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二十世纪初物理学家:量子论与相对论奠基的大师时代

2026-04-25 17:23:00信息公告0

这段历史要从其最闪耀的一刻说起。rAK物理好资源网(原物理ok网)

在1927年10月的时候,第五届索尔维会议于比利时布鲁塞尔召开了,有29名物理学家展开了以“电子与光子”为主题的讨论,爱因斯坦、普朗克、薛定谔等大师都聚集在了那里,在会议举行的期间,他们留下了一张合影,给世人留下了如同“神仙聚会”般的豪华记忆。rAK物理好资源网(原物理ok网)

第五届索尔维会议上物理“大神”们的合影。资料图片rAK物理好资源网(原物理ok网)

毫无疑问,此次会议期间,玻尔跟爱因斯坦围绕量子展开的那场声名远扬的争辩,也已然成为经典。那场历经数十年之久的“玻尔 - 爱因斯坦论战”,成了量子理论发展历史进程里的关键转折点。自那之后,量子理论慢慢发展壮大,最终成长为了现代物理学的两大基石其中之一。rAK物理好资源网(原物理ok网)

又一基石,恰是众人皆熟知的相对论,特别是当1919年英国那位叫爱丁顿的天文学家做完日全食实验之后,爱因斯坦所提出的广义相对论一下子就声名远扬了。rAK物理好资源网(原物理ok网)

相比那个无比辉煌的时代二十世纪初物理学家,现今的理论物理多少呈现出些许乏味之感,大师数量极为稀少,而且缺少具有颠覆性的理论创新。人们不禁心中产生疑问:物理理论的发展已然达到完备的状态了吗?现代物理学的发展速度已然变得缓慢了吗?rAK物理好资源网(原物理ok网)

远去的大师时代rAK物理好资源网(原物理ok网)

20世纪被称作是物理学的世纪。相对论与量子论治,是20世纪的两项物理学功绩 ,如今差不多所有的科学技术 ,皆是基于这两项理论发展而成的。中国科学院院士、中国科学院理论物理研究所研究员蔡荣根讲 ,量子论的现身完全转变了人类的世界观 ,极大地丰富了我们对于客观世界的认知 ,半导体、激光 ,以及当下的量子计算等前沿技术 ,都是在这个根基上成长起来的。更何况相对论呢,它改变了我们对于时间的认识,改变了我们对于空间的认识,甚至改变了我们对于整个宇宙的认识 ,就如同当下发射卫星这般情况,以及未来星际旅行之类的情形同样如此,全都离不开相对论所给予的指导。rAK物理好资源网(原物理ok网)

诞生于20世纪初期的相对论,给我们带来了极大的震撼,还让物理成为备受关注的对象,诞生于20世纪初期的量子论,同样也给我们带来极大震撼,也让物理学家成为备受关注的对象。rAK物理好资源网(原物理ok网)

“那幅合影所反映的那个时代极具典型性。”蔡荣根讲道,在那个时候,鉴于相对论以及量子论才刚开始问世,存在诸多重要问题众人尚未搞清楚,空白之处较多,“夸张些来讲,只要你能解出一道量子力学的题目,便能够成为著名科学家。”。rAK物理好资源网(原物理ok网)

爱因斯坦rAK物理好资源网(原物理ok网)

随着科学家对于理论认知的逐步深入,学科发展朝着纵深方向发展,先后提出了量子场论,提出了杨 - 米尔斯规范场论,提出了弦理论,提出了超弦理论,还提出了被霍金评定为“可能是阐释宇宙本原的终极理论”的M理论,并且这些理论的主要研究者也被学术界认定为旗帜性人物。rAK物理好资源网(原物理ok网)

若讲20世纪五六十年代属于杨振宁先生以及李政道先生的时代,那么70年代便是荷兰物理学家特·豪夫特的时代,至于80年代,就是美国物理学家爱德华·威滕的时代。蔡荣根回忆着,自己年轻求学那时,跟许多从事理论物理研究的同学一样,都把威滕——这位被公认为“全世界最聪明的头脑”当作偶像,“威滕可是提出M理论的大师。他当时搞什么研究,我们就会跟着去做什么研究。”。rAK物理好资源网(原物理ok网)

