這段歷史從它最輝煌的時刻開始。
1927年10月，第五次索爾維會議在比利時布魯塞爾召開。 29位物理學(xué)家討論了“電子與光子”的主題。 愛因斯坦、普朗克、薛定諤等大師云集于此。 會議期間，他們合影留念，給世人留下了“眾神齊聚”般的奢華回憶。
第五屆索爾維會議物理大師合影。資料圖片
當(dāng)然，成為經(jīng)典的還是這次會議上玻爾和愛因斯坦著名的量子辯論。 持續(xù)數(shù)十年的“玻爾與愛因斯坦之爭”成為量子理論發(fā)展史上的重要轉(zhuǎn)折點。 自此，量子理論逐漸成長為現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基石之一。
另一個基石是熟悉的相對論。 尤其是1919年英國天文學(xué)家愛丁頓完成日全食實驗后，愛因斯坦的廣義相對論“一戰(zhàn)成名”。
與那個輝煌時代相比，今天的理論物理顯得有些乏味——大師屈指可數(shù)，缺乏顛覆性的理論創(chuàng)新。 人們不禁要問：物理理論的發(fā)展完成了嗎？ 現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展是否正在放緩？
遠(yuǎn)方大師的時代
20世紀(jì)被稱為物理學(xué)的世紀(jì)。 “相對論和量子論是20世紀(jì)物理學(xué)的兩大成就，今天幾乎所有的科學(xué)技術(shù)都是基于這兩種理論發(fā)展起來的。” 中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院理論物理研究所研究員蔡榮根表示，量子理論和技術(shù)的出現(xiàn)徹底改變了人類的世界觀，極大豐富了我們對宇宙的認(rèn)識。客觀世界。 半導(dǎo)體、激光以及現(xiàn)在的量子計算等尖端技術(shù)都是在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。 “更不用說相對論了，它改變了我們對時間、空間，甚至整個宇宙的認(rèn)識。現(xiàn)在的衛(wèi)星發(fā)射，未來的星際旅行，都離不開相對論的指導(dǎo)。”
20世紀(jì)初誕生的相對論和量子論給我們帶來了極大的震撼，也使物理學(xué)家和物理學(xué)家倍受關(guān)注。
“那張合影反映了一個非常典型的時代。” 蔡榮根說，當(dāng)時由于相對論、量子論剛剛誕生，還有很多重要問題尚未搞清楚，存在很多空白。 “夸張地說，你只需要解決一個量子力學(xué)問題就可以讓你成為一名著名的科學(xué)家。”
愛因斯坦
隨著科學(xué)家對理論認(rèn)識的逐步加深，學(xué)科的發(fā)展也向縱深發(fā)展。 量子場論、楊-米爾斯規(guī)范場論、弦理論和超弦理論相繼提出，以及霍金評價的“可能是對宇宙本質(zhì)的解釋”。 獨創(chuàng)的終極理論“M理論”。這些理論的主要研究者也被學(xué)術(shù)界公認(rèn)為旗幟人物。
如果說20世紀(jì)50年代、1960年代是楊振寧先生和李政道先生的時代，那么1970年代就是荷蘭物理學(xué)家特·豪夫特的時代，而20世紀(jì)80年代則是美國物理學(xué)家愛德華·威滕的時代。 蔡榮根回憶說，年輕時的他和許多從事理論物理研究的同學(xué)一樣，都把被公認(rèn)為“世界上最聰明的頭腦”的威滕視為偶像。 M理論的提出者。 大師。 無論他當(dāng)時在做什么，我們都會做同樣的事情。”
然而，維滕之后的四十多年里，似乎沒有一個名字能夠被全民廣泛熟知。 在很多人看來，大師的缺席似乎意味著理論物理的發(fā)展找不到新的突破方向，趨于停滯。
