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
當然，成為經典的還是這次會議上玻爾和愛因斯坦著名的量子辯論。 持續數十年的“玻爾與愛因斯坦之爭”成為量子理論發展史上的重要轉折點。 自此，量子理論逐漸成長為現代物理學的兩大基石之一。
另一個基石是熟悉的相對論。 尤其是1919年英國天文學家愛丁頓完成日全食實驗后，愛因斯坦的廣義相對論“一戰成名”。
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，缺乏顛覆性的理論創新。 人們不禁要問：物理理論的發展完成了嗎？ 現代物理學的發展是否正在放緩？
遠方大師的時代
20世紀被稱為物理學的世紀。 “相對論和量子論是20世紀物理學的兩大成就，今天幾乎所有的科學技術都是基于這兩種理論發展起來的。” 中國科學院院士、中國科學院理論物理研究所研究員蔡榮根表示，量子理論和技術的出現徹底改變了人類的世界觀，極大豐富了我們對宇宙的認識。客觀世界。 半導體、激光以及現在的量子計算等尖端技術都是在此基礎上發展起來的。 “更不用說相對論了，它改變了我們對時間、空間，甚至整個宇宙的認識。現在的衛星發射，未來的星際旅行，都離不開相對論的指導。”
20世紀初誕生的相對論和量子論給我們帶來了極大的震撼，也使物理學家和物理學家倍受關注。
“那張合影反映了一個非常典型的時代。” 蔡榮根說，當時由于相對論、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問題就可以讓你成為一名著名的科學家。”
愛因斯坦
隨著科學家對理論認識的逐步加深，學科的發展也向縱深發展。 量子場論、楊-米爾斯規范場論、弦理論和超弦理論相繼提出，以及霍金評價的“可能是對宇宙本質的解釋”。 獨創的終極理論“M理論”。這些理論的主要研究者也被學術界公認為旗幟人物。
如果說20世紀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家特·豪夫特的時代，而20世紀80年代則是美國物理學家愛德華·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一樣，都把被公認為“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展找不到新的突破方向，趨于停滯。
物理學研究向縱深發展
——任何科學本身都有其客觀的發展規律
近年來，公眾對這個問題越來越關注，有人感嘆“物理學沒有突破”。 事實真的如此嗎？
“目前，理論物理研究在現有成果的基礎上不斷向前發展，但確實沒有像量子力學、相對論那樣徹底改變人們世界觀的突破。” 蔡榮根解釋說，雖然從人類歷史的發展演變來看，科技在過去100到200年里持續加速發展，但這并不需要理論物理的發展跟上。 “任何科學本身都有其客觀的發展規律。”
“過去兩三十年，從諾貝爾獎的頒發就可以看出，物理學取得了一些巨大的進步。比如一百年前愛因斯坦在廣義相對論中的一些預言將無法實現。”直到2016年才探測到引力波。這一發現得到了證實，類似的例子表明物理學仍在向前邁進。” 在中國人民大學科技哲學副教授馬劍波看來，“物理學的根本性理論變化往往涉及到人類認識宇宙的方式，越困難的事物不可能一直快速發展。”
對于基礎科學來說，如何實現理論突破？ 積累是必要的。 “當舊的理論無法解釋新的實驗結果時，新的理論就會被提出。” 蔡榮根說道。
19世紀末20世紀初，很多物理學家都覺得以伽利略、牛頓為代表的經典物理大廈已經完美搭建，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典物理學來解釋。 后來，其中一個發展為相對論，另一個發展為量子力學美國物理學家的，從而動搖了經典物理學的基礎。
與一百年前遇到的情況類似，當前的物理學界也面臨著舊理論無法解釋某些新現象的問題。 馬劍波認為，無論是相對論還是量子力學，從理論本身來看，內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’和‘暗能量’，被稱為‘21世紀籠罩在物理學上空的兩朵烏云’。” 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識產生巨大影響，從而帶來基礎物理學的新突破。”
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。物理學是一門實驗科學，需要實驗和觀察來積累越來越多的數據。” 蔡榮根說，“月球為什么繞地球轉，飛機如何起飛……這些問題在常規尺度上已經弄清楚了，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。
目前人類所能達到的最高能量是歐洲粒子物理實驗室大型強子對撞機創下的記錄——約14 TeV，即14萬億電子伏特。 “人們已經認為這是一個很高的能量了。但粒子物理學所要探索的標準，比如標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和發展規律。比如，月亮為什么繞著地球轉？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，理論物理學追求的是對整個學科領域和人類生活產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。” 蔡榮根進一步解釋說，理論物理研究與具有非常明確科學目標的大型工程——建設天眼FAST和發射衛星不一樣。 這些項目本質上是工程問題。 已經有行之有效的行之有效的路徑，問題只是弄清楚我們如何去做。 “但在理論物理領域，你可能不知道突破會在哪里，甚至不知道朝哪個方向發展。”