可是,在威滕之后,历经40多年的时长,能够被全体民众大众普遍知晓的那个名称仿佛就不存在了。大师的缺席,在不少人士看来,好像意味着理论物理学的进展没办法寻觅到全新的突破方向,趋向于停滞。rAK物理好资源网(原物理ok网)

物理研究向纵深发展rAK物理好资源网(原物理ok网)

——任何科学本身有其发展客观规律rAK物理好资源网(原物理ok网)

近些年来,大众对于这一问题的关注程度日益提升,曾经有人发出了“物理学没有突破”这样的感慨,然而事实真的是这样的情况吗?rAK物理好资源网(原物理ok网)

二十世纪初物理学家rAK物理好资源网(原物理ok网)

蔡荣根解释,现在理论物理研究是在既有成果基础上不断向前推进的,只是类似量子力学、相对论那样彻底改变人们世界观的突破确实不存在。尽管从人类历史发展演进角度看起步网校,科技在过去100到200年间呈加速度持续发展,但是并不能因此要求理论物理的发展与之同步。因为任何科学自身有其发展客观规律。rAK物理好资源网(原物理ok网)

“最近二三十年间,从诺贝尔奖的颁发情形能够看出,物理学有了还算显著的进展。像是以往百年前爱因斯坦于广义相对论里的某些预测,一直到2016年发现引力波才得到了证实。诸如此类的事例都表明物理学依旧在大步迈进。在中国人民大学科技哲学专业担任副教授的马建波看来,物理学具有根本性的理论变革常常关乎人类对于宇宙的认知方式,原本就是颇为艰难的事情,绝对不可能始终保持快速发展。”。rAK物理好资源网(原物理ok网)

针对基础科学而言,理论层面的突破怎样去获取呢?积累是不可或缺的。蔡荣根说道:“当旧有的理论没办法对新的实验结果作出解释时,新的理 论便会被提出来。 “。rAK物理好资源网(原物理ok网)

19世纪的末尾阶段以及20世纪刚开始的时候,在那个时期很多物理学家都认为,以伽利略以及牛顿等人作为代表的经典物理学这样一座大厦,已然是非常完美地被建构起来了,只是呢,天空当中还飘浮着“两朵乌云”,也就是黑体辐射方面的问题,还有迈克尔逊 - 莫雷实验方面的问题,这些问题难以获得经典物理学的解释,随后,其中有一朵“乌云”发展演变成了相对论,另外一朵“乌云”发展变成了量子力学,以此让经典物理学的根基出现了动摇。rAK物理好资源网(原物理ok网)

当下的物理学界面临着旧理论无法解释某些新现象的问题,这情形与百年前遇到的类似,马建波觉得,不管是相对论,还是量子力学,从理论自身来讲,内部还有不少地方需要完善。rAK物理好资源网(原物理ok网)

蔡荣根进行举例,说道,像我们平常所讲的“暗物质”“暗能量”,被称作是“笼罩在21世纪物理学上空的两朵乌云”,要是在这两个问题方面取得突破,那么就会对我们对于客观世界的认识,以及对于物理学规律的认识造成巨大影响,就会形成基础物理学新的突破。rAK物理好资源网(原物理ok网)

但这种突破必定会比先前更为艰难。“这便寄望于我们的实验以及观测了。物理是一门实验科学,需要通过实验与观测去积累数量日益增多的数据。”蔡荣根说道,“月亮究竟为何围着地球转动、飞机怎样才能够起飞……这些处于常规尺度上的问题都已然弄明白了。然而在更宏观的宇宙尺度方面,在更微观的量子尺度方面,以及在高温高密强磁场条件之下的物理学规律,这些实验所要求的极端条件愈发苛刻,实验极有可能赶不上理论研究的进程。所以理论物理发展遭遇一些困难是属正常的现象。”。rAK物理好资源网(原物理ok网)

蔡荣根从能量的角度举了一个例子。rAK物理好资源网(原物理ok网)

现今,人类所能达到的最高能量,乃是欧洲粒子物理实验室里大型强子对撞机所创下的纪录,此纪录为14TeV左右,也就是14万亿电子伏特。人们已然觉得这是颇高的能量了。然而,粒子物理所要探索的标准,像标志量子引力时代的普朗克能量是,即1019千兆电子伏特,这二者之间还相差十多个数量级。rAK物理好资源网(原物理ok网)