物理學(xué)研究向縱深發(fā)展
——任何科學(xué)本身都有其客觀的發(fā)展規(guī)律
近年來，公眾對這個問題越來越關(guān)注，有人感嘆“物理學(xué)沒有突破”。 事實真的如此嗎？
“目前，理論物理研究在現(xiàn)有成果的基礎(chǔ)上不斷向前發(fā)展，但確實沒有像量子力學(xué)、相對論那樣徹底改變?nèi)藗兪澜缬^的突破。” 蔡榮根解釋說，雖然從人類歷史的發(fā)展演變來看，科技在過去100到200年里持續(xù)加速發(fā)展，但這并不需要理論物理的發(fā)展跟上。 “任何科學(xué)本身都有其客觀的發(fā)展規(guī)律。”
“過去兩三十年，從諾貝爾獎的頒發(fā)就可以看出，物理學(xué)取得了一些巨大的進(jìn)步。比如一百年前愛因斯坦在廣義相對論中的一些預(yù)言將無法實現(xiàn)。”直到2016年才探測到引力波。這一發(fā)現(xiàn)得到了證實，類似的例子表明物理學(xué)仍在向前邁進(jìn)。” 在中國人民大學(xué)科技哲學(xué)副教授馬劍波看來，“物理學(xué)的根本性理論變化往往涉及到人類認(rèn)識宇宙的方式，越困難的事物不可能一直快速發(fā)展。”
對于基礎(chǔ)科學(xué)來說，如何實現(xiàn)理論突破？ 積累是必要的。 “當(dāng)舊的理論無法解釋新的實驗結(jié)果時，新的理論就會被提出。” 蔡榮根說道。
19世紀(jì)末20世紀(jì)初，很多物理學(xué)家都覺得以伽利略、牛頓為代表的經(jīng)典物理大廈已經(jīng)完美搭建，但天空中仍然飄浮著“兩朵烏云”——黑體輻射問題和邁克爾遜-莫雷實驗的問題無法用經(jīng)典物理學(xué)來解釋。 后來，其中一個發(fā)展為相對論，另一個發(fā)展為量子力學(xué)美國物理學(xué)家的，從而動搖了經(jīng)典物理學(xué)的基礎(chǔ)。
與一百年前遇到的情況類似，當(dāng)前的物理學(xué)界也面臨著舊理論無法解釋某些新現(xiàn)象的問題。 馬劍波認(rèn)為，無論是相對論還是量子力學(xué)，從理論本身來看，內(nèi)部還有很多需要完善的地方。
蔡榮根舉了個例子：“比如我們常說的‘暗物質(zhì)’和‘暗能量’，被稱為‘21世紀(jì)籠罩在物理學(xué)上空的兩朵烏云’。” 如果這兩個問題取得突破，那么將對我們對客觀世界和物理定律的認(rèn)識產(chǎn)生巨大影響，從而帶來基礎(chǔ)物理學(xué)的新突破。”
但這次突破將會比之前更加困難。 “這依賴于我們的實驗和觀察。物理學(xué)是一門實驗科學(xué)，需要實驗和觀察來積累越來越多的數(shù)據(jù)。” 蔡榮根說，“月球為什么繞地球轉(zhuǎn)，飛機如何起飛……這些問題在常規(guī)尺度上已經(jīng)弄清楚了，但在更宏觀的宇宙尺度上，在更微觀的量子尺度上，而在高溫、高密度和強磁場下的物理定律上，這些實驗所需的極端條件越來越苛刻，實驗很可能跟不上理論研究的步伐，因此。理論物理的發(fā)展遇到一些困難是很正常的。”
蔡榮根從能源角度舉了一個例子。
目前人類所能達(dá)到的最高能量是歐洲粒子物理實驗室大型強子對撞機創(chuàng)下的記錄——約14 TeV，即14萬億電子伏特。 “人們已經(jīng)認(rèn)為這是一個很高的能量了。但粒子物理學(xué)所要探索的標(biāo)準(zhǔn)，比如標(biāo)志著量子引力時代的普朗克能量，是1019吉電子伏，仍然有十多個數(shù)量級的差距。”兩者之間的大小”。
理論物理有其獨特的特點
——我不知道突破口在哪里，甚至不知道朝哪個方向。
除了實驗困難之外，理論物理學(xué)還有一些根本上的特殊性。