他舉了暗能量的例子。 1998年，科學家發現了宇宙加速膨脹的現象，而推動膨脹的力量被稱為“暗能量”。 經過20多年的驗證，發現這一研究成果的科學家也榮獲2011年諾貝爾物理學獎。
根據最新研究美國物理學家的，當前宇宙中大約只有5%的普通物質和27%的暗物質，剩下的68%的能量成分是由神秘的暗能量提供的。 盡管暗能量的本質尚未被揭示，但天文觀測證據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之間不存在已知的相互作用。
“從1998年到現在，20多年過去了，科學家們仍在尋找‘暗能量’，誰也不知道什么時候才能找到。” 蔡榮根認為，“就像我們解決問題時，大多數都會失敗。”
理論物理在科研組織模式上也有其獨特之處。
“基礎科學研究的突破都是由人才驅動的，當這些頂尖人才取得突破時，很多研究人員跟進，他們就能共同推動學科的發展。” 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家玻爾的名字命名，以紀念哥本哈根學派的領袖。 在20世紀20年代和1930年代，該研究所成為原子物理和量子力學研究中心。 來自歐洲乃至世界各地的物理學家都會來這里與玻爾討論，其中包括薛定諤、海森堡、泡利等物理學家。 頂尖學者。 在這里工作的物理學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體的組織模式，在自由輕松的氛圍中進行相互交流和討論，更符合理論物理研究的特點。
中國的理論物理學應該如何發展？
——只有突破深層次的障礙，才能實現超越。
1883年，美國著名物理學家、美國物理學會首任主席亨利·奧古斯特·羅蘭在美國科學促進會年會上發表了題為《呼吁純科學》的演講。 他這樣說：為了應用科學，科學本身必須存在。 如果我們停止科學進步，只注重科學的應用，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步，因為他們只滿足于科學的應用，而從來沒有質疑過他們所做的事情背后的基本原理。 這些原理構成了純粹的科學。 中國人幾個世紀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用的原理，他們就會發展出化學甚至物理學及其許多應用。 因為只滿足于火藥能爆炸的事實而不問根本原因，所以中國人遠遠落后于世界的進步。
與一百多年前相比，中國發生了巨大的變化。 “十三五”期間，國家高度重視包括理論物理在內的基礎科學研究，印發了《關于全面加強基礎科學研究的若干意見》，制定了《從‘0到1’加強基礎科學研究工作方案》 ”，并落實了《新形勢下加強基礎研究的若干關鍵措施》。
五年來，我國基礎研究經費增長近一倍，2019年達到1336億元； 我國基礎研究投入年均增長16.9%，遠高于全社會研發投入增長。 2019年，基礎研究首次占全社會研發投入的6%。
從“中國天眼”底部觀看星空。 （中國科學院國家天文臺提供，“中國天眼”建設過程中拍攝）
但理論物理學仍然面臨一些深層次的障礙。
上海交通大學科學史與科學文化研究院教授、院長李霞認為，從牛頓時代開始，我們物理學整體上落后西方200年，追趕過程還沒有完全結束。 我們需要比較西方人這200年的成就。 只有真正學習對物理的意識和認知，才能實現超越。
“不可否認，‘科學’的概念和方法誕生于西方。中國人對科學的理解與西方人并不完全一致。” 蔡榮根表示，純科學沒有功利主義，而中國傳統文化中的學以致用、治世哲學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研究、重視理論物理的文化。我們要打破傳統對科學研究的根深蒂固的認識，不要總問‘什么是科學研究’？”研究這個的目的是什么？” 蔡榮根坦言。
因此，他建議，要遵循理論物理學科本身的發展規律，為科研人員營造自由學術討論的氛圍，建立符合理論物理學科特點的新型科研組織模式，進行理論物理研究。
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。 “科學成果評價本身是一個非常復雜的過程，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，實現人才評價和成果評價的科學性、積極引導作用。” ” 蔡榮根說道。
理論物理也需要長期穩定的支撐。 隨著國際科技競爭日益激烈，許多國家加大了基礎研究的投入。 據媒體報道，俄羅斯最新的2030年科技發展規劃提出，確保基礎研究投入占社會研發投入總額不低于2015年水平（14.4%）； 英國、美國、法國、日本、韓國等5個國家國家對基礎研究的經費占其國內研發投入總額的12%至23%； 與這些國家相比，中國的基礎研究經費比例仍然較低。
蔡榮根呼吁基礎學科投入更加穩定、持續。 “畢竟每天在壓力下做科研不可能產生突破性的成果。”
（本報記者 徐暢）
