物理学已经到了瓶颈了吗?
首先,科学起源于古希腊的自然哲学,尤其是毕达哥拉斯和柏拉图的分支。到亚里士多德时代,他已经是大师了。
他花了大约700年的时间,最终在他哥哥和托勒密的地心说的基础上提出了地心说。(从泰勒斯约公元前624年-公元前547年或公元前546年到托勒密公元90年-公元168年)
自托勒密以来,自然哲学几乎停滞不前,甚至整个西欧都不知道生活在这片土地上的人们拥有如此灿烂的文化。后继者是阿拉伯人,但他们的贡献非常有限。其实还是在托勒密提出地心说后1400年左右,西欧的人们才意识到古希腊罗马的文化如此繁荣。同时,哥白尼提出了自己的日心说,开启了哥白尼革命。
从哥白尼1473年2月19 -1543年5月24日,到牛顿16438+10月4日-65438年,从哥白尼到牛顿提出牛顿的牛顿力学和万有引力定律,用了200多年。
临近,物理成了数学家手中的一切,他开始深化牛顿力学,将其发扬光大,甚至预言了行星的存在。这期间物理学几乎停滞不前,直到麦克斯韦提出麦克斯韦方程(麦克斯韦1831 6月13-0879 11 10月5日),麦克斯韦和牛顿力学的矛盾最终催生了相对论和量子力学,这也应该是物理学的第二次高峰。
量子力学的黄金时代在1930之后逐渐褪去,然后粒子物理的标准模型开始猛烈发展,大概是从50年代到70年代。
在这短短的20年左右的时间里,科学家们一致认为,在四大作用力中,强相互作用力、弱相互作用力和电磁力。他们试图包括重力,但失败了。
几乎在同一时间,科学家们发展了一种弦理论,有望继承统一理论。但由于观测仪器的限制,我们没有办法验证弦理论的正确性。
从相对论、量子力学到粒子物理、弦理论的标准模型,也不过100年左右,相对于科学之前的发展是非常非常快的。这还不是全部。这只是理论物理。事实上,天体物理学、宇宙大爆炸理论和暴涨理论在20世纪迅速发展,以及宇宙微波背景辐射、引力波、黑洞、暗物质和暗能量的发展都足以载入史册。科技、三极管、激光、芯片、通信等方面都有了长足的进步。所以在20世纪,或者说近百年,其实科学发展的速度并不慢,应该说是特别快。
对科学发展的限制
理论物理之所以让人觉得慢,大概是很多人都在期待相对论和量子力学、牛顿力学、麦克斯韦方程组这样的成果。但是,我们需要知道的是,我们能否研究出一个全新的理论物理理论,不是因为人类的智力,更重要的是观测仪器。
新的理论来自新的错误。
为什么这么说?牛顿定律是由牛顿首先提出的。事实上,牛顿解释的是肉眼或用低倍望远镜可以观察到的宏观低速世界。在这个世界里,牛顿力学的理论和现实完美契合。然后物理学似乎停滞了。这其实是因为观测水平有限,人类很难看到原子现象或者大尺度现象(重力大,速度快)。他们没有看到现象就无法提出理论,这很正常。但在20世纪初,观测水平太高,导致科学家提出了两种理论。广义相对论在大尺度上和现实很吻合,量子力学在亚原子尺度上和现实很吻合。只是牛顿力学在越来越小的尺度上显示出它的缺点,误差变得特别大。
所以新理论其实来源于更精确的观察,来源于观察后的误差。如果没有观测技术的升级,爱因斯坦即使生活在古希腊罗马也不可能提出相对论。
因此,未来的理论实际上会出现在比相对论应用范围更大的尺度上,以及比原子水平小得多的尺度上。但目前,我们实际上没有观测更大和更小尺度的设备。所以理论物理无法发展。
这就是为什么各国都在争先恐后的研究引力波、暗物质、暗能量、黑洞,这些都是相对论的盲点。如果能够获得相关的物理现象,理论物理就有可能取得很大的进步。
我们国家在这四个领域投入了上千亿的研究,前段时间的悟空探测器就是暗物质的探测器。而弦理论一直是假设的理由,之所以在这里,是因为它的尺度比我们现在最精确的观测设备的误差要小得多。你认为这如何验证这个理论?
