20世纪的科学界真的是百花齐放,各家争鸣,出了很多物理学大咖,还真的是热闹非凡,可以和中国古时候的战国时期和欧洲近代的文艺复兴时期相媲美,毫不夸张的说你每天睡觉起来,可能就会听到又有了新发现或者谁提出了新理论。
虽然20世纪前半叶是人类社会动荡的时代,但丝毫没有阻碍科学的迅猛发展,但到了21世纪很多人就会感觉理论物理学怎么好久都没有啥重大突破了?例如题目所说近百年来,这着实有点夸张。那为什么近几十年来理论物理好像停滞不前了?这就要从一个成熟的科学理论的发展过程说起。
纵观人类的科学史,我们不难发现,物理学的发展异常迅猛,科学理论的不断提出和完善已经将人类科学推到了认知的前沿。也就是说现在你想凭借一己之力,在目前的理论基础上再往前推进已经十分困难了。这个道理很简单,这就跟我们上学的时候,老师让我们用一个词语造句,你肯定会想赶紧叫我,因为越到后面越难,别人把容易的都说了。
而20世纪,或者是前几个世纪,人类各行各业的科学都还是空白,属于科学开荒的年代,也是为科学大厦筑基的年代,很容易在当时利用现有的实验和观测条件提出一些容易掌握和被人理解的基础科学理论,为以后的发展提供进步的台阶。
也就是说,科学不是一蹴而就的,它也跟我们上学一样,先从英文字母和1+1开始的,而且科学理论的发展并不是我们通常认为的谁推翻谁的理论,而是一个在前人的基础上不断完善的过程。那么一个新的理论诞生需要具备哪些条件呢?以下三个方面缺一不可:
一个新的科学论理论必须完美的容纳和解释,前一套科学理论所能解释的所有已证实的现象。
一个新的科学理论还必须完美的解释旧科学理论无法解决的问题。
一个新的科学理论在满足以上两个条件的同时,还必须提出新的预测,并且能被人们通过实验和观测手段进行证伪。
你看,人类近代科学的发展当从牛顿说起,万有引力和三大定律的提出可谓是为人类拨开了眼前的迷雾,为人类首次开拓了一片科学的视野,牛顿理论的成功就满足了以上的三个条件,万有引力在容纳和发展了开普勒的行星三大定律以后,就完美地解释了太阳系中一切天体的运动,而牛顿引力的预测还为我们发现了天王星。
但是牛顿的这一套理论,在后来人类观测水星进动的问题上栽了一个大跟头,从此一病不起,而且他还无法解释万有引力在两个质量源之间是如何起作用的。那么在1916年广义相对论的发表,不仅解释了牛顿引力所能解释的一切现象,还解决了水星进动的问题,也顺带提出了一个惊人的预测:星光在经过大质量天体时会发生弯曲。并在1916年得到的观测的证实。
从以上的例子,我们就可以看出,科学是一个不断完善,循序渐进的过程,前一个科学理论并不是不正确,而是它只适用于一定的范围内,在超出这个范围的领域就需要新的理论来解释。这就是为什么相对论取代了牛顿理论,而我们目前还在学习牛顿那一套的原因,毕竟在地球上完全够用了。
而且我们还能看出,理论永远都是超前于实验的,一个完善的理论可以提出很多惊人的预测,毕竟人脑子很活泛可以想到任何乱七八糟的东西,只要能被实验和观测证伪就是正确的。相对论不仅仅是提出了那么一个预测,那简直是太多了,一个比一个听起来玄乎,但是验证起来异常的困难,在爱因斯坦去世以后的几十年间,我们一直都在通过各种严苛的手段在验证其理论的正确性,但这个理论真的不负我们的众望。
那么广义相对论有什么问题?相对论也不是一个可以囊括整个宇宙的理论,它也有自己的痛点。例如:把广义相对论应用在大尺度结构上,无法解释星系团的紧密结构和星系旋转曲线异常的问题,于是我们就提出了暗物质理论,认为宇宙中还存在未知的大质量的冷粒子,这才能解释以上的问题。
还有,以上的问题可能并不是引力的错, 而只是标准模型的完善的问题,但我们目前所使用的引力理论和微观层面的量子理论并不那么融洽。你看,宇宙存在的四大基本力(强力、弱力、电磁力、弱力)中,除了引力以外的这些力,都被量化了,都存在相互介导的粒子和电荷。而引力我们不知道它是如何传递作用力的,于是我们认为引力可能也存在一个名为引力子的介导粒子,而且也存在质量电荷(质荷)。
但这些猜测目前都没有得到验证和证实,我们的宇宙貌似有两套不相关的理论在掌控,这对于追求完美的物理学家来说,简直无法容忍,所以科学的终极目标就是在寻找大统一理论。
除了广义相对论的问题,量子力学的标准模型也不完善,除了上文说到的宇宙中存在标准模型的暗物质粒子外,可能还存在一些未被发现的粒子。例如中微子振荡的问题就是一个证据,标准模型预测中微子应该和光子一样没有质量,但我们在观察太阳中微子时,发现比预测少了2/3的中微子,这就是著名的太阳中微子消失之谜。
最后我们才得知其实中微子在被创造出来以后,会在三种味道中转换,也就是电子中微子,μ中微子和τ中微子,这种相互的转换就是中微子振荡问题,说明中微子有质量,尽管很小,但说明还有未知的粒子可以赋予中微子质量。当然还有暗物质的消失之谜,超对称粒子的问题,这些都于是这科学还要继续往前发展。
下面的问题就是,目前科学上这么多问题。
为何就突破不了呢?是什么阻碍了科学的发展?
以前的科学发展,一张纸一杆笔就足以,我们很很简单的花费就可以验证你的理论。但现在不同了,什么是科学的前沿?这其实也是更高能量和更多花费的前言。上文可以看出,所有的问题最后都集中在了粒子物理学上,而粒子物理学是一个需要频繁实验,频繁的高能量撞击去发现新粒子的过程。
你可能已经想到了,就是大型对撞机!这是人类物理学突破前沿的理想机器。既然我们之前的理论都是正确的,都经过了层层的验证,那么这些理论预言出来可能存在的粒子,在宇宙早期的高能量状态下肯定都存在。但我们要想发现发现这些粒子,就必须创造出更高的能量,让粒子相互碰撞以产生未知的粒子。
例如,欧洲的大型强子对撞机在2012年发现预测的希格斯玻色子以后,由于能量已达上限,再无任何建树,这只能说明在这个能量段内以无新粒子。要想突破物理学前言就要提高能量继续撞,所说就一定能撞出东西,但只要能量够高,肯定是会发现新物理的。
这就是我国前段时间为何在争论对撞机的原因,这是个烧钱的无底洞,你能不能装出东西还不好说,说不定你建造的对撞机在这个能量下就有粒子,说不定就没有。所以杨振宁也说了,对撞机的风头已过,在往上走可能花钱不讨好。
所以目前处在科学前沿的理论物理学,阻碍其发展的是我们目前无法跟上的实验设备和观测手段。总的来说,不管啥事,越往后越难。