物理學和基本定律:必然的真理還是誤導的雜音?

羅伯特·奧本海默對物理學的最大貢獻是他一生都不想再碰的。1939年,奧本海默和他的學生哈特蘭·斯奈德在《物理評論》的同一期上發表了一篇論文,該論文同時刊登了尼爾斯·玻爾和約翰·惠勒關於核裂變機制的開創性文章 [...]

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本文發表在《大眾科學》的前部落格網路上,反映了作者的觀點,不一定反映《大眾科學》的觀點


羅伯特·奧本海默對物理學的最大貢獻是他一生都不想再碰的。1939年,奧本海默和他的學生哈特蘭·斯奈德在《物理評論》的同一期上發表了一篇論文,該論文同時刊登了尼爾斯·玻爾和約翰·惠勒關於核裂變機制的開創性文章(順便說一句,該期雜誌出版的同一天,德國襲擊了波蘭)。在短短五頁中,奧本海默和斯奈德闡述了我們今天所知的黑洞的基本特徵。然後二戰爆發了,玻爾-惠勒的論文突然變得非常重要,而奧本海默-斯奈德的論文則被擱置一旁。

戰後,廣義相對論——直到那時還被認為是前沿科學的邊緣學科,更像是數學而非物理學——被歐洲和美國少數幾所由約翰·惠勒和丹尼斯·西阿瑪等先驅領導的學校重新復興。奇怪的是,那時,奧本海默已經對這個話題失去了所有興趣。弗里曼·戴森證實了這一點,他曾多次試圖讓奧本海默對他在戰前關於引力的工作感興趣。每次這位大師都會轉移話題,並且從不表現出對該領域最新進展的絲毫興趣。為什麼奧本海默對一項可能讓他獲得諾貝爾獎的貢獻表現出如此漫不經心的冷漠,如果他活得足夠長久看到它被實驗驗證的話?因為那時,正如戴森所說:

“奧本海默晚年認為,唯一值得嚴肅理論物理學家關注的問題是發現物理學的基本方程。愛因斯坦當然也有同感。發現正確的方程才是最重要的。一旦你發現了正確的方程,那麼對該方程的特殊解的研究將成為二流物理學家或研究生的常規練習。”


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奧本海默和愛因斯坦的觀點對歷史上許多最偉大的物理學家來說並不陌生。尋找基本定律是物理學家可以從事的最重要的活動;其他一切最好留給較次的人才。我個人厭惡這種態度,但不管好壞,我認為它在整個物理學史上都是預設的事實。

我想起了奧本海默的故事,因為查德·奧澤爾對我的上一篇文章進行了極具洞察力的評論。文章的標題清楚地表明瞭奧澤爾的觀點:“請跟我重複:粒子物理學不是物理學的全部”。他的觀點很有道理;粒子物理學家的行為就像他們學科中的偉大問題是唯一真正重要的問題,因此如果這些問題撞到牆上,那麼所有的物理學都必須停止運轉。當然,這完全是錯誤的,僅僅基於世界上大多數物理學家的日常工作而言,這些工作與量子色動力學和希格斯玻色子無關。奧澤爾給我們舉了一個例子,說明這種觀點是少數,他指出美國物理學會人數最多的部門實際上是由凝聚態物理學家組成的。粒子物理學家排名第二,但即便如此

“這個(數字)幾乎肯定高估了直接從事萬有理論研究的人數。事實上,由於最近的發展(或者更準確地說,缺乏發展)而導致其工作真正陷入危機的物理學家只是一小部分專業物理學家。他們在媒體上的曝光率過高,很大程度上是因為關於多重宇宙的瘋狂推測很性感,併為對大麻友好的計算機生成影像提供了很多機會,但如果他們明天都被吸入黑洞(從而徹底解決“防火牆”的爭論),整個物理學將幾乎沒有任何停頓地繼續前進。”

關於理論物理學在媒體中被過度代表的觀點是我非常讚賞的,尤其是因為我寫過一篇文章,哀嘆這個事實誤導公眾認為粒子物理學的問題是該領域唯一令人興奮的問題。在那篇文章中,我呼籲實驗主義者(是的,以及凝聚態專家)在向公眾展示他們的科學方面做出更大的努力。