所以,理论物理的发展其实应该越来越慢,因为观测技术的提高越来越慢。但事实恰恰相反。事实上,科学的发展在它被小心翼翼地设定下来的时候是加速的,这实际上说明了现代人对科学发展的高度重视。
最后,还是那句话,理论物理的发展不受人类智力的限制,而是受观测技术的限制。
物理学最近的发展没有20世纪初物理学大革命的速度快。当时突然出现了相对论和量子力学的大革命,带来了原子弹和核能,半导体和激光器,光谱仪器和大型加速器等。然而,当初的黄金时代现在已经无法重现,物理学进入了一个失落的时代。一位著名的物理学家利斯莫林写了一本叫《物理学的终结》的书,也大致反映了这种失落。物理学的发展已经到了瓶颈。本来大家都希望超弦理论能给物理学带来新的突破,但是后来人们越来越觉得超弦就像一个数学理论,不能给出可以被验证的物理预言,于是物理学家的心情有点黯淡。
看最近的物理新闻,也能感受到一些愁云惨雾。
比如中科院的悟空卫星探测到了异常的电子信号,但是虽然大家都希望是暗物质粒子,但是大家都认为不太可能,因为美国的AMS没有探测到,熊猫计划的地下实验也没有探测到。估计悟空也很难察觉,那么一个很大的希望可能就破灭了。
再比如,中科院高能物理研究所积极倡导建造巨型对撞机。这个项目也是一场灾难。不仅非物理界的科学家反对这个项目,甚至物理界也有反对的声音。很多人强烈反对这个项目,是因为它与利益无关,而不是从国家大义的高度去思考。尤其是很多凝聚态物理学家觉得高能物理不应该花那么多钱。其实我默默反对这个项目。事实上,大型加速器的建设将使用许多超导磁体,这也将促进凝聚态物理的发展。但由于缺乏齐新的共同努力,巨型对撞机在最后5年没有得到支持,中国的物理发展也错过了一个战略机遇。
要回答这个问题,首先要明白什么是物理。
说白了,物理学史上对自然现象的研究是以自然现象为基础的一般规律,是理论物理。
实用物理就是用现在还在总结的普遍规律去推导自然状态下不太可能自动生成的东西,比如计算机,人工智能。
所以物理学的瓶颈本质上取决于人们对自然现象的认识。
物理学永远不会进步有两个可能的原因。
第一种可能:自然界是一种可以屈曲参照的现象,物理学只能对这些仅有的现象总结出一般规律。
在水平方向上,除了声、光、热、电、力,没有其他现象。
纵向来看,除了微观世界、宏观世界和高速世界,没有更多可能的自然现象。
只有少数自然现象才是阻碍物理学进步的根本原因。
第二种可能:自然现象可能有无数种存在形式,但人类认识的局限性导致了与更多自然现象的隔绝。
可能的原因在于人类感官的局限性。
比如我们经常说暗物质。近几十年人类之所以相信暗物质的存在,是因为暗物质与感官绝缘。
我们只能通过视觉、听觉、味觉、触觉和嗅觉来认识世界。
随着科技的升级,原本不属于可见光的电磁波变成了视觉膨胀。
但是,暗物质是五官无法直接或间接感受到的。我们只能通过唯一的理论来推断这种“可能的自然现象”的存在。
所以,物理学的进步依赖于自然现象的原始数和人类能直接或间接感受到的自然数。
就21世纪的物理学而言,虽然已经完成了对微观和宏观世界的描述,但万有理论还没有完成。
暗物质和暗能量也处于空白领域,正负粒子还没有对不对称性有一个可靠的解释。
任何这些问题的突破都是物理学的重大进步。
但是未来的物理学是否存在瓶颈仍然是一个值得商榷的问题,这仍然取决于我前面提到的两个因素。
准确地说,物理学中的基础科学似乎已经停滞很久了。诞生于20世纪初两朵乌云中的相对论和量子论,至今已有百年历史。物理学的发展真的遇到瓶颈了吗?
