物理学已经终结了吗？

物理学是否达到了我们可以企及的极限？又或者说，人类才刚刚开启新的可能？

现代物理学已经走向终点了吗？21世纪通常被称为生命科学的世纪，抑或是人工智能，以及其他诸多新兴领域的时代。而这个世纪的物理学似乎仍停留于20世纪的辉煌——那个以相对论和量子力学革命震惊世界的黄金时代，那一连串由基本粒子引出的诺贝尔奖——现在很多人都担心黄金时代正陷入干涸的沙漠，一片几十年都不再有新粒子现身的荒凉。

这种观点至少在三个方面是错误的。

首先，对于一个已经取得种种重大成果的学科领域来说，物理学在21世纪前20年的成就仍属成功：于2012年发现希格斯粒子；在2015年探测到引力波（2016年宣布）；又于2019年拿出了第一张黑洞的照片。这三大创举都算得上超乎想象，绝对都是科学大事件。当然，可能有人会说，结出这些硕果的种子全都是在20世纪埋下的：黑洞和引力波是阿尔伯特·爱因斯坦在1915年搞出来的方程式的直接结果，难道物理学已经用尽了前辈们的智慧？

宇宙学的最新进展告诉我们：95%的宇宙都是未知的，而这些未知的部分由暗物质和暗能量组成，它们被掩盖在一层神秘的面纱之中。而面纱背后，便是未知的新物理了。这决定了物理学的研究工作尚未结束。

所谓“物理学已死”的论断甚嚣尘上的第三大原因出自一个更基本且明确的错误——将物理学的新进展定义为发现某种新的粒子或力。这种非常短视的想法约等于在说“新粒子以外的其他工作不重要、可略去”，在某种意义上怂恿着我们去忽视物理学中的其他重要篇章。

物理学旨在以精确的数学方法理解宇宙中所有物质和能量的表现，而我们才刚刚开始探索这种无限的可能性。在这个时候宣称“物理学终结”，相当于判定“引入自然数和基本算术”是数学的终点，“创制元素周期表”乃化学的绝唱。

事实是，探索微粒本身并非人类寻找物理新定律的唯一方法，我们还能通过分析众多微粒在一起的集体行为，令真理浮现。例如，声波就是无数物质分子的同步振荡，而我们可以借助量子理论，用粒子来描述它——那便是“声子”（phonons），也可叫“量子”（quanta），它们的行为类似于“光子”（photons，光的量子）。因此，就像奇幻动画电影里的蒙赫豪森（Baron Munchausen）男爵可以通过拉自己的头发使自己摆脱沼泽一样，物理学是自我维持的——它可以利用自身产生新的基本见解，然后再将其应用于严密的数学模型。

我们可以基于当前已知的基础宇宙创建出无数个新的物理系统，而在知道这一点后，我开始逆向地思考物理学——与其在研究自然现象途中总结规律，不如先假设一条新定律，然后去倒推显示出此定律所描述现象的自然系统。例如，高中课本提及物质有三态——固态、液态和气态，可这实际上并不能作为现代物理学框架中的某条准确答案，因为量子力学的奇异性使得许多潜在的“奇异”相态成为可能，并且它们已经在理论上被分类，而现阶段的我们有能力在实验室中借助某些特殊设计的材料实现这些奇异的相态。

我们从量子理论出发，去寻找理论描述的现象，这种努力推动了科学研究的范式改变，帮助我们从研究“它是什么”转向“可能会存在怎样的它”。在20世纪，科学家找到了现实的基石：所有物质都是由分子、原子和基本粒子构成的；细胞、蛋白质和基因使生命成为可能；位、算法以及网络构成了信息和智能的基础。而在21世纪，我们将探索能用这些基石构建出哪些新体系。

如生物学家理查德·道金斯（Richard Dawkins）所说的，包括人类在内的所有生物都是被宇宙抽中的幸运儿——无穷无尽的遗传蓝本中，偏偏是我们的代码成为生命的原型。当然，生命以外的所有形式的事物也同样是幸运的存在。宇宙和地球的自然过程所产生的分子和物质，只是全部可能形式中的一小部分。（因此，它们也必须遵循相应的物理定律。）

但是所有这些现在都在改变。宇宙和生物的演化在数百万亿年的时间尺度上缓慢驱动着大自然的更新，可如今的人类能在实验室中以惊人的速度推进一个又一个的新发现。起初，这类工作可能给人感觉像“人造”科学——但要知道，那些被设计出来的人造细菌与天然细菌同样真实，同样值得研究，那些拜量子理论所赐的新颖的一维和二维材料也同样不比天然材料差。相反，这些新技术有效地从原子和分子的限制中“解放”了量子力学，并将其带入了宏观的日常生活。

科学包含所有现象，包括我们在实验室里发现的，以及用大脑想出来的。我们如果能充分认识到这一广阔的范围，就可以演绎出全新的研究图景。现在，科学之船离开了自然界的安全内陆水道，驶向无边无际的海洋，装载着“人造”材料、有机体系、大脑甚至是我们自己的更好版本——去探索一个勇敢的新世界。

因此，我对物理学的乐观看法同样适用于其他所有科学领域：冒险才刚刚开始。

资料来源 Quanta Magazine