話雖如此,我認為奧澤爾的文章似乎對迄今為止物理學的意義輕描淡寫,因此,儘管我同情他的觀點,但我懷疑各種各樣的物理學家將始終對基本定律抱有偏愛。事實是,即使大多數物理學家自己不研究基本定律,也很難否認,從哲學上講,物理學的歷史在很大程度上是尋找基本定律,這些定律主要以“統一”的名義表現出來。

只要物理學存在,它的從業者就一直在努力尋找不同現象之間的共同點。伽利略發現木星和地球一樣有衛星,金星和我們的月球一樣有盈虧。牛頓的輝煌成就——推翻了亞里士多德設定的兩千年“以太”思想——是證明天體中的物體遵循地球上物體所遵循的相同定律。統一繼續成為隨後發展的高潮。完全合法的物理學史可以簡單地根據關於統一的故事來寫,從法拉第和麥克斯韋對電和磁的統一,到溫伯格等人對弱力和電磁力的統一。

我們都知道這一切,但統一之所以在物理學家最喜歡的歷史時刻中名列前茅,是因為隨著統一而來的是簡化。而這種簡化一直是尋找基本定律的主要組成部分。正如物理學家半開玩笑地說的那樣,最基本的定律將是一個寫在餐巾紙上的一行方程,它可以解釋一切。將兩個非常不同現象的兩個方程突然濃縮為一個方程,不僅令人非常愉快,而且非常實用。因此,從統一的基本定律中受益的不僅僅是粒子物理學,而是所有型別的物理學家,而且不用說,凝聚態物理學家會像粒子理論家一樣珍惜數學中的簡化。

例如,從虛無縹緲的領域轉向非常實際的領域,人們只需要問問二戰期間從事雷達工作的物理學家,他們對麥克斯韋方程組有多麼感激。事實是,即使凝聚態物理學家自己不研究基本定律,即使所有世界上的弦理論家明天決定放棄並寫存在主義小說,他們的日常工作在很大程度上也不會受到影響,但同樣真實的是,每個凝聚態物理學家都已經從基本定律中受益。我懷疑無論凝聚態物理學家的工作是否會量子力學和廣義相對論的統一而改變,這種情況仍然成立。

然後是美學和完整性的問題,大多數物理學家都欣賞這些問題,即使它們可能不會影響他們自己的工作。凝聚態物理學家可能相信菲利普·安德森的格言“更多不同”,他們可能同意純粹的還原論方法無助於他們破解超導性或巨磁阻,但我強烈懷疑他們每個人都暗自希望事實上存在一個直接、簡單、基本的推導,可以從夸克的性質推匯出陶瓷超導體的性質。僅僅因為從弦理論到您的寵物專案似乎沒有合理的途徑,並不意味著您不會喜歡找到一個。自從古代社會開始試探性地探索物理現象的解釋以來,物理學的目標一直是發現宇宙最基本、統一、相互關聯的原理。無論您是否積極參與此類定律的追求,這始終是預設的事實。

因此,我同意奧澤爾的觀點,即未能找到量子引力理論通常不會影響尋找更好的拓撲絕緣體或 DNA 鑷子。但是,在內心深處,它會向每一種物理學家發出一個令人不安的資訊;即從最根本的層面上來說,他們的科學是脫節和不完整的。這樣的揭示可能只會剝奪粒子物理學家的工作,但我認為它會給更多的物理學家留下對他們自己工作的深刻不安和不確定感。

更新:Chad Orzel 在他的部落格上對我的帖子做出了回應。我同意他的觀點,即我們在這個話題的根本層面上似乎沒有什麼分歧。我自己在之前的文章中多次批評過強還原論的方法,而且作為一名化學家,我理解複雜性可以像簡單性一樣令人愉悅和重要。

Ashutosh Jogalekar is a chemist interested in the history, philosophy and sociology of science. He is fascinated by the logic of scientific discovery and by the interaction of science with public sentiments and policy. He blogs at The Curious Wavefunction and can be reached at curiouswavefunction@gmail.com.

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