“我們從事理論研究，很大程度上是出于好奇心，希望了解事物的本質(zhì)和發(fā)展規(guī)律。比如，月亮為什么繞著地球轉(zhuǎn)？蘋果為什么會落到地上而不是飄到天上？這似乎沒有什么實際意義。” 蔡榮根表示，理論物理學(xué)追求的是對整個學(xué)科領(lǐng)域和人類生活產(chǎn)生重大影響的思想理論。
“這意味著我們面臨的是一個長期的、根本性的、不確定的問題。” 蔡榮根進(jìn)一步解釋說，理論物理研究與具有非常明確科學(xué)目標(biāo)的大型工程——建設(shè)天眼FAST和發(fā)射衛(wèi)星不一樣。 這些項目本質(zhì)上是工程問題。 已經(jīng)有行之有效的行之有效的路徑，問題只是弄清楚我們?nèi)绾稳プ觥? “但在理論物理領(lǐng)域，你可能不知道突破會在哪里，甚至不知道朝哪個方向發(fā)展。”
他舉了暗能量的例子。 1998年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了宇宙加速膨脹的現(xiàn)象，而推動膨脹的力量被稱為“暗能量”。 經(jīng)過20多年的驗證，發(fā)現(xiàn)這一研究成果的科學(xué)家也榮獲2011年諾貝爾物理學(xué)獎。
根據(jù)最新研究美國物理學(xué)家的，當(dāng)前宇宙中大約只有5%的普通物質(zhì)和27%的暗物質(zhì)，剩下的68%的能量成分是由神秘的暗能量提供的。 盡管暗能量的本質(zhì)尚未被揭示，但天文觀測證據(jù)表明暗能量充滿了宇宙，并且暗能量與除引力之外的其他物質(zhì)之間不存在已知的相互作用。
“從1998年到現(xiàn)在，20多年過去了，科學(xué)家們?nèi)栽趯ふ摇的芰俊l也不知道什么時候才能找到。” 蔡榮根認(rèn)為，“就像我們解決問題時，大多數(shù)都會失敗。”
理論物理在科研組織模式上也有其獨特之處。
“基礎(chǔ)科學(xué)研究的突破都是由人才驅(qū)動的，當(dāng)這些頂尖人才取得突破時，很多研究人員跟進(jìn)，他們就能共同推動學(xué)科的發(fā)展。” 蔡榮根說道。
以尼爾斯玻爾研究所為例。 該研究所以丹麥著名物理學(xué)家玻爾的名字命名，以紀(jì)念哥本哈根學(xué)派的領(lǐng)袖。 在20世紀(jì)20年代和1930年代，該研究所成為原子物理和量子力學(xué)研究中心。 來自歐洲乃至世界各地的物理學(xué)家都會來這里與玻爾討論，其中包括薛定諤、海森堡、泡利等物理學(xué)家。 頂尖學(xué)者。 在這里工作的物理學(xué)家一半以上獲得過諾貝爾獎。
“大家一起討論問題，看似天馬行空的聊天，卻碰撞出思想的火花——量子力學(xué)的哥本哈根詮釋就是在這段時間在這個研究所完成的。” 蔡榮根指出，與大型工程組織相比，該模式通過類似小團(tuán)體的組織模式，在自由輕松的氛圍中進(jìn)行相互交流和討論，更符合理論物理研究的特點。
中國的理論物理學(xué)應(yīng)該如何發(fā)展？
——只有突破深層次的障礙，才能實現(xiàn)超越。
1883年，美國著名物理學(xué)家、美國物理學(xué)會首任主席亨利·奧古斯特·羅蘭在美國科學(xué)促進(jìn)會年會上發(fā)表了題為《呼吁純科學(xué)》的演講。 他這樣說：為了應(yīng)用科學(xué)，科學(xué)本身必須存在。 如果我們停止科學(xué)進(jìn)步，只注重科學(xué)的應(yīng)用，我們很快就會像中國人一樣墮落。 他們很多代以來都沒有取得任何進(jìn)步，因為他們只滿足于科學(xué)的應(yīng)用，而從來沒有質(zhì)疑過他們所做的事情背后的基本原理。 這些原理構(gòu)成了純粹的科學(xué)。 中國人幾個世紀(jì)以來就知道火藥的用途，如果他們以正確的方式探索其具體應(yīng)用的原理，他們就會發(fā)展出化學(xué)甚至物理學(xué)及其許多應(yīng)用。 因為只滿足于火藥能爆炸的事實而不問根本原因，所以中國人遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于世界的進(jìn)步。