科学发展需要时间的积累。
科学突破也是量变引起质变的过程。纵观人类科学史,从亚里士多德到伽利略到牛顿用了几千年,从牛顿到爱因斯坦用了近两个世纪才获得对时空的新认识。
“如果我比别人看得更远,那是因为我站在巨人的肩膀上。”同样,每一个科学突破都可以看做是在前人的基础上取得的,这个科学基础是需要时间积累的。只有在科学探索中发现大量问题,才能从这些问题中找到原因,分析出规律。实验证明,这是一个漫长的过程。
从亚里士多德到牛顿,人类理解力学原理用了2000年。从牛顿到爱因斯坦,人类在200年的时间里认识到了时空的本质,这已经是很快的进步了。相对论才一百年左右,和一百年前的两个小乌云不一样。现在科学的天空可以说是乌云密布。随着人类科学探索的深入,从百亿光年规模的宇宙到难以想象的微观世界,无处不在的疑问,暗物质,量子纠缠。
下垂的果实已被收集。
下垂的果子已经收了,挂的果子太高了。这从历年博士学习的完成时间就可以看出来。以中国为例,2010之前读博士平均需要3.54年,现在读博士平均需要5年左右,而且这个时间还在增长。
上个世纪,一个强大的物理学家往往精通数学和物理,但今天,知识总量太大,没有人能把所有的物理知识都学完,于是物理学的分支越来越多,比如力学、高能物理、量子力学等等。就知识总量而言,物理方面估计不会有通才。
科学的分类越来越多,但我们知道,世界是物理规律相互作用的结果。因此,在新的时代,在科学研究中依靠单枪匹马已经不合适了。如果你想从高处摘水果,往往需要团队合作。
科学理论和实验验证
每一个科学规律都经历了从发现问题到发现规律再到实验验证的过程,所以科学其实就是理论和实验的结合,两条腿走路,只是现在,实验的那条腿有点跟不上节奏了。黑洞理论是在1975年提出的,我们直到今年才真正观测到它存在的证据,但我们无法为黑洞的霍金辐射现象提供实验证明,所以霍金直到去世也拿不到诺贝尔奖。
以万物理论强大的候选弦理论为例,在目前的实验水平下,几乎不可能直接验证多维时空和物质微观结构。引力波观测和近年来的黑洞照片,其实都是对相对论的检验。只有充分证明相对论的正确性,才能以相对论为基石,走向更高的科学层次,收获更高的科学成果。
摘要
纵观近两千年的科学发展史,人类对宇宙规律的认识其实一直在加速。从亚里士多德到牛顿,人类花了几千年才明白力和运动的规律。从牛顿到爱因斯坦,人类理解时空的秘密只用了两百多年。相对论的发表不过百年左右,但现在的物理学天空可以说是阴云密布,暗物质、量子纠缠、黑洞、弦理论等等都在等待科学验证。从这个角度来看,
看完《三体》,同学们总是被刘洗脑。什么物理学几十年没推进,什么基础理论50年原地踏步等等。,感觉人类的科技已经被直子锁定,明天外星人就要入侵了,然后就慌了。
物理学的进展
再进一步说,人类对自然的认识和科学的发展最初依赖于直接的感官认知和客观经验的积累。
为什么直到今天,仍然有那么多学生质疑爱因斯坦的相对论,喜欢用两个手电筒交叉反射,这是超越光速的。不仅仅是因为学生摆脱不了,而是从生活经验中去理解和总结;但是,相对论从根本上来说,并不是一个可以通过客观经验或者从现实生活中直接得知的理论。简单来说,它必须超越你的一般想象,才能真正理解事物。可惜现代科学的两大理论基础,相对论和量子力学,也不过如此,非常脱离群众基础。
所以不是物理学的发展到了瓶颈,而是一般的吃瓜群众对科学的认识到了瓶颈。而且这个瓶颈需要在普通教育水平上有很大的提升才能克服。现代社会,随着分工的细化和国民福利保障的提高,普通大众只要掌握特定的技能就可以生存。所以,前沿科学不被普通大众理解是很正常的。
边缘科学
就像“老河山下小学的和尚”曾经说过的:所谓的尖端技术,就是小尺度的粒子,大尺度的天文学,虚拟尺度的时空,真实尺度的生命。
细说起来,这些东西归根结底都是关于数学的。有多少学生有兴趣和耐心去听,更不用说去理解了?
