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如果不能寻找终极理论,物理学还有什么意义?

时间: 2016年11月07日 | 作者: Ashutosh Jogalekar | 来源: 环球科学
【 图注】 罗伯特 ·奥本海默和阿尔伯特·爱因斯坦:两人似乎在晚年都认为寻找基本规律是物理学中最重要的事。(图:阿尔弗雷德·艾森士塔特,《生活》杂志) 罗伯特 ·奥本海默(

 

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图注】罗伯特·奥本海默和阿尔伯特·爱因斯坦:两人似乎在晚年都认为寻找基本规律是物理学中最重要的事。(图:阿尔弗雷德·艾森士塔特,《生活》杂志)

 

罗伯特·奥本海默(Robert Oppenheimer)对物理学的一大贡献就是他在晚年一无所求。1939年,奥本海默和他的学生哈特兰·斯奈德(Hartland Snyder)在当时首屈一指的物理学期刊《物理评论》(Physical Review)上发表了一篇5页的短论文(巧合的是,就在这期杂志发行的同一天,纳粹德国进攻了波兰),列出了今天我们所知的黑洞的基本特征。在同一期的杂志上,尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)和约翰·惠勒(John Wheeler)共同发表了另一篇关于核裂变原理的文章。随后,第二次世界大战爆发,玻尔和惠勒的论文一夜之间成为焦点,而奥本海默和斯奈德的论文则被束之高阁。

 

战争结束后,在约翰·惠勒和丹尼斯·夏默(Dannis Sciama)等先驱的带领下,广义相对论开始重新恢复生机。此前,它一直被认为是前沿科学里的一潭死水,其中的数学成分多于物理的理论,但战后,以惠勒和夏默为首的科学家在欧洲和美国的几所学校都开始继续研究引力理论。奇怪的是,奥本海默对这一领域已经失去了全部兴趣。曾几度尝试劝说奥本海默回归其先前对引力的研究中去的弗里曼·戴森(Freeman Dyson)也可以证实这一点:这位物理大师一旦改变研究方向,就再也不对先前领域的最新进展表现出一丁点儿兴趣。为什么奥本海默对一旦被实验证实甚至有可能让他获得诺贝尔奖的贡献都如此漠不关心?

 

戴森说:“这是因为奥本海默在晚年坚信,一个严肃的理论物理学家只应当关注一个问题,就是发现物理学的基本方程。爱因斯坦当然也抱有同样的看法,他们认为发现正确的方程才是头等大事,一旦发现了正确的方程,研究这个方程在特定条件下的解就成了二流物理学家,甚至研究生都能胜任的日常练习。”

 

奥本海默和爱因斯坦的看法与历史上许多伟大的物理学家如此相似:一个物理学家所能从事的最重要的工作就是对基本定律的探索,其他的一切都不重要。就我个人来说,我不喜欢这种看法,但不管是好是坏,纵观物理学史,这种看法也许是有一定道理的。

 

此前,科学作家查德·奥泽尔(Chad Orzel)发表了一篇具有深刻见解的博文,文章的标题就旗帜鲜明地表明了观点:“跟我来念:粒子物理学不是物理学的全部”(Repeat After Me: Particle Physics Is Not All of Physics)。他的观点无可非议,很多粒子物理学家们确实表现得好像只有他们遇到的问题才是真正值得关注的一样,好像一旦这些问题都碰了壁,整个物理学都要陷入停滞。这当然是无稽之谈,毕竟世界上大多数的物理学家的研究对象都与量子色动力学和希格斯玻色子无关。奥泽尔举了一个事实来证明上述观点只是少部分人所持的,即美国物理学会的大多数成员都是凝聚态物理学家,粒子物理学学家只排第二,而且即使这样, “这个排名也高估了直接从事万有理论(Theory of Everything)的人数。事实上,从事这一领域的物理学家只占职业物理学家中的极少数(如今他们的工作还正由于理论和实验方面的最新进展——或者说缺乏最新进展而遭受危机),他们的数量在媒体中被过度放大,或许是因为多重宇宙这样的概念听起来很酷。但实际上,哪怕这帮做基本粒子的物理学家明天全被吸入一个黑洞,整个物理学领域甚至都不会受到多大影响。

