点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:现代物理学发展放缓了吗
首页> 科技频道> 综合新闻 > 正文

现代物理学发展放缓了吗

来源:光明日报2021-03-04 10:26

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  资料图片

  第五届索尔维会议上物理“大神”们的合影。资料图片

  资料图片

  扫二维码看短视频

  这段历史要从其最闪耀的一刻说起。

  1927年10月,第五届索尔维会议在比利时布鲁塞尔召开,29名物理学家以“电子与光子”为主题展开讨论。爱因斯坦、普朗克、薛定鄂等大师云集。会议举行期间,他们留下一张合影,留给世人“神仙聚会”般的豪华记忆。

  当然,成为经典的,还有这次会议上玻尔与爱因斯坦关于量子的著名争辩。持续了数十年的“玻尔-爱因斯坦论战”成为量子理论发展史上的重要转折点。此后,量子理论逐渐成长为现代物理学的两大基石之一。

  另一基石,正是人们耳熟能详的相对论。尤其是在1919年英国天文学家爱丁顿完成日全食实验后,爱因斯坦提出的广义相对论“一战成名”。

  与那个辉煌的时代相比,今天的理论物理多少显得有点乏味——大师凤毛麟角,缺乏颠覆性理论创新。人们不禁要问:物理理论的发展已经完备了吗?现代物理学发展放缓了吗?

  远去的大师时代

  20世纪被称为物理学的世纪。“相对论和量子论,是20世纪的两大物理学成就,现在几乎所有的科学技术,都是基于这两大理论发展起来的。”中国科学院院士、中国科学院理论物理研究所研究员蔡荣根说,量子论的出现彻底改变了人类的世界观,大大丰富了我们对于客观世界的认识,半导体、激光,以及现在的量子计算等前沿技术,都是在这个基础上发展起来的。“相对论就更不用说了,改变了我们对时间、空间,乃至整个宇宙的认识,像现在发射卫星,未来的星际旅行等,都离不开相对论的指导”。

  20世纪初期诞生的相对论和量子论,为我们带来了极大的震撼,也让物理和物理学家成为备受关注的对象。

  “那幅合影反映的那个时代就很典型。”蔡荣根说,那时,因为相对论、量子论刚刚诞生,有许多重要问题大家还没有弄明白,空白比较多,“夸张点说,你只要解出一个量子力学的题目,就可以成为著名科学家。”

  随着科学家对理论认识的逐渐深入,学科发展也向纵深发展,相继提出了量子场论、杨-米尔斯规范场论、弦理论和超弦理论,以及被霍金评价为“可能是解释宇宙本原的终极理论”的M理论。这些理论的主要研究者也被学术界公认为旗帜性人物。

  “如果说20世纪五六十年代是杨振宁先生和李政道先生的时代,那70年代就是荷兰物理学家特·豪夫特的时代,到了80年代,则是美国物理学家爱德华·威滕的时代。”蔡荣根回忆,自己年轻求学时,和很多从事理论物理研究的同学一样,都将威滕——这位公认的“全世界最聪明的头脑”视为偶像,“威滕是提出M理论的大师。他当时做什么研究,我们就会跟着做什么研究。”

  然而,在威滕之后,40多年的时间里,能够被全民普遍知晓的名字好像就没有了。大师的缺席在不少人看来,似乎意味着理论物理学的发展无法找到新的突破方向,趋于停滞。

  物理研究向纵深发展

  ——任何科学本身有其发展客观规律

  近些年,大众越来越关注这一问题,有人发出“物理学没有突破”的感慨。事实果真如此吗?

  “现在理论物理研究正在既有成果基础上,不断向前推进,只是类似量子力学、相对论这样彻底改变人们世界观的突破,确实是没有的。”蔡荣根解释,尽管从人类历史的发展演进角度看,科技在过去100到200年间呈加速度持续发展,但并不能因此要求理论物理的发展也与之同步。“任何科学本身有其发展客观规律”。

  “最近二三十年,从诺贝尔奖的颁发就可以看出,物理学取得了一些长足的进步。比如,百年前爱因斯坦在广义相对论中的某些预言,要到2016年引力波的发现才得以印证。类似的例子都体现出物理学仍然阔步向前。”在中国人民大学科技哲学专业副教授马建波看来,“物理学根本性的理论变革往往涉及人类对宇宙的认识方式,本来就是比较困难的事情,不可能一直快速发展。”

