物理学走向尽头了？

Daphane

来源：环球科学   撰文 | 罗伯特·戴克赫拉夫（Robbert Dijkgraaf）


制图：James O‘Brien

物理学走到尽头了吗？人们常常把21世纪称作生物学的世纪，或者人工智能的世纪，总之这个世纪得属于某个冉冉升起的新领域。这样看来，物理似乎已经是上个世纪的遗物——那个由量子力学和相对论卷起的震撼世界的革命，以及随之而来的基本粒子淘金狂潮，为高能物理赢得了数十尊诺贝尔奖。那个黄金时代早已成为过往。时至今日，人们总是叹息这满目萧然：或许再等个几十年也不会发现新粒子；也许，永远不会再有新粒子了。　　我认为这种悲观是不可取的，理由来自起码三个方面。
　　首先，对于一个迟暮之年的学科而言，物理学在最近20年取得的成就似乎又太多了。2012年发现希格斯玻色子，2015年探测到引力波（2016年公开宣布），2019年拍摄到黑洞事件视界的照片。以上三者都是科学界的重磅新闻，登上报纸头条，吸引着全世界的目光。
　　不过肯定有人会反驳：这些重大发现背后的理论，都来自上个世纪。黑洞和引力波可以从1915年发表的爱因斯坦方程中直接推导得出。（希格斯机制也是上世纪六、七十年代的理论，译者注）那是不是说，物理学已经江郎才尽，想不出新点子了？
　　为了回答这个问题，就需要我的第二条理由。近年来宇宙学的发展，让科学家可以几乎肯定地说，宇宙的95%“凭空消失”了。这“凭空消失”的部分被称为暗物质和暗能量，它们被掩盖在一层神秘的面纱之中。面纱背后，便是未知的新物理了。只要这些谜团（还包括其他的未解之谜）还没有解开，物理学的工作就远远没有结束。不过，对于已知的5%，我们已经有相当程度的认识。这仍然算是非常伟大的成就了。
　　第三条原因在于，所谓“物理已死”这种论断，存在诸多基础和范畴的错误：说到底，用发现新粒子来定义物理学的进展，这本身就是一种鼠目寸光。如此一来，就忽视了物理学的大部分内容，大大低估了物理学的潜力。老实说，我们现在所掌握的这些知识，相较于尚未探索的领域，仍然是微不足道。



本文作者戴克赫拉夫是一名理论物理学家（摄影：Gabi Porter）

　　物理学的目标是用精确的数学语言去描述宇宙中所有的物质和能量，而我们目前只踏出了这千里之行的第一步。说物理学走向了尽头，就相当于说数学只需要引入自然数和算术法则，或是化学只用列出元素周期表，就大功告成了一样。知道下棋的规则，并不代表你成为了棋艺高手。
　　事实上，为了寻找物理学的基本定律，我们并不一定非得研究基本粒子。有些物质由多种成分组成，每个部分都有不同的性质，这些性质作用在一起，就有可能会产生令人意想不到的规律。最简单的例子是声波，这是一种由物质中分子的震荡引起的现象。不过，根据量子力学，这种现象也可以描述为一种粒子。这些“声子”，便是声波的波包，或者说，是声音的“单元”。这就跟虚构的闵希豪森男爵一（本是德国贵族，退役后因杜撰其从军生涯而小有名气。这些故事被作家鲁道尔夫·埃里希·拉斯伯得知，而后被他改编成小说）扯着自己的头发把自己拉出沼泽一样。物理学也常常是“自己靠自己”——这门学科会运用已有的知识来发展新的基本概念。不过，随后还是需要用数学的方法对其进行严格处理。
　　目前已知的这部分宇宙，可以衍生出无穷无尽的物理系统，我们必须得换个角度看问题。与其从一条一条的现象中归纳出本质，我们不如先自己设计一条法则，然后看看这条法则意味着什么样的现象。比方说，今天的物理已经远远不是高中所学的固，液，气态能描述的了。量子力学中有不少怪异的结论，允许一些神奇的态存在，理论已经把这些态挨个归类，这样，我们就可以设计特殊材料，放到实验里去检验这些态是否真的存在。
　　以上的所有，反映了科学的一种转向：从“是什么”到“能用来实现什么”。20世纪的科学家找到了构成世界的砖瓦：分子，原子以及最基本的粒子等，它们是物质的原材料；细胞，蛋白质，基因让生命成为可能；比特，算法和网络是信息与智能的基础（既是对机器而言，也是对人类而言）。而本世纪，我们就可以试试用这些砖瓦能盖起怎样的宏伟建筑。
纵使经历了宇宙140亿，地球45亿年的历史，自然界展现出来的表象还远没有穷尽所有的可能。正如生物学家理查德·道金斯所指出的：我们人类以及从古至今所有有生命的有机物，都是中了宇宙级彩票的幸运儿。基因的排列组合完全是个天文数字，而我们这些生物随机选择的遗传代码却恰好构成了生命的原型。我们身边的其他物质也与此相似。自然的进程，在地球以及宇宙的其他地方表现出来的，只是分子和物质形式的庞大“菜单”中，一份小小的样品。相应的，也只能体现出这份样品的物理定律。
　　不过这一切现在都迎来改变。自然的变迁确实慢的令人捉急，但这些本来需要万、亿年的宇宙学及生物学过程都在实验室中被大大加快了。这样看起来，或许人为因素显得太多了。但是我们也应该认识到，从基因层面被设计出来的细菌，跟野外的细菌一样“真实”，或者说，它们对于研究有同样的价值。人造的一维、二维材料也是这个道理（它们背后的量子性质反而赋予了这些新物质更丰富的研究价值）。这些新技术将量子力学从原子和分子的范畴中“解放”出来，使其更贴近宏观世界和日常生活。总有一天，我们会有能力随心所欲地在宇宙的“菜单”上点菜。