比如,为了匹配引力与强力、弱力与电磁力的统一,物理学家提出了超弦理论。这个理论假设之前我们认为是粒子的夸克和轻子,实际上是“弦”振动的能量弦,在11维中摇摆,包括三个已知的维度,加上一维时间和其他七个维度。这根弦极小,可以看作点粒子。超弦理论通过引入额外维度,使科学家能够将量子定律和引力定律相对和谐地结合起来,完成物理学梦想中的大一统。
弦理论进一步产生了所谓的M理论。理论N把所谓的“膜”当作灵魂来解释它的物质世界。它是这样解释宇宙的创造的:大爆炸始于一对平而空的膜;它们在一个卷曲的5维空间中相互平行,两层薄膜构成了5维空间的墙壁,很可能是作为更遥远过去的量子涨落产生的。——WTF?当然要把学生逼傻!当然,这不是理论的错,因为领导物理学家把数学模型字面化,尤其是纯数学概念字面化,有点勉强。
毕竟你没有很深的数学基础去理解这些;他们也不具备科普词这种简洁明快的表达能力。随便扔个公式出来,你我都受不了。让我们互相体谅吧。
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从牛顿开始,尤其是电发明以后,人类社会的发展突飞猛进,这是不争的事实!但是现在的电已经不是150年前的电了。你能说人类用电就被关起来了吗?
耐心点,或者只是享受。毕竟科学的目的是让人类的生活更轻松,仅此而已。
这是一个很尖锐很严肃的问题!
我们看看对世界贡献最大的10位伟大物理学家的出生年表,就能发现问题出在哪里?
伽利略出生于1564年,牛顿出生于1643年,亨利出生于1731年,法拉迪出生于1791年,麦克斯韦出生于1831年,普朗克出生于65438年。玻尔出生于1885年,狄拉克出生于1902年,费曼出生于1918年(世界十大著名物理学家是在1564 -1918年的354年里)。
这是不符合自然规律,诞生于物理学的瓶颈期,进入了不平衡状态。
这个瓶颈最确定的时间是1914年一战爆发;这场战争之后,带来了工业革命和科技实力。第二次世界大战后,科技发展速度更快。
正是这些现实导致了科学、哲学和物理的淡化,人类逐渐忘记了物理、哲学和科学对人类发展的重要性?
物理学的发展应该引起联合国和人类的重视!
我相信,未来世界物理学的发展,需要能代表东方哲学的中国,掀起物理学研究、科学研究、哲学研究、社会学研究的浪潮;我预言,中国将是人类未来发展的伟大物理学家。
经验物理还有很大的提升空间,理论物理已经受限于瓶颈。除非改变数学拟合方法或者改变方向的理论模型出现,否则很难有突破。
从相对论、量子论、电磁转换理论、基本粒子模型开始,物理学的大局几乎已经决定了。大多采用间接拟合的方法进行数学拟合。
很多理论或理论假说都处于等待验证甚至无法验证的状态。比如相对论推导出的黑洞或灰洞的内部验证。虫洞、白洞、暗物质、暗能量、平行空间、总时空奇点附近、总时空弥散区、弦理论、膜理论、多维极限验证等等。有些理论假设,比如弦理论,甚至无法验证。
这导致了一些理论和实践问题。
相对论的验证部分取得了巨大的成功,但在理论推断的极端,现在面临着无法观测和验证的问题。在未验证的区域,有人想当然地认为相对论仍然成立,这是不符合物理的。大爆炸理论计算的前5亿光年,现在显然无法观测验证,但大爆炸假说在这个地方有理论分歧。作者还认为总黑洞依然存在,不需要暗物质这个物理变量,发布了双臂紧致螺旋的总时空几何模型。而在这个遥远的时空物质弥散区,基本粒子的温度接近绝对零度,所以会出现爱因斯坦凝聚态,基本粒子的冻结速度甚至会为零。爱因斯坦知道这个状态,也就是说他知道相对论不是普遍适用的。至少这个地方出问题了。
另外,黑洞和灰洞是间接证实的,但虫洞和白洞还是数学模型。至于平行空间,更是数理逻辑。
相对论四维时空理论产生时,还没有分数维的概念。为了区分直三维并增加其曲率,爱因斯坦命名四维时空,但这导致了歧义。
四维时空的曲率法是基于分形维数大于整数三维小于四维的理论。看不懂四维空间。四维时空的实际意义是具有曲率的复杂三维空间。我们的空间观测极限始终没有跳出3.9(9个周期)的维度。
