为何物理学近百年来都无重大突破?下一位爱因斯坦何时出现?

2021-05-08 13:51:55 科学探索菌

一个文明能走多远,主要取决于科技发展水平,只有拥有足够先进的科技,才能应对各种突如其来的挑战。物理学作为自然科学中最基础的一门学科,它的进步往往影响着人类文明和科技的发展。

对物理学的发展比较了解的人应该都知道,物理学近百年来都没有什么重大突破,上一次重大突破已经是20世纪初的事了,至今已经有100年了。

过了这么久,为什么物理学还没有发生大的突破?什么时候才能再出现一位像爱因斯坦这样伟大的科学家?

在刘慈欣的科幻小说《三体》中,有这样一种说法,就是人类科学的发展之所以遇到了瓶颈,是因为基础科学研究被更高等级的文明限制了,就是被三体文明智子锁死了,这才使得人类的科学研究一直止步不前。

不过这毕竟是想象,物理学近百年来没有重大突破,应该跟这个没有关系。

我们或许能从历史中找到原因。

现代意义上科学的发展始于16世纪,物理学便是最早发展起来的学科之一。自伽利略起,物理学的发展走上了快车道。这是因为近代科学先驱伽利略将实验作为一种研究手段,引进了物理学。在此之前,科学研究主要以观察为主,缺少实证。

在这期间主要有两次重大的突破。

第1次就是17世纪末,在这期间,牛顿提出了万有引力定律和牛顿三大定律,更为重要的是牛顿将数学作为一种重要工具引进了物理研究中。

第2次就是20世纪初,以爱因斯坦和普朗克为代表的众多科学家建立了相对论和量子力学。爱因斯坦之所以被视为人类智力的巅峰,就是因为相对论几乎是他凭一己之力创建的,并且还参与了量子力学的奠基和建设。

伽利略和牛顿开创了经典物理学时代,而以爱因斯坦和普朗克为代表的一众科学家,则开创了现代物理学。从经典物理学到现代物理学,这两个重大突破之间相隔了200多年,如今距离上一次重大突破才过去了100来年,其实根本不算很长。

相对论和量子力学作为现代物理学的两大支柱,它们对人类的文明发展影响相当深远,是具有划时代意义的理论,彻底革新了人类的世界观,就连哲学也深受其影响。

就拿量子力学来说,很多人觉得它离我们的生活很远,其实它对我们的生活真的很重要。要是没有半导体技术,那还有什么信息时代,智能手机也根本不会问世。而半导体技术的理论基础就是量子力学。

现在,物理学家们仍然是在相对论和量子力学的基础上做进一步的拓展研究,以及做一些修修补补的工作。比如近些年比较热门的引力波,科学家根据相对论很早就做出了引力波存在的预示。众多科学家在杨-米尔斯理论的基础上通力合作,建立起了统一基本粒子,以及强力、弱力和电磁力的标准模型理论,该理论隶属于量子场论,而量子场论本身就是量子力学和狭义相对论相结合的产物。

从科学发展史来看,每一次重大突破都要相隔很长一段时间,不过中间究竟要隔多久,这个还真不好说。通常只有当人类把上一次的理论吃透,变为技术之后,才能引领下一波的发展高潮。这是因为科学技术的大爆发也需要一个积累的过程,而人们往往忽略了这一过程。

为什么我们不能一开始就发现相对论和量子力学呢?这主要受限于当时我们的观测研究手段,不管是在大尺度还是小尺度的时空中,凭肉眼都是不可能进行观测研究的,我们需要精密的仪器设备,而这些都却又依赖于科技的发展。科技的发展需要一个积累的过程,基础科学自然也需要。

未来,物理学将在哪些方面获得突破?

其实已经有预示了。现代物理学的天空中已经出现了三朵乌云,它分别是参与引力作用的暗物质、导致宇宙加速膨胀的暗能量和神秘莫测的黑洞,现有物理理论对它们都不适用。根据科学家的研究,暗物质和暗能量占了宇宙质能总量的95%,而我们却对它一无所知。要想解决这三朵乌云,保守估计,至少也要等到21世纪末期。

科学家此前一直希望统一相对论和量子力学,建立万有一理论。不过现在看来,这恐怕是一个不切实际的梦想。而且相对论和量子力学也并不完备。

物理学下一次要发生大变革,恐怕也要建立一个全新的理论体系。不过这并不意味着相对论和量子力学是错的,被推翻。正如牛顿力学也并没有被推翻,科学家只是发现了它的局限性,发现它在微观领域及高速运动领域并不适用。新理论只会让我们对宇宙认识得更加深刻。

至于会颠覆人类哪些现有认知?根据现代物理学中的一些前沿理论,比如超弦理论,我们的宇宙可能不止4个维度,而是包含更多的维度。

至于何时才能再出现一个爱因斯坦?

与其说是天才造就了一个时代,不如说是时代造就了一个天才。牛顿能够提出牛顿三大定律,爱因斯坦能够建立相对论,都是站在了巨人的肩上,也就是前人的研究成果之上。当然其自身的聪明才智和努力也是不可否认的。

世界上从来不缺少聪明之人,比爱因斯坦智商高的也大有人在。如果你让爱因斯坦穿越到牛顿时代,以爱因斯坦的大脑,利用当时的知识,能否完成牛顿的使命?还真不好说。

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