物理學已經終結了嗎？

物理學是否達到了我們可以企及的極限？又或者說，人類才剛剛開啟新的可能？

現代物理學已經走向終點了嗎？21世紀通常被稱為生命科學的世紀，抑或是人工智能，以及其他諸多新興領域的時代。而這個世紀的物理學似乎仍停留于20世紀的輝煌——那個以相對論和量子力學革命震驚世界的黃金時代，那一連串由基本粒子引出的諾貝爾獎——現在很多人都擔心黃金時代正陷入干涸的沙漠，一片幾十年都不再有新粒子現身的荒涼。

這種觀點至少在三個方面是錯誤的。

首先，對于一個已經取得種種重大成果的學科領域來說，物理學在21世紀前20年的成就仍屬成功：于2012年發現希格斯粒子；在2015年探測到引力波（2016年宣布）；又于2019年拿出了第一張黑洞的照片。這三大創舉都算得上超乎想象，絕對都是科學大事件。當然，可能有人會說，結出這些碩果的種子全都是在20世紀埋下的：黑洞和引力波是阿爾伯特·愛因斯坦在1915年搞出來的方程式的直接結果，難道物理學已經用盡了前輩們的智慧？

宇宙學的最新進展告訴我們：95%的宇宙都是未知的，而這些未知的部分由暗物質和暗能量組成，它們被掩蓋在一層神秘的面紗之中。而面紗背后，便是未知的新物理了。這決定了物理學的研究工作尚未結束。

所謂“物理學已死”的論斷甚囂塵上的第三大原因出自一個更基本且明確的錯誤——將物理學的新進展定義為發現某種新的粒子或力。這種非常短視的想法約等于在說“新粒子以外的其他工作不重要、可略去”，在某種意義上慫恿著我們去忽視物理學中的其他重要篇章。

物理學旨在以精確的數學方法理解宇宙中所有物質和能量的表現，而我們才剛剛開始探索這種無限的可能性。在這個時候宣稱“物理學終結”，相當于判定“引入自然數和基本算術”是數學的終點，“創制元素周期表”乃化學的絕唱。

事實是，探索微粒本身并非人類尋找物理新定律的唯一方法，我們還能通過分析眾多微粒在一起的集體行為，令真理浮現。例如，聲波就是無數物質分子的同步振蕩，而我們可以借助量子理論，用粒子來描述它——那便是“聲子”（phonons），也可叫“量子”（quanta），它們的行為類似于“光子”（photons，光的量子）。因此，就像奇幻動畫電影里的蒙赫豪森（Baron Munchausen）男爵可以通過拉自己的頭發使自己擺脫沼澤一樣，物理學是自我維持的——它可以利用自身產生新的基本見解，然后再將其應用于嚴密的數學模型。

我們可以基于當前已知的基礎宇宙創建出無數個新的物理系統，而在知道這一點后，我開始逆向地思考物理學——與其在研究自然現象途中總結規律，不如先假設一條新定律，然后去倒推顯示出此定律所描述現象的自然系統。例如，高中課本提及物質有三態——固態、液態和氣態，可這實際上并不能作為現代物理學框架中的某條準確答案，因為量子力學的奇異性使得許多潛在的“奇異”相態成為可能，并且它們已經在理論上被分類，而現階段的我們有能力在實驗室中借助某些特殊設計的材料實現這些奇異的相態。

我們從量子理論出發，去尋找理論描述的現象，這種努力推動了科學研究的范式改變，幫助我們從研究“它是什么”轉向“可能會存在怎樣的它”。在20世紀，科學家找到了現實的基石：所有物質都是由分子、原子和基本粒子構成的；細胞、蛋白質和基因使生命成為可能；位、算法以及網絡構成了信息和智能的基礎。而在21世紀，我們將探索能用這些基石構建出哪些新體系。

如生物學家理查德·道金斯（Richard Dawkins）所說的，包括人類在內的所有生物都是被宇宙抽中的幸運兒——無窮無盡的遺傳藍本中，偏偏是我們的代碼成為生命的原型。當然，生命以外的所有形式的事物也同樣是幸運的存在。宇宙和地球的自然過程所產生的分子和物質，只是全部可能形式中的一小部分。（因此，它們也必須遵循相應的物理定律。）

但是所有這些現在都在改變。宇宙和生物的演化在數百萬億年的時間尺度上緩慢驅動著大自然的更新，可如今的人類能在實驗室中以驚人的速度推進一個又一個的新發現。起初，這類工作可能給人感覺像“人造”科學——但要知道，那些被設計出來的人造細菌與天然細菌同樣真實，同樣值得研究，那些拜量子理論所賜的新穎的一維和二維材料也同樣不比天然材料差。相反，這些新技術有效地從原子和分子的限制中“解放”了量子力學，并將其帶入了宏觀的日常生活。

科學包含所有現象，包括我們在實驗室里發現的，以及用大腦想出來的。我們如果能充分認識到這一廣闊的范圍，就可以演繹出全新的研究圖景。現在，科學之船離開了自然界的安全內陸水道，駛向無邊無際的海洋，裝載著“人造”材料、有機體系、大腦甚至是我們自己的更好版本——去探索一個勇敢的新世界。

因此，我對物理學的樂觀看法同樣適用于其他所有科學領域：冒險才剛剛開始。

資料來源 Quanta Magazine