基础科学走到尽头了吗?杨振宁是第二个开尔文勋爵?答案是有可能

似乎有回到了十九世纪末的时代,牛顿经典力学一桶浆糊,麦克斯韦方程组搞定了电磁学,我们还有什么要做的,不过就是修修补补而已,持有这个论点的不乏少数,其中就包括普朗克的导师菲利普·冯·约利,估计大家也不认识菲利普·冯·约利,但应该认识普朗克吧,无论是他伟大的量子力学成就还是他的盛世美颜。

十九世纪末:科学界的问题都解决完了吗?

在十九世纪末的时代背景下,普朗克的导师菲利普·冯·约利是这样对普朗克说的:

“这门科学中的一切都已经被研究了,只有一些不重要的空白需要被填补”

当然普朗克的回复也很经典:

“我并不期望发现新大陆,只希望理解已经存在的物理学基础,或许能将其加深。”

准确的说当时确实是经典力学、经典电动力学和经典热力学的黄金时期,物理大厦也都已经构建完毕,但也许只有几个人才知道这座大厦即将倾覆,而这来自几个并不起眼的“窟窿”!

1、牛顿绝对时空观的以太没有找到,引力成了超距作用

2、黑体辐射的紫外灾变

(其实远不止两个,还有放射性元素发现,X射线以及卢瑟福发现的元素嬗变等)

当然这“两朵乌云”在普朗克的大学期间并没有爆发,而他也以优秀的成绩在慕尼黑大学顺利拿到了博士学位,并且在亥姆霍兹和基尔霍夫的骨灰级热力学领袖的引领下,普朗克一头扎入了热力学领域。此时时间线是1889年4月。

在此前两年的1887年,迈克尔逊和莫雷展开了一个几乎颠覆经典力学的“绝对参考系”光干涉实验,这个史称“迈克尔逊-莫雷实验”终结了以太说,引力成了赤裸裸的超距作用。当然此时大家都不太相信这个结果,而是展开了反复试验。

原理如动图,非常容易理解

当时关于热力学最热门的课题是“黑体辐射”,在对辐射波段以及辐射能量上有很深的认识,但当要计算整个长波辐射到短波辐射时却出现问题了!

黑体辐射维恩公式:在短波辐射领域非常贴合实际测量

黑体辐射瑞丽-金斯公式:在长波辐射领域非常贴合实际测量

但两者都不能在对方领域计算,而且误差极大,特别是瑞利-金斯公式,在紫外波段计算的结果直接趋向于无穷大,这就是紫灾变的来历。普朗克对此展开了研究,并且受到玻尔兹曼的启发,将能量能连续辐射的模式修改成了能量子模式,结果完美解决了黑体辐射的全波段统一公式计算的问题

而1916年爱因斯坦发表的广义相对论,则补上了以太的漏洞,质量弯曲空间的模式来解释了引力的传递,而且水星进动问题上完美解决了牛顿挖的大坑,在1919年的日食观测上也证明了光线会受到大质量天体作用而走“弯路”!

二十一世纪初:科学界的问题都解决完了吗?

杨振宁在反对中国建设CEPC上说过一句话“物理界的盛宴已过”,这话和当年开尔文勋爵的原话十分相似,他是这样说的:

“物理学的未来,将只有在小数点第六位后面去找”

看起来似乎是这样,但开尔文勋爵却没有想到,在他去世前,看到了量子力学正在生根发芽,在他去世后九年,爱因斯坦的广义相对论以颠覆性的姿态将牛顿经典力学拉下神坛。这距离他说这句话不过是二十年不到而已。

人类是不是太高傲自大了呢?

关于杨振宁的言论,相信他有为中国考虑的一面,希望将这些钱投入到更需要的地方,比如培养人才,展开建设,但人各有志,也许中国现在的想法已经不一样了!

比如他的好意就被中科院王贻芳院士列了七条反驳意见,当然我们其他就不提了,特别关于科学最前沿的描述方式我们来围观一下:

LHC对希格斯粒子的测量精度只有10%,未来的CEPC可以达到1%,可以确认希格斯粒子的性质,是否与预言的标准模型一直,测量其自耦合与真空相变模式。未来在确认的过程中也有可能发现新伴随粒子,非点结构的希格斯粒子等。

这是高能粒子物理界的问题,除了这些外,还有超弦理论,曾经超弦理论是最有可能将时间、空间和物质统一起来,但现在超限理论的发展似乎有些不受控制

弦论的拥护者认为它是目前我们所知的理论中唯一一个有潜力成为真正的“万物理论”的。20世纪90年代,研究者通过“对偶性”(数学上的等价性)把5种弦论分支相互联系起来,增强了物理学家对弦论的信心。如今,研究者认为,这些分支理论其实是一个基础理论的特殊情况,他们称这个基础理论为M理论。不过,M理论的方程至今仍远未完成。

未来会走到哪里,我们会现在能判定吗?

对于宇宙诞生那一刻的追寻也是我们探索的最大动力,但当前最成熟观测手段的极限是宇宙诞生后37.9万年的微波背景辐射,因为之前的光被宇宙“浓汤”所束缚,光学或者电磁波段都无能为力,但引力波可以,直达宇宙诞生的那一声啼哭

因为在宇宙诞生的第一个普朗克时间内,引力就诞生了,从这一刻开始引力就开始发挥作用,而此时的引力对于时空的扰动,可以说是空前绝后的,但由于宇宙的膨胀也会将引力波的传递无限拉伸,我们用什么技术去还原?即使被拉伸也会比微波背景辐射看得更远。

地基探测器探测引力波的频率范围是1赫兹~10^4赫兹。

除了地基引力波探测器之外,还在筹备“激光干涉太空引力波天线”(eLISA)。理论上,eLISA探测引力波频率范围为10^-5赫兹~1赫兹。

有那么多问题悬而未决,我们的基础科学走到头了吗?也许我们才刚刚开始,从牛顿时代起300多年时间建立的科学体系,也不过是未来的旅行打好行囊而已,哪里才是目的地,没有人会知道,但我们知道必须一直往前走。