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為何物理學近100年沒有重大突破?是什麽限制了人類文明的發展?

2024-03-22科學

現代物理學大廈的兩大基石是相對論和量子力學,而這兩大理論已經誕生一百多年了,意味著在過去的一百年時間裏,人類在基礎物理學領域其實沒有太大的突破。

雖然規範場論,粒子標準模型,甚至弦理論等也讓人們眼前一亮,但並不像相對論對牛頓經典力學那麽大的顛覆性,而量子力學對人們傳統認知的顛覆性就更大了,徹底顛覆了我們的世界觀和人生觀。

這到底是為什麽呢?今天我們就一起探討一下這個問題。

談到科學,我們首先要搞清楚科學理論是如何誕生的。其實這個問題是比較復雜的,不過很多學者認為科學是源於哲學思考的。

哲學,普遍以純粹的思辨方式去思考問題,總讓人感覺脫離實際。不過隨著哲學的不斷發展,開始越來越多地與實際相結合,只有走進實際,才能更好地為人類服務。

而地心說這個模型的誕生,就是最好的體現。

如今我們知道地心說是錯誤的,但即便是錯誤的,從某種程度上來講,我們並不能否認地心說是科學理論,為什麽?

很簡單,因為地心說這個理論非常符合科學理論的範式。科學並不能與正確劃等號。

一個合格的科學理論要為觀測現象負責,長期以來,古代人們每天都看到日月星辰圍繞地球東升西落,給人的感覺就是地球是宇宙的中心,從這點上來講,古人提出的地心說並沒有錯,因為他們看到的就是如此。

雖然以如今我們的眼光來看,古人錯了,但不要忘了,那是因為我們是站在「上帝視角」 去衡量古人的思維。如果把你學過的一切知識都剔除掉,然後把你扔到古代社會,相信你也一樣會認為地球是宇宙的中心。

人們對世界的認知總是有局限性的,比如說我們的眼睛只能看到可見光,可見光只是電磁波譜中非常狹窄的一部份。這意味著人們看到的世界總是有限的,因此總結出來的科學理論必定是有局限性的,這種局限性在任何時代都無法突破。

就像是牛頓提出的力學定律,只適用於低速和低重力世界,其實也是有局限性的,在亞光速和強重力環境下,牛頓力學定律就失效了,說白了就是錯的。但誰又會去苛求牛頓呢?

我們一輩子都很難接觸到亞光速和強重力環境,而在地球這個狹小的範圍內,牛頓力學體系已經足夠精確了,人們只需要為自己的觀測行為負責,牛頓時代只能觀測到地球這範圍內的物體運動規律,得出的理論當然也是科學理論。

後輩們當然很尊敬牛頓和他的力學體系,但對於任何理論,科學家們都是很苛刻的,總是想盡各種辦法去試錯,尤其是在各種極端環境下去試錯。一旦發現與理論有任何出入的地方,他們就會提出新的理論,然後不斷驗證新理論。

誰不想成為下一個「牛頓」呢?

隨著人類科技水平的不斷提升,到了20世紀前後,觀測水平有了質的提升,不僅能觀測到微小的量子世界,還能觀測到亞光速和強重力世界。

物理學家們發現,無論是在小尺度下的微觀世界,還是亞光速世界,牛頓力學體系都出現了很大的偏差,於是我們就見證了相對論和量子力學的誕生,見證了偉大的愛因斯坦和其他無數同樣偉大的物理學家們。

牛頓力學體系只是量子力學和相對論在低速低重力宏觀世界的近似值,也可以說是特例。但這個近似值在地球上已經足夠精確了,而我們一輩子都在地球上生活,因此統治我們生活的仍舊是牛頓力學。

那麽,為何如今一百多年過去了,相對論和量子力學仍舊沒有重大突破?畢竟我們都知道,相對論和量子力學不可能是終點。

有一個事實不容忽視。在幾百年前的牛頓時代,要制造出一個不錯的實驗儀器,科學家一個人基本上就能完成了。

但是到了20世紀,尤其是現在這個時代,一個人單打獨鬥去研發出不錯的實驗儀器,早就不現實了,至少需要一個團隊,甚至多個部門共同協作才能完成。

很多前沿的科學研究專案,尤其是基礎科學理論的研究,動輒都需要成千上萬人的共同協作才可能完成,而且還需要大量資金,周期也會很長。

比如說大型粒子對撞機,是研究微觀世界最有效的裝置,但建造一個粒子對撞機需要海量的資金,還有後期的維護也是相當大的成本,基本上就相當於一個無底洞。這也是為什麽即便是美國這樣財大氣粗的國家,最終也放棄了建造對撞機。

畢竟對撞機這東西即便建成了,誰也不能保證一定會有什麽重大發現。

當然,不僅僅是微觀世界,在更大的尺度上,科學家們也非常渴望探索暗物質和暗能量這兩個神秘領域,而這就需要發射大量精密的探測器到太空進行長時間觀測,所需的人力物力也是驚人的。

總之,如今的科學發展早就不是某個科學家單槍匹馬獨闖天下的時代了,說白了,當今科學界很難再出現牛頓愛因斯坦這樣「一統天下」的「集大成者」了。

尤其科學發展過程中,無論是微觀還是宏觀領域的觀測成本太昂貴了,如果沒有辦法建造更高效能的精密儀器觀測更加極端尺度下的物理現象,基礎科學就很難有大的突破。

如今,包括中國在內的很多國家都加大了對基礎科學的投入。但其實,明眼人都知道,對於基礎科學的投入回報率是很低的,起碼需要相當長時間的投入周期才可能有某些回報。

說白了,對於基礎科學的投入更像是「費力不討好」,短時間內根本看不到任何匯報,甚至直到最後也不會有任何匯報,這種可能性很大,因為誰也不知道基礎科學的未來方向到底在哪裏,可能一開始的探索方向就錯了,這樣的話就不會有任何結果。

因此,之所以基礎科學在過去的一百年時間裏沒有大的突破,與人類智力無關,是人們的觀測技術水平受到了限制,無法觀測到更極端環境下的物質執行情況。而觀測水平的提升需要更加精密的儀器,但是對科學儀器和實驗的投入有時候就像是「無底洞」,不管投入多少,最終都可能連一朵水花都沒有激起。

完。