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[原创] 物理学理论发展的未来在哪里?

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发表于 2017-6-14 23:23:30 | 显示全部楼层 |阅读模式
物理学理论发展的未来在哪里?

司 今(jiewaimuyu@126.com

最近,忙里偷闲,重读二位物理“大家”关于物理学“困惑”的文章,受益匪浅,也感慨万千:现代物理学真如一部“天书”,懂得的人越来越少,这是物理还是“无理”?!

物理学研究应该有它内在的本质的东西,就像阿基米德所说:“给我一个支点,我可以撬动整个地球”——简单明了,这才是物理学理论的魅力所在!

阿基米德杠杆理论漫画

但返观当今物理学,宏观有:时空弯曲论、大爆炸、暗物质等,微观有:波粒二象性、测不准,上帝粒子等……面对这些“玄之又玄,妙之又妙”的物理理论,我们困惑了,就连物理学大师们也困惑了?!

美国著名物理学家斯莫林在他的《困惑的物理学》一书的开篇《未完成的革命》中指出:

斯莫林著《物理学的困惑》

作为所有其他科学的基础的物理学迷失了方向。为什么物理学突然陷入了困境?我们能为

为此,他提出了未来物理学发展需面对五大“关键”问题:

问题1:将广义相对论与量子理论结合为一个真正完备的自然理论。

问题2:解决量子力学的基础问题:要么弄清理论所代表的意义,要么创立一个新的有意义的理论。

问题3:确定不同的粒子和力能否统在一个理论并将其解释为一个单独的基本作用。

问题4:自然是如何选择量子物理标准模型中的自由常数值的?

问题5:解释暗物质和暗能量。或者,假如它们不存在,那么该如何在大尺度上修正引力理论,为什么修正?更一般地说,为什么宇宙学标准模型的常数(包括暗能量)具有那样的数值?

以上五个问题代表了我们当前认识的边界。它们令理论物理学家寝食难安,并将驱动着理论物理学大部分前沿性的研究。

同时,我读诺贝尔物理学奖获得者温伯格的《我为什么对量子力学不满意》、《量子力学的困境》二文时,仿佛感觉到他对微观世界物理理论前景也充满“忧虑”和“困惑”,他在《量子力学的困境》一文中写道:

温伯格

1、电子波并非是电子物质的波,这和海浪是水波完全不同。电子波是概率波……概率通常被看作是那些还在研究中的不完美知识的反映,而不是反映了潜在物理学定律中的非决定性。

2、我也不像以前那样确信量子力学的未来。一个不好的信号是即使那些最适应量子力学的物理学家们也无法就它的意义达成共识。这种分歧主要产生于量子力学中测量的本质……如果我们忽略其他关于电子的一切而只考虑自旋,那它的波函数跟波动性其实没什么关系。

3、把概率引入物理学原理曾困扰物理学家,但是量子力学的真正困难不在于概率。困难在于量子力学波函数随时演化的方程,薛定谔方程,本身并不涉及概率……如果我们认定整个测量过程都是由量子力学方程来确定,而这些方程又是确定性的,那量子力学中的概率究竟是怎么来的呢?

4、对我来说似乎它的问题不仅仅在于放弃了自古以来科学的目标:寻求世界的终极奥义。它更是以一种令人遗憾的方式投降……有些物理学家采用工具主义的方法,他们声称我们从波函数中得到的概率是客观存在的概率,不依赖于人们究竟有没有做测量。我则不认为这观点是站得住脚的。

5、在现实主义者的观点中,这个世界的历史时时都在进行无穷无尽的分裂; 每当有宏观物体伴随量子状态的选择时历史就会分裂。这种不可思议的历史分裂为科幻小说提供了素材,而且为多重宇宙提供了依据,众多宇宙之中某个特定宇宙历史中的我们发现自己被限定在条件优渥从而允许有意识生命存在的历史中的一个。但是展望这些平行历史令人深深不安,同其他很多物理学家一样,我倾向于单一存在的历史。

尽管一些现实主义的尝试已经得到类似于波恩定则这样和实验配合很好的推论,但我觉得他们都不会取得最终的成功。

6、纠缠带给爱因斯坦对量子力学的不信任感甚至超过概率的出现。针对量子力学的缺点又应该做些什么呢?其实如何去用量子力学并无争议,有争议的是如何阐述它的意义。

如何在当前量子力学框架下理解测量的问题或许是在警告我们理论仍需要修正。量子力学对原子解释的如此完美,以至于任何应用到如此小的对象上的新理论都和量子力学近乎不可分辨。但是或许新理论可以仔细设计,使得大物体比如物理学家和他们的仪器即使在孤立的情况下也可以发生快速的自发式坍缩,从而由概率演化能给出量子力学的期待值。发明新理论的目标即是如此,但不是通过给测量在物理学规律中一个特殊地位而达成,而是使之作为那些成为正常物理进程的后量子力学理论的一部分。

