1687年7月5日,艾萨克·牛顿的一本经典的传世之作——《自然哲学的数学原理》,在埃德蒙·哈雷的鼓励和支持下出版了。在这本书中,牛顿系统地阐述了在其后两百年间都被视作自然真理的三大运动定律,并定义了万有引力定律。在自此之后至20世纪70年代末的近300年间,理论物理学一直以惊人的速度发展着,让人们极大地扩展了对自然以及自然定律的了解。
艾萨克·牛顿
但是,在21世纪的第三个十年刚刚到来之际,科学家告诉我们,尽管他们付出了巨大的努力,但我们对自然以及自然定律的认识,并不比20世纪70年代更多!这说明了什么?这意味着,在自20世纪70年代末至今的近50年里,我们的理论物理学不知何故,已止步不前,正在陷入困境!这绝对是一件非同寻常的事情,它正在发生着,而绝非危言耸听。如果将科学史回溯到200多年前,在那个年代,科学研究还仅仅属于富家子弟的专利,但即使那样,科学理论的发展却没有出现如同当今的窘境。
安托万·洛朗·拉瓦锡
这里我们可以来简单梳理一下,至少从18世纪后期开始,每隔大约四分之一个世纪,也就是25年,理论物理学都会在关键问题上出现重大的进步。牛顿的三大运动定律和万有引力定律为人们提供了一个认识自然万物的理论框架,当这些理论已经流行将近100年时,1780年,安托万·洛朗·拉瓦锡倡导并改进了定量分析方法,并用其验证了质量守恒定律。到这时,人们才逐渐开始认识物质、光和热的基本事实,并将逐步打开电和磁等神秘现象的大门。
迈克尔·法拉第
在接下去的50年里(可视为2个25年),人们有了一些对现在来说意义重大的发现。首先,科学家明白了光也是一种波,并且发现了带电粒子间的力的规律,因为道尔顿的原子理论,人们对物质的认识向前飞跃了一大步,我们有了能量的概念、用光的波动理论解释了干涉和衍射,还探索了电阻和电、磁之间的关系。
詹姆斯·克拉克·麦克斯韦
现代物理学的几个最基本的概念出现在1830年~1855年的四分之一个世纪里。在这25年里,法拉第提出了力是由“场”传递的创造性观点,极大地促进了我们对电磁现象的认识和理解。同时,在这个时期,能量守恒定律也随着热力学第二定律确立了起来。在接下去的25年里,詹姆斯·克拉克·麦克斯韦进一步发展了法拉第的“场”的思想,从而建立了我们今天的电磁学。麦克斯韦不仅统一了电和磁,还解释了光其实就是一种电磁波。1867年,麦克斯韦用原子理论解释了气体的行为,同时,克劳修斯提出了“熵”的概念。
马克斯·普朗克
从1880年到1905年这25年间,科学家发现了电子和X射线。关于热辐射的研究,在经历了几个阶段之后,最终在1900年由普朗克发现了描述辐射的热性质的正确公式——普朗克辐射定律,点燃了量子理论诞生的星星之火,宣告了新物理学革命这一伟大时刻的开始。普朗克因此获得1918年诺贝尔物理学奖。1905年,爱因斯坦26岁,他证明了光既是粒子也是波,他将运动的相对性与麦克斯韦的电磁定律协调了起来,创造性地提出了著名的狭义相对论。
阿尔伯特·爱因斯坦
接下来的25年,爱因斯坦的思想爆发,1915年他提出了广义相对论,它革命性地宣称空间的几何不是固定的,而是随时间变化的。而他在1905年揭示的波粒二象性,到了1930年已逐步成长为一个羽翼丰满的量子理论,使人们具体地认识了原子、化学、物质和辐射都是密不可分的。同在1930年,天文学家还认识到,宇宙还包含着大量的如同银河系一样的河外星系,而且它们正在相互远离。虽然还不清楚这个现象的意义,但人们已经认识到,我们可能是生活在一个膨胀的宇宙中。
弗里曼·戴森
爱因斯坦是在接下来的一个25年的最后一年去世的,即1955年。在这25年里,因为弗里曼·戴森和理查德·费曼等这一代人的努力,人们已经学会了怎样将狭义相对论与量子力学和谐地融合在一起。不仅如此,人们还发现了中子、中微子和其他几百种基本的粒子,还认识到千变万化的大自然由四种基本力主宰的,它们分别是:引力、电磁力、强核力和弱核力。
从1955年至1980年这25年间,物理学家们已构造了一个能解释所有基本粒子和力的实验结果的理论——基本粒子的标准模型,而广义相对论也得到了无数实验验证,霍金提出黑洞辐射理论也是在这一阶段,并开始了对量子宇宙的探索。到这里可以说,在物理学历史上,我们第一次看到理论物理的脚步赶上了实验物理的脚步,从那时以来,还没有一个实验与标准模型或广义相对论矛盾。
史蒂芬·霍金
到了20世纪80年代,正如文章标题所说,理论物理学的脚步停止了。或许你会提出一些反对意见,但请你再仔细想一想:从1980年之后,还有什么新理论值得我们这一代人骄傲的吗?理论物理学为什么会突然陷入困境?谁也没办法说得清。