从数学上讲,面对4.0维,相对论的四维时空从4.0维向内偏离到3维,而四维空间向外偏离4.0维。
黑洞从3向外接近4.0维,虫洞等于4.0维,白洞向内接近4.0维。黑洞内部的验证问题还没有解决。虫洞和白洞暂时只能作为数学游戏。至于四维,有一个间接拟合的数学问题。
西方不区分数学和数学,这和中国的唯物主义不同。尤其是数学和物理学,在几百年前就证明了上帝的存在和全能。脱离宗教用了近百年。
虫洞可以把太极鱼的眼睛解读为鱼的尾巴;白洞是鱼眼。弦理论可以用来解释中国的古诗。这件事已经说了。
对于间接拟合数学方法,最成功的例子是声波。声波的方法很符合声音的物理结果,但是没有声波的实质。声音的物理性质必须分开解释,不能用声波的运动来解释。虽然,如果你这么想,你可以通过这个拟合得到正确的间接拟合结论。声学声子没有物质性,而声波有。
这是间接拟合数学方法解释的关键问题之一。
牛顿直接拟合法,基于三维整数维,在分数维的现实中有一定误差。
与间接拟合相比,接近拟合。
这是两种拟合题材的数学拟合方法。时空曲线存在吗?非物质存在。它是三维相对运动系统中引力曲率的拟合特征。是直接拟合重力的结果,重力是物质。现在西方显然把引力场当成了物质存在。引力场和曲面空间只是引力效应的间接拟合。和声学声子一样,计算结果是正确的,但实际上并不存在。找引力子,先找声学声子。这很简单。间接拟合理论方向的误差。
另外,直接拟合需要笛卡尔坐标系才能准确。相对论确认的时空部分,明显是三点几维的分形维,是混沌系统。初始测量中最小的误差都会导致后续误差的急剧放大,失去数据解释的意义。那么,这个时空混沌系统用简单线性拟合得越远,问题就越大。暂时来说,100亿光年之内问题不大,但超出这个范围,肯定有数学问题。
过去把混沌坐标系作为笛卡尔坐标系,导致了牛顿理论的误差问题。现在有了分形维数和混沌分形系统的概念,最基本的数学问题,在数学拟合中依然存在。
坐标系各坐标轴的单位和数学性质统一于笛卡尔数学坐标系,但不统一,大概是混沌坐标系。时间是一个特殊的元素,不一定。
作者只是一个数学爱好者,不是物理学家,看到这些数学题。最美的欧拉方程用超越数否定了代数几何的统一性。同样朝着循环和迭代方向发展的波现在需要物理上的统一。没有数学支持怎么统一物理?
物理是个不小的瓶颈。发展经验物理学对中国有好处。理论物理,他们以后会变,但是无论如何也证明不了不能证伪的部分,假设会一直持续,直到被证实。但是,数学有问题,就是数学游戏,不是物理。数学和数学是两回事。基于点没有几何形状的事实,波可以代替圆弦,从而使代数几何统一在笛卡尔坐标系中。但是基于这个假设,证明了一个点有五种几何形状。自己找数学题。
时间的一个很好的经典定义被物理学混淆了。时间是一种间接拟合的方法,记录的是一个过程的序号,而不是物质。只要不能返老还童,时间就永远回不去了。
你知道三维空间是数学假设,那么四维时空就复杂一点,弯曲的三维空间不是数学假设?很重要吗?宇宙大爆炸炸毁了一个时空和盘古创世属于同一性质的一种解读。时空超光速膨胀?大型对撞机还没有安装超光速的基本粒子。三维空间一点点弯曲,坐标轴无限长。有了膨胀,也是超光速。这是物理吗?
如果你不改变方向,你就无法度过物理学的瓶颈!
其实瓶颈期也是机遇期。
自量子论以来,物理学的发展一直是基于线性的应用研究。在获得巨大成功的同时,也限制了人类的想象力。因为物理学家不需要冒着失败的风险去做开创性的研究,他们可以站在前人的肩膀上收获成功。但是现在好日子已经过去了,物理理论已经到了必须取得根本性突破的关键点。没有人知道方向,也没有前人可以踩的肩膀。所以,只有在默默无闻中做大量的定向验证,才能脱颖而出,开辟出一片物理的新天地。
让我们期待这次带领人类突破枷锁的学者是中国人还是外国华人。
物理从来都是天才驱动的学科,不可能一日千里,也不可能搞人海战术。只能等待天才降临。
科学的发展是无止境的。