為什麼近100年的物理學沒有重大突破?難道物理的發展越來越慢?

薛定諤的科學 發佈 2020-01-16T21:18:03+00:00

如今一直流行著一種說法,物理學在近100年幾乎沒有重大突破。到托勒密時代,這個地心說模型已經是套了80多個圈的理論,但其實精準度已經夠當時的人用了,所以某種程度上說,托勒密的地心說是科學理論,因為,這個理論符合的科學理論的範式。

如今一直流行著一種說法,物理學在近100年幾乎沒有重大突破。這裡的近一百年大概指的就是從相對論、量子力學之後的物理學。那這種說法到底有沒有道理呢?

今天,我們就來聊一聊這個話題。

科學理論的誕生

要搞清楚這個問題,我們要先搞清楚科學理論是咋來的?

首先,我們要思考一個問題,那就是理論是先於現象出現的,還是晚於現象出現的?

其實這個問題很複雜,可能不同的人會有不同的想法。現在被認為是科學和哲學之父的泰勒斯,曾經就提出,萬物的本源是水。這句話引發了很多人對於終極問題的思考,也被認為是哲學和科學的開端。

但是泰勒斯之後,哲學們普遍以存粹思辨的方式去思考這些問題,這就使得理論越來越偏離於實際。後來,著名的哲學家柏拉圖發起了「拯救現象」的革命,他認為理論要能和現象擬合

這一切其實很好地體現在了地心說的模型上。柏拉圖的徒弟們開始試圖去給理論需求現象的落腳點,其實歐多克斯的地心說就是一個典型的例子。但是歐多克斯的理論還有一些純粹理想化的東西沒有根除,那就是古希臘哲學家認為「圓周遠動才是完美的」,因此,他們寧願讓模型變得極其複雜,也不願意改變這個觀念。

到托勒密時代,這個地心說模型已經是套了80多個圈的理論,但其實精準度已經夠當時的人用了,所以某種程度上說,托勒密的地心說是科學理論,因為,這個理論符合的科學理論的範式

觀測現象的局限性

所以,你看,雖然我們無法知道是現象先於理論,還是理論先於現象。但我們知道的是,一個合格的理論要匹配現象。這個要求就帶來了一個問題,我們可以現象一下,人所看到的世界是有局限性的,我們的眼睛只能接受到可見光波段的電磁波,而且視力也有範圍,這意味著我們能看到的世界本身就是有限,所能夠看到的現象就是有限的。

不僅如此,微觀的世界,我們如果僅憑肉眼也是不可能看得到的,宏觀大尺度的世界或者高速的世界,我們也是看不到的。

最早,牛頓提出的一套理論,被我們稱為經典物理學。這一套理論就可以完美適配人類肉眼所能夠窮極的一切。我們也把牛頓覆蓋的尺度是宏觀低速的世界。

最激進的保守主義者

但,凡是一個有內在驅動力的人都會想要建功立業,科學家這個群體也是如此。雖然牛頓力學已經完美解釋了宏觀低速下的尺度。

後來的科學家們一面會非常尊敬牛頓的理論,另外一面就是想方設法地去試錯。把理論帶到最極端的條件下去試錯,只要誤差不太大,他們還會繼續用舊理論;一旦試出錯誤來,他們就會有機會基於新的現象提出新的理論,成為下一個「牛頓」。所以,科學家是一幫最激進的保守主義者。

人類科學在發展過程中,一直到20世紀前後,觀測水平得到極大的發展。在小尺度上,可以觀測到亞原子級的水平,在大尺度上,可以直接或者間接觀測到強引力場和接近於光速下的現象。

於是,在小尺度下,牛頓力學在描述粒子運動時出現的極大的誤差,同樣的,在接近光速以及引力巨大的情況下,牛頓力學也出現了很大的偏差。

這就給了那個時代科學家一個成為「牛頓」的機會。他們自然也不會放過,前前後後,這群科學家僅僅用到了不到30年的時間就完成了新理論的建構。

量子力學描述了微觀尺度下的物理學現象;

相對論則描述了強引力強和接近於光速的現象。

更讓科學家們欣喜的是,兩個新的基石理論都在宏觀低速兼容了牛頓力學,或者我們可以說,牛頓力學是量子力學和相對論在宏觀低速下的近似解

科學發展的成本

但是科學理論真可以這樣勻速地發展下去嗎?答案其實是否定的。

我們會發現,量子力學和相對論的出現是因為我們可以看到更大尺度的現象。而能看到這些現象的前提是觀測技術的發展,大規模科研成本的投入。地心說和牛頓力學時代,科學家一個人獨自製造出很不錯的實驗儀器。而到了20世紀初,科學家的實驗設備就需要一個團隊。

而如今呢?許許多多最前沿的項目,尤其是那些可以對基礎理論帶來巨大影響的科研項目,需要幾千人甚至上萬人的加入。不僅如此,還需要大量的資金投入。我們舉幾個例子。

在微觀尺度下,目前最高效的辦法就是利用大型粒子對撞機。修建一個能夠支持目前科研使用的對撞機都在千億級的水平,如果加上後期維護的費用,這個對撞機就相當於一個無底洞一樣。連美國這樣的國家,都曾經因為資金投入太多,而放棄已經修建到一半的對撞機項目。

其實不僅是微觀世界的探索,在大尺度上,天文學家們和理論物理學家們也非常關注暗物質和暗能量的相關研究。這兩個領域的研究,要麼需要發射探測器到太空中去做進一步的探測,要麼就在地下數百米甚至是數千米處做研究。所需要的經費也是相當大的一筆數字。比如:中國錦屏極深地下暗物質實驗室

理論科學家的悲哀

這個時代已經不是某個科學家可以單橋匹馬地提出一個理論。由於如今觀測成本的大幅度提前,當科學家沒有辦法看到更極端極度下的物理學現象,他也就沒有辦法提出更為新的理論。因此,只要沒有辦法大幅度且低成本的提高觀測水平,觀測本身以及高成本就會限制住人類科學理論的發展。

其實整個20世紀的科學理論發展是足夠快的,除了相對論和量子力學,科學家還建立起了一套粒子物理學標準模型

但到此為止,科學想要再往下發展,就需要建設更高性能的設備來觀測更極端尺度下的現象。而目前能夠研究的前沿領域實在太多,而且不僅僅只有基礎理論,像計算機、生物、醫學的相關研究也十分重要。

因此,各國都是有選擇地投入到這些前沿領域當中,而我們要想得到突破性的理論,這需要等到這些設備建成,並且拿舊理論進行試錯,這個過程是非常漫長的。這就當中基礎理論的發展會越來越緩慢。

所以,理論發展緩慢,實際上並不是人類智力不行,而是要觀測技術受限。

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