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现代物理学，“停滞”了？

2021-03-04 11:06

来源：澎湃新闻·澎湃号·媒体

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、薛定谔等大师云集。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。

第五届索尔维会议上物理“大神”们的合影。资料图片

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。”

爱因斯坦

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%。

从“中国天眼”底部看星空。（中科院国家天文台提供，“中国天眼”建设期间拍摄）

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。