如果不能寻找终极理论,物理学还有什么意义?

2020-12-06综合

这个问题是对物理学存在很深的误解。请记住,终极理论并不是物理学的唯一目标!

目前物理学有四大主要领域,分别为粒子物理、天体物理和宇宙学、凝聚态物理、原子分子与光物理。21世纪以来的诺贝尔物理学奖,都是这四个领域轮流坐庄。

1、粒子物理,研究基本粒子和它们之间的相互作用,理论基础是量子场论(量子力学和狭义相对论的结合),具体模型为粒子物理标准模型,能描述除了引力之外的其它三种相互作用。标准模型已经统一了电磁相互作用和弱相互作用,如果再统一强相互作用,就可以称为大统一理论(GUT),目前有几个候选模型,但未出现实验证据。如果能把引力再统一进来,就可以叫做终极理论了,目前主要候选是超弦理论。所谓“终极”就是统一所有的相互作用,即所有的力,而并不是把一切都统一起来。超弦理论的实验证据更不要想了,我怀疑已经超出了人类文明的极限,所以估计它最终的归宿可能是一个数学模型而不是物理理论。

2、天体物理和宇宙学,这个领域没有终极理论这种说法。首先天体物理不是基础物理,恒星核物理为基础,黑洞以广义相对论为基础。宇宙学尝试解答我们这个宇宙为何出现的,大爆炸本身和终极理论无关,尽管为粒子物理提供舞台,但提到终极理论也是指粒子物理的,比如大爆炸早期提供三种力统一的能量等等。

3、凝聚态物理,这个才是物理学从业人数最多的领域,全世界估计占一半左右,在中国比例会更高。这个领域主要是利用量子力学研究具体物质的状态和其中电子的性质,不会关心深入原子核内部的事,自然也不会去关系终极理论。作为物理学第一大帮,凝聚态物理学的最终目标是控制物质改变世界。它在上个世纪最大的功绩,就是半导体的发现和一次为基础发明晶体管和集成电路,最终为我们带来了第三次科技革命(信息革命)。未来高温超导,纳米技术,量子材料会带给世界更多的改变。

4、原子分子与光物理,利用量子力学研究原子、分子、和光学,分子部分基本和量子化学重合。和凝聚态物理一样,这个领域也不会去关心终极理论,而是更关心物理学的应用,它在上个世纪最大的功绩是激光的发现和激光器的发明,在信息革命中起到的作用仅次于半导体。得益于量子信息的迅猛发展,该领域从上世纪类似核物理那种小众开始,已经在本世纪逐渐发展为可以和凝聚态物理抗衡的力量。因为光子是最容易控制的量子,我们可以用它的量子态做量子通信(墨子号量子卫星的功能)。利用激光冷却原子,可以做模拟量子计算机,做物理量精密测量等。这个领域是量子信息的主力部队,或许将来该领域整合小部分凝聚态物理方向后直接变成量子信息学。量子信息学将带来第二次信息革命,再一次改变世界。

综上,只有粒子物理领域关心终极理论,而且该领域已经度过了辉煌期。凝聚态物理和量子信息这些不关心终极理论的领域才是物理学主流。

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