发展这样新理论有一个困难是实验没能给我们指明方向—目前所有的实验数据都符合通常的量子力学。我们倒是从一些普适原理中得到些许帮助,但是这些都最终令人惊讶的演变为对新理论的严苛限制。

7、可惜的是,这些对量子力学修正的想法不仅带有推测性质而且还很模糊,我们也不知道应该期待量子力学的修正究竟有多大。想到此处更是思及量子力学的未来,我唯有引用维奥拉在《第十二夜》中的话:

"O time, thou must untangle this, not I"

美女也困惑

沉入二位“大师”文章的意境中,我也深觉物理学照这样发展下去,它的未来发展前景一定会更迷茫……

纵观当今物理学,我觉得物理理论给我们的迷茫主要表现在二个方面:

1、宏观宇宙世界探索方法与理论建立和完善问题。

2、微观粒子空间研究方法与理论建立和完善问题。

这二个方面给我们研究带来最大的难题都是抽象“场”在作怪,前一个是“看得见却摸不着”,后一个是“看不见也摸不着”;对它们的研究只能用“间接”手段甚至“冥想”来实现,难怪朱时清院士曾说《物理学步入禅境》……

但未来的物理学理论探索与发展不会因噎废食,更不会止步不前!

那么,我这里想提出一个问题:物理学理论发展的未来究竟在哪里呢?

宇宙大道——因果律告诉我们,物理学理论发展到今天这种“曲高和寡”地步必有其内在原因,在我来看造成这种“迷茫”现象的原因不外以下几个方面:

1、物理学理论建立的基础不够完善和牢固;

2、物理研究将现象学、数学等与物理学混为一谈;

3、物理学对待新实验、新观测的解读过于随心所欲;

......,......,……

鉴此,我认为,今后物理学研究要关注以下几个方面:

1、基础物理学建立的历史背景和局限性;

2、现代物理学新实验、新观测、新结论;

3、补充、完善基础物理学理论,不要盲目“发明”新理论;

4、重视物体自旋及其物理效应,即旋转生磁;

……,……,……

具体说就是现代物理学新实验层出不穷,对客观物体属性认知的更深入、全面,那么,对以前没有获得这些“新属性”而建立起来的的物理理论就需要重新审视和补充,以使之更完善,更具有“普适性”;因此,从这个意义上来讲,这也是一种理论“创新”。

就目前物理学理论困境而言,盲目“发明”新理论是“行不通”的,也是一种不明智的做法!

比如,我们在研究微观世界运动时,可用的理论有牛顿经典粒子运动理论、狭义相对论理论、量子力学理论等,而且每一种理论都会得出一套关于粒子运动描述的“方法论,但对这些描述差异,哪一种理论会更准确些呢?我想大家都会认为量子力学可能会更深入些,为什么?

因为量子力学是继承了牛顿力学、经典电磁学等理论“精华”后又融入了粒子的自旋和磁矩属性,因此比前二门理论有了根深入的认识。

同时,我们还应该看到,量子力学也是有“缺陷”的,那就是它在讨论粒子运动的“转弯”(即衍射)现象时,总是不从粒子的根本属性——自旋、自旋磁矩性入手,结果给出了所谓的“波粒二象性”结论,这是不能让很多人理解和接受的。

自旋电子与磁性

如果我们从粒子自旋和磁矩性入手,再结合小孔或窄缝(它们也是由带自旋磁矩的粒子构成的)空间

具有磁场性,也完全可以解释粒子的衍射现象......

总之,现代物理学理论在继承、发扬、完善基础物理理论方面做得还是不够的,有一些方面“脱节”或“背道而驰”现象还是很严重的......

再看狭义相对论,它是通过数学推理——洛伦兹公式变换为基础而建立起来的理论,这种理论是没有“真实物理基础”的,因此,它对粒子运动的认知就显得“表面化”、“数学化”,具体一点就是,它不是对粒子属性和运动真实情况的描述,而是一种数学推理“游戏”,以此法一路走下去,爱因斯坦创立广义相对论时采用 “黎曼几何”就不足为怪了。

在爱因斯坦自己所建立的所有理论中都不曾体现粒子自旋和自旋磁矩性,这是爱因斯坦理论的最大缺陷,也是他的理论最终难与量子力学相融合的根原所在......

在此,希望大家多多关注“自旋”与“磁场”方面的思考——我想,今后物理学理论发展的未来就在这里吧......

眺望旋转


梵高.旋转星空

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