过了实验的验证。理论物理学家越来越相信他们有能力洞悉宇宙发展的秘密。他们扩展了自己的洞察力、直觉和数学能力以构建一类更宏大的理论,比如SUSY。

但是现在,在缺乏能明确证明这些“超越标准模型”理论的证据的情况下,一些物理学家正在重新思考他们的偏倚。玛布巴尼说:“也许我们的偏倚在现实中并不像我们希望的那样拥有良好的基础。”他认为,许多偏向特定模型或思考宇宙的方式的偏倚就像一种嗜好或审美,它们是物理学家在某一个领域工作多年后才累积发展出的,它们的存在就如同可用来看别哪些想法是可接受的、哪些是不可接受的指导方针一样。

简洁是理论物理学家偏爱的美学特征。英国广播公司(BBC)在2016年举办了一个列举“最美方程式”的活动——获得第一名的是狄拉克方程。伦敦大学学院的物理学家乔恩·巴特沃斯评论说:“我喜欢狄拉克方程,因为它结合了优雅的数学和大量的物理结果。”这种简洁优雅的审美理想遍布整个理论物理学,但它仍是难以捉摸的。

狄拉克方程还预言了反物质的存在。

《纽约客》在一篇文章中向几位理论物理学家提出了关于“优雅”的问题,其中包括弦理论研究方面的领军学者爱德华·威滕。威滕简单地说:“你给我定义一下音乐,我就会试着去定义优雅。”理论物理学家的偏倚是有一些很好的理由的。自德谟克利特提出原子以来,还原论就一直服务于物理学家。普适化的原理让牛顿对引力有了无与伦比的洞察力。在某种程度上,美使得狄拉克在反物质被实验发现之前,就已经建立了一个可以预测反物质的方程。

但也许是运气才让我们的偏倚恰好与理论一致。或者,这些偏倚可能只与某些理论一致,与其他的并不一致。玛布巴尼说:“我不知道该多信任我们传统上持有的美学观点。当我们要寻找一种描述自然的理论时,美学对我们能有什么帮助吗?对此我毫无头绪。如果能那自然最好,但我担心的是它们并不能。”

理论上这绝非是一件容易的工作。“你永远无法知道灵感会何时出现,或者是否会出现。

”玛布巴尼说道,她说有时觉得这就像是拔牙一样——不知漫长的痛苦何时才能终结。理论上,失去希望、放弃追寻“宇宙如何运作”这类问题的答案,并转向去攻克简单一点的问题,似乎是更简单的选择。然而,理论物理学家却并不是这样选择的。相反,他们总在逐渐削减知识的壁垒。他们敢于提出那些可能最终认为是毫无根据的想法,因为他们深知这是科学进步的一部分。

在发现希格斯粒子的几十年之前,物理学家想出了许多其他的质量机制,比如“拟色”、“顶夸克冷凝”,甚至还有“非粒子物理学”。这些都是黑暗中的摸索,但又是必要过程的一部分。正如理查德·费曼所说:“为了取得进展,人们必须打开通向未知世界的那扇大门。”你或许会困惑,为什么理论物理学家要陷入这样一段艰难的过程——用尽多年时间前往那些可能是死胡同的道路?

直到你亲眼所见亲耳所闻他们的热情——那种兴奋与激情说明了这一切。

玛布巴尼说:“一旦你有了一个想法——一个你真正想要知道答案的想法的种子,从那刻起,一切就变得简单了。接下来你要做的不是工作,而是纯粹的游戏,一个你绝不想要停止的游戏。”下一个伟大的理论物理学革命的细节尚且模糊,我们无从知道它会在何时发生、谁会是第一个想到它的人、这个伟大的想法又会是什么样。但是,如果说历史教会了我们什么的话,那就是不要忽视那些将毕生精力都致力于探索宇宙的人们。

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