與一百多年前相比，中國發(fā)生了巨大的變化。 “十三五”期間，國家高度重視包括理論物理在內(nèi)的基礎(chǔ)科學(xué)研究，印發(fā)了《關(guān)于全面加強基礎(chǔ)科學(xué)研究的若干意見》，制定了《從‘0到1’加強基礎(chǔ)科學(xué)研究工作方案》 ”，并落實了《新形勢下加強基礎(chǔ)研究的若干關(guān)鍵措施》。
五年來，我國基礎(chǔ)研究經(jīng)費增長近一倍，2019年達(dá)到1336億元； 我國基礎(chǔ)研究投入年均增長16.9%，遠(yuǎn)高于全社會研發(fā)投入增長。 2019年，基礎(chǔ)研究首次占全社會研發(fā)投入的6%。
從“中國天眼”底部觀看星空。 （中國科學(xué)院國家天文臺提供，“中國天眼”建設(shè)過程中拍攝）
但理論物理學(xué)仍然面臨一些深層次的障礙。
上海交通大學(xué)科學(xué)史與科學(xué)文化研究院教授、院長李霞認(rèn)為，從牛頓時代開始，我們物理學(xué)整體上落后西方200年，追趕過程還沒有完全結(jié)束。 我們需要比較西方人這200年的成就。 只有真正學(xué)習(xí)對物理的意識和認(rèn)知，才能實現(xiàn)超越。
“不可否認(rèn)，‘科學(xué)’的概念和方法誕生于西方。中國人對科學(xué)的理解與西方人并不完全一致。” 蔡榮根表示，純科學(xué)沒有功利主義，而中國傳統(tǒng)文化中的學(xué)以致用、治世哲學(xué)等思想深深銘刻在中國人的思維中，影響著一代又一代人的觀念。
“我們國家要想把理論物理搞好，首先要培育一種重視基礎(chǔ)研究、重視理論物理的文化。我們要打破傳統(tǒng)對科學(xué)研究的根深蒂固的認(rèn)識，不要總問‘什么是科學(xué)研究’？”研究這個的目的是什么？” 蔡榮根坦言。
因此，他建議，要遵循理論物理學(xué)科本身的發(fā)展規(guī)律，為科研人員營造自由學(xué)術(shù)討論的氛圍，建立符合理論物理學(xué)科特點的新型科研組織模式，進(jìn)行理論物理研究。
在這種新的組織模式中，研究人員在同行評審的幫助下接受評估。 “科學(xué)成果評價本身是一個非常復(fù)雜的過程，也是一個全球性問題。畢竟同行評審是國際上通用的方法，我們不妨借鑒一下，實現(xiàn)人才評價和成果評價的科學(xué)性、積極引導(dǎo)作用。” ” 蔡榮根說道。
理論物理也需要長期穩(wěn)定的支撐。 隨著國際科技競爭日益激烈，許多國家加大了基礎(chǔ)研究的投入。 據(jù)媒體報道，俄羅斯最新的2030年科技發(fā)展規(guī)劃提出，確保基礎(chǔ)研究投入占社會研發(fā)投入總額不低于2015年水平（14.4%）； 英國、美國、法國、日本、韓國等5個國家國家對基礎(chǔ)研究的經(jīng)費占其國內(nèi)研發(fā)投入總額的12%至23%； 與這些國家相比，中國的基礎(chǔ)研究經(jīng)費比例仍然較低。
蔡榮根呼吁基礎(chǔ)學(xué)科投入更加穩(wěn)定、持續(xù)。 “畢竟每天在壓力下做科研不可能產(chǎn)生突破性的成果。”
（本報記者 徐暢）