理论物理自有独特之处rAK物理好资源网(原物理ok网)

——不知道突破会在哪里,甚至不知道在哪个方向rAK物理好资源网(原物理ok网)

除了实验遇到的困境之外,理论物理学根本上有其特殊之处。rAK物理好资源网(原物理ok网)

蔡荣根表示,我们进行理论研究,在很大程度上是受好奇心驱使,也就是期望搞明白事物的实质以及发展的规律,像月亮为何围绕地球转动,为何苹果是落到地上,而不是飘向天空,这又有什么现实方面的意义,似乎的确是没有的,理论物理其所追求的是对整个学科范畴、对人类生活带来重大作用的思想理论上。rAK物理好资源网(原物理ok网)

蔡荣根进一步解释,这就意味着我们面对的是一项问题,这项问题具有长期性,这项问题具有基础性,这项问题具有不确定性。理论物理研究与大工程不一样,该项大工程建设天眼FAST,该项大工程发射卫星,该项大工程具有很明确科学目标。这些项目本质上都是工程问题,已经存在被证明行得通的路径,只要研究出我们怎么去走这条路就可以。但在理论物理领域,你可能不知道突破会在哪里,甚至不知道在哪个方向。rAK物理好资源网(原物理ok网)

他列举了暗能量的实例,1998年,科学家察觉到宇宙加速膨胀的现象,将驱动这种膨胀的称作“暗能量”,在历经20多年的验证之后,揭示出这一研究成果的科学家荣获了2011年诺贝尔物理学奖。rAK物理好资源网(原物理ok网)

依据最新的研究情况来看,当前的宇宙之中,仅仅存在着大概5%的普通物质,还有27%的暗物质,至于其余68%的能量组份,是由神秘的暗能量予以提供的。暗能量的实质虽然依旧没有被揭示出来,可是天文观测所获得的证据显示,暗能量布满了整个宇宙,并且除了引力作用之外,暗能量和其他物质不存在任何已知的相互作用。rAK物理好资源网(原物理ok网)

打从1998年起始直至如今,已然过去了20多年之久,科学家依旧在寻觅“暗能量”。何时能够找寻到它,没有任何人知晓。蔡荣根觉得,恰似我们在做题,失败的情形必定占据绝大多数。rAK物理好资源网(原物理ok网)

理论物理学在科研组织模式上也有其与众不同之处。rAK物理好资源网(原物理ok网)

二十世纪初物理学家rAK物理好资源网(原物理ok网)

那由蔡荣根所说的内容是,基础科学研究领域里的突破,全部都是依靠人才来驱动的,是那些顶尖人才摘得突破成果,随后有许多研究者跟着去做,这样便能共同促使学科向前发展。rAK物理好资源网(原物理ok网)

将目光投向尼尔斯·玻尔研究所,此研究所乃是以丹麦那位声名远扬的物理学家玻尔之名来命名的,它的设立目的,在于纪念那位担当哥本哈根学派领军重要角色的人物。在 20 世纪二三十年代的时候,这个研究所摇身一变,成为了原子物理和量子力学研究领域的核心所在,从欧洲各地乃至全球四面八方赶来的物理学家们,都会纷纷来到此地,和玻尔进行深入探讨交流,其中包括薛定谔、海森堡、泡利等这些在物理学界堪称顶尖级别的学者。并且,在这个研究所工作过的物理学家群体当中,有半数以上的人都得到过诺贝尔奖。rAK物理好资源网(原物理ok网)

蔡荣根指出,大家在一起讨问题,表面上东拉西扯地聊,实际上却相互碰撞出思想火花,量子力学的哥本哈根诠释正是在这一时期于这个研究所完成的,相较于大型工程化组织模式,在类似小团体组织模式营造出的自由宽松氛围里,彼此交流讨论,更契合理论物理研究特点。rAK物理好资源网(原物理ok网)

中国理论物理应该怎么发展rAK物理好资源网(原物理ok网)

——冲破深层阻碍,才能取得超越rAK物理好资源网(原物理ok网)