  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。

  “大家在一起讨论问题,看似天马行空地聊,却相互碰撞出思想的火花——量子力学的哥本哈根诠释正是这一时期在这个研究所完成的。”蔡荣根指出,相比大型工程化的组织模式,在一种自由宽松的氛围里,由一种类似小团体的组织模式组织起来,互相交流讨论,更符合理论物理研究的特点。

  中国理论物理应该怎么发展

  ——冲破深层阻碍,才能取得超越

  1883年,美国著名物理学家、美国物理学会首任会长亨利·奥古斯特·罗兰在美国科学促进会年会上做了题为《为纯科学呼吁》的演讲。他这样说:为了应用科学,科学本身必须存在。假如我们停止科学的进步而只留意科学的应用,我们很快就会退化成中国人那样,多少代人以来他们(在科学上)都没有什么进步,因为他们只满足于科学的应用,却从来没有追问过他们所做事情中的原理。这些原理就构成了纯科学。中国人知道火药的应用已经若干世纪,如果他们用正确的方法探索其特殊应用的原理,他们就会在获得众多应用的同时发展出化学,甚至物理学。因为只满足于火药能爆炸的事实,而没有寻根问底,中国人已经远远落后于世界的进步。

  当下中国与一百多年前相比,已发生了翻天覆地的变化。“十三五”期间,国家高度重视包括理论物理在内的基础科学研究,出台《关于全面加强基础科学研究的若干意见》,制定《加强从‘0到1’基础研究工作方案》,实施《新形势下加强基础研究若干重点举措》。

  过去五年,我国基础研究经费增长近一倍,2019年达到1336亿元;我国基础研究投入年均增幅达16.9%,大大高于全社会研发投入的增幅。2019年的基础研究占全社会研发投入比重首次达到6%。

  但理论物理仍然面临一些深层的阻碍。

  上海交通大学科学史与科学文化研究院院长、教授李侠认为,自牛顿时代算起,我们在物理学上整体落后西方200年,追赶过程还没有完全结束,我们需要把这200年间西方人关于物理的意识与认知真正学来,才有可能实现超越。

  “不可否认,‘科学’的概念与方法,本身就诞生在西方。中国人对科学的理解,与西方人并不完全一致。”蔡荣根说,纯粹的科学是没有功利心的,而中国传统文化中学以致用、经世哲学等思想,深深地刻印在中国人的思维里,影响着一代又一代人的观念。

  “现在我们国家要想把理论物理做好,首先就要培养一种重视基础研究、重视理论物理的文化,要在科学研究上打破传统的根深蒂固的认识,不要动不动就问‘你研究这个有啥用’。”蔡荣根坦言。

  因此,他建议,要遵循理论物理学科本身的发展规律,为科学研究人员创造一种自由学术讨论的氛围,建立具有符合理论物理学科特性的新的科研组织模式,开展理论物理的研究。

  在这种新的组织模式下,借助同行评议对科研人员进行评价。“科学成果评价本身是一个很复杂的过程,也是一个世界难题。同行评议毕竟是世界通行的方式,我们也不妨借鉴一下,实现人才评价、成果评价的科学、正向引导作用。”蔡荣根说。

  理论物理还需要长期稳定的支持。在国际科技竞争日趋激烈的当下,不少国家都加大了对基础研究的经费投入。据媒体报道,俄罗斯最新出台的2030年科技发展规划提出,要确保基础研究投入占全社会研发投入比重不低于2015年的水平(14.4%);英国、美国、法国、日本、韩国等5个国家用于基础研究经费占其国内研发总投入12%~23%;与这些国家比较,中国基础研究经费占比仍然偏低。

  蔡荣根呼吁,为基础学科提供更加稳定持续的投入,“毕竟,天天在压力下做科学研究,是做不出突破性成果的。”

  (记者 徐畅)

[ 责编:涂子怡 ]
阅读剩余全文()

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 日/周
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • C919国产大飞机 联通中西部空中交通

