我们喜欢看爆炸性新闻,无论是社会还是科技,当然更希望是科学,因为每一个科技的进步会提升人类的出行或者通信甚至可能是通向星辰大海之路,但科学的进步也许会为人类打开一扇新的大门,但爱好科学围观群众都知道,人类的科学已经很久没有爆炸性的新闻出现了!
人类科学发展简史
科学起始于古希腊,但古希腊大大小小的学派无数,就一个米利都学派方向最接近科学。
世界万物来自何处?
它们是由什么构成的?
能否用本原来描述它们?
如何解释观察到的自然现象的本质?
这是古希腊先贤们试图回答的问题,但毫无疑问没有答案,因为真正的科学时代尚未开启。
科学的范式是从牛顿时代开始的,但萌芽在伽利略时代,他的实验科学的基础上融会贯通了数学、物理学和天文学三门学科,并且扩大和加深人类对运动的认识,也从观测的角度加深了对宇宙的理解!而牛顿则总结了哥白尼以及开普勒和伽利略成就,开创了近代科学。
伽利略
牛顿在1687年发表的《自然哲学的数学原理》,不仅对万有引力和三大运动定律进行了描述(统一了天上和地下的力是一样的),还对物理学中的各项概念作出了严格的定义,真正做到了可以量化、论证以及验证等理论。牛顿和同时代的莱布尼茨一起建立了可被是验证明,可以用数学来解释的科学体系!
牛顿是现代科学的鼻祖,这一点毋庸置疑,但经典力学时代并非牛顿一人所能概括,莱布尼茨的贡献一样不能忽略,而在十七世纪到二十世纪初科学体系发展壮大中,很多科学家的贡献都是深远而又伟大的。
法国物理学家拉普拉斯将牛顿的万有引力定律扩展到了整个太阳系,他完美的解决了太阳系稳定性的问题,1799-1825年间拉普拉斯出版的《天体力学》是里程碑式的事件,这是天体力学的经典之作,被誉为法国的牛顿。
拉普拉斯
十九世纪六十年代,英国物理学家麦克斯韦推出了麦克斯韦方程组,统一了电和磁,并且预言了电磁波的存在,而赫兹则在十几年后以一个经典的实验验证了电磁波的存在,不经意间,麦克斯韦在牛顿经典力学和麦克斯韦电磁方程组之间埋下了一颗地雷,这就是绝对参考系和方程组中的光速常数问题。
以迈克尔逊莫雷实验为开端的狭义相对论,以及黑体辐射中的紫外灾变,则预示着二十世纪初颠覆性的三大科学理论的诞生!1905年爱因斯坦以光速不变以及相对性原理推出狭义相对论,并且他们的副篇质能方程,统一了物质和能量,这是革命之一,而1916年发表的广义相对论,则给了大家一个全新的宇宙观,甚至于二十世纪天文界验证的都是广相引发的各种天文预言!
而紫外灾变引发的量子力学则是二十世纪另一个颠覆性的发现源头,海森堡不确定性的理论甚至引发了爱因斯坦与波尔之间的“上帝到底掷不掷骰子的问题”,但最终天平无情的偏向了波尔的量子力学,爱因斯坦未能在第三个里程碑上发现上去的佳绩。
量子力学从第一代普朗克到第二代波尔再到第三代海森堡薛定谔....构建起了量子力学的大厦,二十世纪的前30年已经取得将近一半的成绩,所谓的物理学黄金时代的说法就是这么来的,但现代基础科学并未停滞,而是从另一个角度开启了另一扇大门。
杨振宁在1954年提出了杨米尔斯理论,但当时连杨振宁都不知道这个理论能干什么用,但在二十世纪六十年代开始引入对称性破缺机制后,杨米尔斯方程的重要性就开始显现:
1967年温伯格和格拉肖在引入规范对称的自发破缺,将电弱统一理论建立在了杨-米尔斯场论,引入希格斯机制,提出了具有U(1) ×SU(2)规范对称性的电弱理论。
1972年弗里兹希和盖尔曼提出了具有SU(3)规范对称性的杨-米尔斯理论, 建立了量子色动力学。
1960年代开始,数位物理学家提出一种希格斯机制,描述其其能够利用自发对称性破缺来赋予基本粒子质量,同时又不会抵触到规范场论,这个机制被证实,但物理学家一直都搞不清楚这个机制的细节。2013年,欧洲粒子中心的LHC发现了希格斯玻色子,但局限于LHC的能级,对它的测量精度仍然有限,因此对于希格斯场的性质,仍然有待更高能级的加速器获得!
基础物理学停滞了吗?
这是一个比较沉重的问题,就像十九世纪末期的开尔文勋爵认为未来物理学只能在小数点后6位刷存在,而普朗克导师则建议普朗克不要学物理了一样,自信满满的同时却有两朵乌云笼罩下,现代物理学突破了自我,创立了广义相对论和量子力学,而现代标准粒子模型则更是微观物质大厦的根基,广相则是宏观的根基。
两者互不相干,但唯一的冲突点是在奇点,当然是黑洞的奇点,这个无限小符合量子力学的观点(海森堡不确定性原理),位置与速度则符合广相的描述,因此两者无可避免的冲突了,而弦理论则试图缓和两者尖锐的矛盾,却没有任何实验性证明,从弦理论开始到M理论,仍然难以确定最终的结果如何!
危机是发展的基础,如果一篇祥和也许现代物理学真难有突破的方向,而现代物理的乌云远不止十九世纪末期两朵,而是密布乌云!比如:
量子测量诠释
中微子振荡,强CP
暗物质、暗能量、重子生成
量子引力,全息原理
任何一个问题的突破都可能为现代物理学打开一扇全新的大门,这是现代物理学错了吗?这可能得问问现代科技,因为科技基于科学,假如科学根基错了的话,估计大家就没有什么现代科技享受了,都回到石器时代玩火去哈!