1883年,美国有位著名物理学家,还是美国物理学会首任会长,叫亨利·奥古斯特·罗兰,他在美国科学促进会的年会上,做了一场题为《为纯科学呼吁》的演讲。他讲了这样一番话:为了应用科学,科学本身得先存在才行。要是我们停下科学的进步脚步,只一门心思关注科学的应用,那很快就会变得像中国人那样,多少代人过去,他们在科学方面没取得什么进展,原因在于他们只是满足于利用科学,却从来没去探究过自己所做之事背后的原理。而这些原理,正是构成纯科学的要素。若干世纪以来,中国人便已晓得火药的应用,要是他们运用正确的方式去探究其特殊应用的原理,那他们在获取众多应用之际,便会发展出化学,甚至还会发展出物理学。只因仅仅满足于火药能爆炸这一事实,却并未寻根究底,故而中国人已然远远落后于世界的进步了。rAK物理好资源网(原物理ok网)

在当下这个时候,中国跟一百多年以前相比较,已然产生了巨大得如同天地翻转一般的改变。在“十三五”这段时期之内,国家对包含理论物理在内的基础科学研究给予了高度地重视,颁布了《关于全面加强基础科学研究的若干意见》,拟订了《加强从‘0到1’基础研究工作方案》,施行《新形势下加强基础研究若干重点举措》。rAK物理好资源网(原物理ok网)

在前五年期间,我国的基础研究经费出现了增长,增长幅度将近一倍,到了2019年时,其数额达到了1336亿元;我国在基础研究方面的投入,每年平均的增长幅度达到了16.9%,这个增长幅度远远高于全社会研发投入的增长幅度。到了2019年,基础研究在全社会研发投入当中所占的比重,首次迎来了6%这一数值。rAK物理好资源网(原物理ok网)

以“中国天眼”底部为视角去看星空,这一画面由中科院国家天文台提供,是在“中国天眼”建设期间所拍摄的。rAK物理好资源网(原物理ok网)

但理论物理仍然面临一些深层的阻碍。rAK物理好资源网(原物理ok网)

认为,自牛顿时代起算,我们之处在于物理学这里整体落后于西方200年,追赶进程尚未全然终结二十世纪初物理学家,我们所需做的是把这200年间西方人所具的关于物理的意识以及认知切实学来,如此才存在实现超越的可能性的,是上海交通大学科学史与科学文化研究院院长、教授李侠。rAK物理好资源网(原物理ok网)

蔡荣根说,不可否认,“科学”的概念跟方法,本身是在西方诞生的。能发现中国人对于科学的理解,跟西方人并非全然一样。纯粹的科学是不存在功利心的,中国传统文化里学以致用、经世哲学等思想,深深印刻在中国人思维中,影响着一代接一代的人们的观念。rAK物理好资源网(原物理ok网)

蔡荣根坦言,当下我国若要将理论物理妥善做好,首先得培育一种重视基础研究、重视理论物理的文化,在科学研究方面要破除传统的、根深蒂固的认知,别动辄就询问“你研究这个有啥用”。rAK物理好资源网(原物理ok网)

因此,他给出建议,要依照理论物理这门学科自身的发展规律,去为科学研究工作者营造出一种自由学术探讨的氛围,构建一套具备符合理论物理学科特性的全新科研组织模式,进而开展理论物理的研究。rAK物理好资源网(原物理ok网)

在如此这般新的组织模式情形之下,仰仗同行评议针对科研人员开展相关评价。科学成果评价其本身是颇具复杂性的一套过程,并且还是一项堪称世界难题的事项。同行评议终究是通行于全世界各地的一种方式,我们也未尝不可去借鉴一番,达成人才评价以及落实成果评价的具备科学性以及正向引导的作用。蔡荣根表态称。rAK物理好资源网(原物理ok网)

在当下国际科技竞争越来越激烈的状况下,不少国家都增加了对基础研究的资金投入,不过理论物理还很需要长期稳定的扶持。按照媒体的报道,俄罗斯最新颁布的2030年科技发展规划表明,需保证基础研究投入在全社会研发投入里的比重不少于2015年的水准(14.4%);英国、美国、法国、日本、韩国这5个国家用于基础研究的经费在其国内研发总投入里占12%至23%;跟这些国家相比较,中国基础研究经费的占比依旧处于比较低的状态。rAK物理好资源网(原物理ok网)

要为基础学科持续稳定地投入,蔡荣根发出呼吁,毕竟,在压力之下天天搞科学研究,是无法取得突破性成就的。rAK物理好资源网(原物理ok网)

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