  • “家长夜校”走进小学校园

独家策划

推荐阅读
担心被人工智能(AI)取代的员工,更容易在工作中消极怠工、迟到早退,甚至出现顺手拿走同事的午餐等人际越界行为。
2026-10-21 10:48
中国职业教育专题展上,摆着新能源汽车、港口航运、船舶焊接三个领域的未来实训中心项目。“无论实训条件和方式如何改变与优化,梳理并稳定现场关键岗位能力图谱,依然是未来实训中心的重要基石。
2026-10-21 10:48
记者日前从国家医保局了解到,医保钱包已升级到2.0版本,职工医保个人账户跨省共济功能实现全国全面落地。2.0版本的医保钱包都升级了哪些内容,谁可以使用,又如何使用呢?
2026-10-21 10:48
从基础化疗到双抗、多抗,再到抗体偶联药物(ADC),抗肿瘤新药正加速涌向临床。近日,京津冀第四届医药创新发展大会抗肿瘤新药安全与药学服务创新主题分会上,河北医科大学第四医院药学部主任冯锐用“百花齐放”形容当下的创新药格局。
2026-10-21 10:47
此次研究中,研究团队研制了一种高性能声学量子器件——高泛音体声学波谐振器。研究团队不仅让多个声学振动模式建立了这种特殊关联,还将这种关联从一个声学谐振器传递到另一个谐振器。
2026-10-21 10:47
智能科技是当前最具革命性、引领性的科技前沿,是推动新质生产力质态变革的关键力量,它不仅表现为技术层面的迭代,更体现为生产方式、产业形态和价值创造模式的系统性重构,并推动形成智能经济新形态。
2026-10-20 10:00
推进全球人工智能伦理治理,必须坚持“以人为本、向上向善”,以增进全人类共同福祉为根本目标,从技术普惠、精准治理、多元参与和全球共治四个方面协同推进,构建发展机会均等、权责边界清晰、国际协同高效的治理秩序。
2026-10-20 09:59
人民健康是民族昌盛和国家强盛的重要标志,也是中国式现代化行稳致远的根基所在。时隔十年,2026年10月,全国卫生与健康大会再次召开。回望十载征途,健康中国已从宏伟蓝图,化作大江南北触手可及的民生福祉。
2026-10-20 09:58
自然如何不被贫困“吞噬”,跨境之痛如何共担,资金如何流向正确方向——16日在亚美尼亚首都埃里温举行的生物多样性领导人峰会,就这三个问题向《生物多样性公约》第十七次缔约方大会(COP17)正式谈判传递出三个诉求:把自然保护纳入安全议程,让全球目标回应区域现实,让资金和措施真正到位。
2026-10-20 09:57
生产要素创新性配置,推动资源治理由技术优化向制度协调延伸。算电协同、算水协同揭示的资源逻辑,是技术创新改变资源利用方式、要素创新性配置提升系统效能、产业转型升级实现综合价值的有机统一。
2026-10-20 09:55
围绕“科学作为全球公共产品”“负责任的人工智能应对全球挑战”“科学、社会与信任”三大议题开展对话交流
2026-10-20 08:58
2026国际科学理事会中期会员大会暨北京科学对话由国际科学理事会主办,中国科学技术协会、中国科学院、中国社会科学院、北京市人民政府共同举办
2026-10-20 08:29
城市是人民美好生活的载体,人民群众是城市建设的主体和城市发展的动力源泉。
2026-10-19 09:32
当你出门后,扫地机器人根据你的清洁习惯自己排定工作时间、规划好路线;自研的快充技术,让它边充边扫、无限续航。这个颇具科幻意味的场景,已被第140届中国进出口商品交易会(广交会)上的一款产品实现。
2026-10-19 09:35
“可信工具”这一重要提法精准抓住了人工智能发展的一个根本问题:我们不能只问人工智能是不是更聪明、更高效、更强大,还要追问它是否真正可信。
2026-10-19 09:31
让从农田到餐桌的全过程均有标准可依,并积极推广应用食品数字标签,让食品信息获取更便捷高效。
2026-10-19 09:18
推动卫生与健康事业高质量发展,不断提高人民健康水平,确保健康中国建设取得决定性进展。
2026-10-19 09:16
当前全球生态环境挑战日益严峻,科技创新是应对可持续发展挑战的核心力量。
2026-10-16 16:29
10月16日是第四十六个世界粮食日,所在周是全国粮食安全宣传周,主题为“创新当下,粮安未来”。从良种选育、智能农机到数字农业、精准储运,创新正成为粮食增产、节粮减损、营养提升的关键引擎。即日起,光明网联合科普中国推出系列科普视频,深入解读科技创新绘就的粮安答卷。
2026-10-16 08:46
在显示技术升级与人工智能赋能的双重驱动下,行业正跳出传统数字阅读的固有边界
2026-10-16 08:45
加载更多