文档介绍：蚈物理学陷入困境:接下来该怎么办?薆科技日报2013-06-10-11-12芄肀19世纪末,由于牛顿力学和麦克斯韦电磁理论趋于完善,一些物理学家认为,“物理学的发展实际上已经结束,物理学已经走到穷途末路了”。殊不知,彼时彼刻,物理学正酝酿着两场翻天覆地的大革命:爱因斯坦的相对论彻底地改变了人们对时间、空间、重力以及宏观宇宙的理解;而量子力学则揭示出一个奇异的微观宇宙。这两大横空出世的革命令人惊觉宇宙之神奇以及人类直觉之不可靠。螆然而,事情并没有就此结束,物理学的车轮仍然在科学的驱使下滚滚前行。将量子理论和粒子物理学标准模型这两大20世纪的支柱理论整合起来,创建出一个最终解释万事万物运行规律的“万物之理”,仍旧是科学家们一直在苦苦追寻的梦想。疑似希格斯玻色子的发现或许只是一个启示,告诉我们到了我们再次刷新物理学面貌的时候了。当然,一切还是要从最基本的问题出发。羅为此,英国《新科学家》网站集结了众多当代著名物理学家的真知灼见,为我们梳理了物理学的现状和面临的困境,以帮助我们消除心头的疑问。羄第一部分:膁物理学陷入的困境腿布赖恩·格林:美国哥伦比亚大学的理论物理学教授,以下文字摘自于他2011年出版的著作《隐藏的现实》。格林被公认在超弦理论中做出了很多具有开拓性的发现,他曾在20多个国家开过普及和专业讲座,著有《优雅的宇宙》《宇宙结构和优雅宇宙》等书。莅数学是现实之根吗?蚅是什么让我们如此确定数学能揭示自然界最深处的奥秘呢?罿19世纪晚期,英国物理学家、数学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦意识到光是一种电磁波,他基于此创立的麦克斯韦方程组表明,光速应该为30万千米/秒。这一数据与实验测得的数值相差无几。但是,麦克斯韦方程组给后人留下了一点小小烦恼,那就是,30万千米/秒这一数值是相对于什么而言的呢?芇爱因斯坦为了解决光速的参考系问题,人为地引入了“以太(aether)”这一概念。爱因斯坦设想在宇宙中充满了一种均匀的无质量的物质,他把它叫做“以太”,光速就是以这种“以太”为参照系的。但是,后来的理论发展和实验却证明,“以太”是不存在的,光速在任何参考系中都是一样的。这也是狭义相对论的一个基础。袄爱因斯坦创立的狭义相对论颠覆了几个世纪以来与空间、时间、物质和能量有关的一切思想,但爱因斯坦并没有止步于此,最终,他创立了广义相对论。广义相对论认为,万有引力不是一般的力,而是时空弯曲的表现。广义相对论目前仍然是宇宙模型的基础。膁上述细节具有重大的历史意义,但又不仅如此,所有人都看到了麦克斯韦方程组背后的数学,而只有天才的爱因斯坦才花费了很大的精力和心血来研究它,并最终基于此做出了伟大的发现。羀这个故事很好地阐释了诺贝尔奖得主史蒂芬·温伯格的一段话。温伯格曾经表示:“我们的错误并不在于我们太把已有的理论当回事,而在于我们并没有对它们给予足够的重视。”莆温伯格的这段话指的是天文学上的另一个重大突破——美国科学家拉尔夫·阿尔法、罗伯特·赫尔曼以及乔治·伽莫夫的预测,即大爆炸之后的瞬间会产生宇宙微波背景辐射。其实,只要科学家们将广义相对论与基本的热力学理论结合在一起考虑,就会自然而然地得出上述结论。芃1948年,阿尔法和赫尔曼预言,宇宙大爆炸产生的残留辐射,由于宇宙的膨胀和冷却,如今它所具有的温度约为绝对零度(零下273摄氏度)以上5开,或者说5k。但是他们的预言并未引起人们的普遍重视。羁直到1965年,美国新泽西州贝尔实验室的两位无线电工程师阿尔诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊在为跟踪一颗卫星而校准一具很灵敏的无线电天线时,十分意外地发现了这种宇宙辐射场。与此同时,在附近的普林斯顿大学,由罗伯特·迪克领导的科学小组也已独立地发现了阿尔法和赫尔曼作过的预言,并着手设计出了一台探测器以供搜索大爆炸的残留辐射。他们假设它是热辐射,——这与阿尔法和赫尔曼富于灵感的估计非常接近。科学家们将其称为“宇宙微波背景辐射”。宇宙微波背景辐射的存在,给大爆炸理论提供了有力的支持。肁无可否认,温伯格的这句话具有很强的现实意义。尽管多年来,已经有很多实验证明与现实世界有关的数学是他埋首于书桌得到的,但是这并不是说我们的理论学家们随便涂抹的任何方程式都能达到温伯格的水平。没有令人信服的实验结果,认定哪个方程式值得认真对待,这可真是一件艺术活。螈当然,爱因斯坦就是这方面的艺术大师。在他于1905年发表了狭义相对论公式之后的几十年内,他就对数学的各个领域烂熟于心了,而同时代的大多数物理学家则对这些领域知之甚少甚至一无所知。在他迈向广义相对论的最终等式的过程中,在将这些数学结构同他的物理学直觉结合在一起这个方面,爱因斯坦展示出了罕见的天赋。羇比如,1919年,当爱因斯坦看到一条消息说,科学家们对日全食的观测证实了广义相对论的预测——光应沿着曲线行进时