 

关于理论物理被媒体过度炒作这一点,我是十分赞同的,公众似乎觉得只有粒子物理学才是物理界唯一值得兴奋的东西,我也曾写过一篇文章为这样的现实而惋惜,呼吁大家关注实验物理学家(或者说凝聚态物理学家)的努力而发声,向公众介绍他们的科学领域。

 

话虽如此,我仍然觉得,其实各类物理学家在内心还是对基本定律抱有偏爱。事实上,即使大部分物理学家自己并不研究基本定律,但在哲学上很难否认,物理学的历史很大程度上就是在寻找以统一为名的基本定律的过程中建立起来的。

 

自物理学诞生以来,从事这一事业的人就一直致力于从不同的现象中寻找共同点。伽利略发现了木星具有卫星,就像地球有月亮一样。牛顿的最大成就是推翻了2000年来亚里士多德关于运动的以太论,证明了天上地下的物体遵守着相同的规律。统一,依旧是物理学发展的最高准则。从法拉第和麦克斯韦对电与磁的统一,到温伯格等人对弱作用与电磁作用的统一,正统的物理学史可以简单地被概括为“统一”的过程。

 

这些故事我们都知道,但统一之所以能成为物理学家们最爱的历史瞬间,是因为统一带来了简化,而这样的简化往往是寻找基本定律的重要组成部分。一位物理学家半开玩笑地说,最基本的定律应当是在餐巾纸上用一行就能写下,但却可以解释一切的方程。把描述两种不同现象的方程简化成同一个式子,不仅令人万分激动,还极其实用。因此,从统一的基本定律中获益的不仅仅是粒子物理学家,也有各个其他方向的物理学家,而凝聚态物理学家和粒子理论物理学家一样重视简化,也不言而喻。

 

或许你会以为关于以太的理论离实际生活太远,但如果没有麦克斯韦方程组,二战期间的科学家与工程师就不可能研究出雷达。事实是,哪怕凝聚态物理学家自身并不研究基本定律,哪怕全世界的弦理论学家都放弃研究去写存在主义小说了也不可能对凝聚态物理的日常研究造成很大影响,但不可否认的是,每个凝聚态物理学家都早已受益于基本定律了,不管他们在个人层面上是否有意将自己的研究与量子力学和广义相对论的统一相关联。

 

大多数物理学家都会思考关于美学与完备性的问题,即使这与他们自己的工作关系不大。凝聚态物理学家很可能会信奉菲利普·安德森(Philip Anderson)著名的格言“More is Different”(“多而不同”),认为通过纯粹的还原论方法并不能解决超导或者巨磁阻这样复杂的凝聚态物理学问题,但我觉得他们中的每个人其实内心里都很希望出现一套直接、简单、基本的理论,能解释从夸克到超导陶瓷的一切物质的特性。不能因为目前为止弦理论与凝聚态物理学课题之间还没找到联系,就说你不期待能找到一个。从古代社会起,我们就一直试着去探索对物理现象的解释,发现关于宇宙的最基本统一且自洽的原理一直是物理学的目标。不管你是否积极投身到这些定律的探索中,事实就是这样。

 

所以,尽管没能发现量子引力理论不太会影响对拓扑绝缘体或者DNA的探索,但实际上,它至少向各个领域的物理学家传递了一个令人不安的信息:在最基本的层次上,我们的科学仍然是无关联且不完整的。这样的真相也许不仅仅会令粒子物理学家的研究陷入困境,也会让其他更多的物理学家对自己的研究产生不安和不确定的感觉。

 

撰文:Ashutosh Jogalekar

翻译:秦琪凯

审校:丁家琦

 

原文链接:

https://blogs.scientificamerican.com/the-curious-wavefunction/physics-and-fundamental-laws-necessary-truth-or-misleading-cacophony/

 


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