为什么物理学的突破放缓了?

知乎问题:为什么物理学的突破放缓了?

其实从某些物理分支学科来看,比如凝聚态物理及其他量子应用物理的角度来看,最近几十年的发展非常迅猛。但人们更关心的可能是更基础的物理理论体系的划时代的突破。出于人类天生的探索本源的好奇心驱使,而且基础物理建筑在人类理解自然和科学认知的顶端,所以它的突破更容易为人们所津津乐道。然而其他下级物理分支学科尽管受基础物理进展的影响但事实上是不能从基础物理完全导出的,即使原则上也不行。关于这方面的讨论,可以参见这篇通俗文章:“No single unification theory of everything

那么我们来看看是不是基础物理的突破确实放缓了呢?人们谈论最多的是牛顿(Newton)和爱因斯坦(Einstein)所作出的划时代的贡献。无可否认他们以及他们的成就都是人类在物理乃至科学上最值得称道的。但上个世纪前70年里,通过几代物理学家的努力,量子理论的建立可能是人类历史上(在我看来至少在思想认知上)最伟大的突破。它大体上可以分为四个阶段性的胜利成果:非相对论性量子力学,相对论性量子力学,基于量子场论(quantum field theory)思想建立的量子电动力学(QED),和我们现在已知最接近完善的量子场论的标准模型(Standard Model)。[参见博文:“划时代的突破”]

然而自从上世纪70年代标准模型的建立,量子理论的发展似乎遇到了瓶颈。人们感到最近50年与之前70年量子理论(还包括相对论)的红火相比,基础物理似乎不再有往日的风华。就连物理大师杨振宁也感慨“盛宴已过”(The party is over)。那么实际情况果真如此吗?

先不谈下面要讲到的全新理论突破。就从实验和观测的角度,在我看来,过去几十年来基础物理至少有两大突破。一个是中微子振荡的发现让我们知道中微子是有质量的,这大概是从粒子物理角度上第一个确切肯定的超越标准模型的现象。另一个就是宇宙微波背景辐射(CMB)和其他天文观测的大发展引领了精确的宇宙学研究,特别是标准宇宙模型(ΛCDM)的建立。这让我们肯定了暗物质和暗能量的存在。这一切都在告诉我们标准模型不可能是量子理论的最终形式。

显然量子理论本身的探索远未完成。这下一个阶段的标志性成果很可能就是新近提出的镜像世界理论(mirror matter theory)。这一理论自然地包括一个标准模型的镜像扩展。与之前四个阶段的量子飞跃不同,我们不再经历一种渐进式逐步完善的理论模式,而是体验到几种最闪光思想的韵味绵长的大交融。由李杨的宇称对称不守恒(parity violation)而生发的镜像对称(mirror symmetry)思想;基于南部阳一郎(Nambu)的想法的对超对称(supersymmtry)的最新理解;再加上南部阳一郎的自发对称破缺思想和费米子凝聚(Fermion condensation)导致的相变机制;费曼(Feynman)路径积分形式所给出的量子变分原理;由’t Hooft的瞬子(instanton)等拓扑跃迁开始的对量子场论拓扑性质的研究,等等。所有这些思想在过去几十年都有自己的发展轨迹,最终它们都汇聚一起促成系列超对称镜像模型(Supersymmetric Mirror Models)的建立。更详细的镜像世界理论的历史和介绍可以参见我的博文:镜像世界探秘1——镜像物质理论演义

前面提到过的实验和观测的突破也为镜像世界理论的建立奠定了基础。这一时期给人进展缓慢的感觉主要是因为很难真正欣赏每一单个思想的发展。刚刚建立的镜像世界理论还有待实验的进一步验证,尽管新镜像理论恰恰可以作出现在的实验室条件下就能验证的预言(参见arXiv: 1906.10262)。也许还要再过上若干年,人们才能给予这些思想恰当的评价,才能真正领会它们的意义。即使大家都对之很失望的超弦理论也很可能是用来研究超对称镜像模型的不错的数学工具(大体相当于黎曼几何对广义相对论的意义)。

再过十年当我们回顾这段历史,也许我们会终于守得云开见月明,发现这原来是一段大发展的时代。还是苏轼那句名言:不识庐山真面目,只缘身在此山中。我们不妨再等等,等我们走出这一片迷雾时。

September 4, 2020
Last modified: September 5, 2020

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