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现代物理学,“停滞”了?(2)
对于基础科学来说,理论上的突破如何取得呢?积累是必须的。“当旧的理论无法解释新的实验结果,新的理论就会提出来。”蔡荣根说。
19世纪末20世纪初,当时很多物理学家觉得以伽利略、牛顿为代表的经典物理学大厦已经完美地建构起来,只不过天空中还飘着“两朵乌云”——黑体辐射问题与迈克尔逊-莫雷实验问题无法得到经典物理学的解释。后来,其中一朵发展成为相对论,另一朵发展成为量子力学,进而动摇了经典物理学的根基。
与百年前遇到的情形类似,当下的物理学界也面临着旧理论无法解释某些新现象的问题。马建波认为,不管是相对论还是量子力学,从理论本身来讲,内部还有不少地方需要完善。
蔡荣根举例:“比如我们常说的‘暗物质'‘暗能量',就被称为‘笼罩在21世纪物理学上空的两朵乌云'。如果在这两个问题上取得突破的话,那么就会对我们之于客观世界的认识,以及物理学规律的认识产生巨大影响,就会形成基础物理学新的突破。”
但这种突破必将比此前艰难。“这就寄希望于我们的实验与观测了。物理是一门实验科学,需要实验与观测积累越来越多的数据。”蔡荣根表示,“月亮为什么围着地球转、飞机如何才能起飞……这些常规尺度上的问题都已经弄清楚了。但更宏观宇宙尺度上的,更微观量子尺度上的,还有高温高密强磁场条件下的物理学规律,这些实验要求的极端条件越来越苛刻,实验很可能跟不上理论研究的步伐。因此理论物理发展遇到一些困难是正常的现象。”
蔡荣根从能量的角度举了一个例子。
现在人类能够达到的最高的能量,就是欧洲粒子物理实验室里大型强子对撞机创下的纪录——14TeV左右,即14万亿电子伏特。“人们已经觉得这是很高的能量了。但是粒子物理要探索的标准,如标志量子引力时代的普朗克能量是1019Gev,即1019千兆电子伏特,二者之间还相差十多个数量级。”
理论物理自有独特之处
——不知道突破会在哪里,甚至不知道在哪个方向
除了实验遇到的困境之外,理论物理学根本上有其特殊之处。
“我们从事理论研究,很大程度上是好奇心驱动,就是希望弄清楚事物的本质与发展规律。比如月亮为啥绕着地球转?为什么苹果是落地了,而不飘到天上去?这有什么现实意义,好像确实没有。”蔡荣根说,理论物理追求的是对整个学科领域、对人类生活产生重大影响的思想理论。
“这就意味着我们面对的是一项具有长期性、基础性、不确定性的问题。”蔡荣根进一步解释,理论物理研究与具有很明确科学目标的大工程——建设天眼FAST、发射卫星不一样。这些项目本质上都是工程问题。已经存在被证明行得通的路径,只要研究出我们怎么去走这条路就可以。“但在理论物理领域,你可能不知道突破会在哪里,甚至不知道在哪个方向”。
他举了暗能量的例子。1998年,科学家发现了宇宙加速膨胀现象,驱动膨胀的被称为“暗能量”。经过20多年的验证后,发现这一研究成果的科学家也被授予2011年诺贝尔物理学奖。
根据最新研究,目前的宇宙中只存在5%左右的普通物质以及27%的暗物质,其余68%的能量组份则由神秘的暗能量提供。暗能量的本质虽仍未被揭示,但天文观测证据表明,暗能量充满宇宙,且除引力作用之外,暗能量与其他物质不存在任何已知的相互作用。
“从1998年到现在,已经20多年过去了,科学家还在寻找‘暗能量'。什么时候能够找到,没人知道。”蔡荣根认为,“就像我们做题,失败的时候肯定占绝大多数。”
理论物理学在科研组织模式上也有其与众不同之处。
“基础科学研究的突破,都是人才驱动的。这些顶尖人才取得突破,然后很多研究者跟进,可以一起去推动学科的发展。”蔡荣根说。
以尼尔斯·玻尔研究所为例,该研究所以丹麦著名物理学家玻尔的名字命名,旨在纪念这位哥本哈根学派领军人物。20世纪二三十年代,该所成为原子物理和量子力学研究的中心,来自欧洲各地甚至全球的物理学家都会来到这里与玻尔论道,包括薛定谔、海森堡、泡利等物理学界的顶尖学者。而在这里工作过的物理学家,半数以上都获得过诺贝尔奖。
文章来源:《现代交际》 网址: http://www.xdjjzzs.cn/zonghexinwen/2021/0304/725.html