物理学和基本定律:必然的真理还是误导的杂音?

罗伯特·奥本海默对物理学的最大贡献是他一生都不想再碰的。1939年,奥本海默和他的学生哈特兰·斯奈德在《物理评论》的同一期上发表了一篇论文,该论文同时刊登了尼尔斯·玻尔和约翰·惠勒关于核裂变机制的开创性文章 [...]

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罗伯特·奥本海默对物理学的最大贡献是他一生都不想再碰的。1939年,奥本海默和他的学生哈特兰·斯奈德在《物理评论》的同一期上发表了一篇论文,该论文同时刊登了尼尔斯·玻尔和约翰·惠勒关于核裂变机制的开创性文章(顺便说一句,该期杂志出版的同一天,德国袭击了波兰)。在短短五页中,奥本海默和斯奈德阐述了我们今天所知的黑洞的基本特征。然后二战爆发了,玻尔-惠勒的论文突然变得非常重要,而奥本海默-斯奈德的论文则被搁置一旁。

战后,广义相对论——直到那时还被认为是前沿科学的边缘学科,更像是数学而非物理学——被欧洲和美国少数几所由约翰·惠勒和丹尼斯·西阿玛等先驱领导的学校重新复兴。奇怪的是,那时,奥本海默已经对这个话题失去了所有兴趣。弗里曼·戴森证实了这一点,他曾多次试图让奥本海默对他在战前关于引力的工作感兴趣。每次这位大师都会转移话题,并且从不表现出对该领域最新进展的丝毫兴趣。为什么奥本海默对一项可能让他获得诺贝尔奖的贡献表现出如此漫不经心的冷漠,如果他活得足够长久看到它被实验验证的话?因为那时,正如戴森所说:

“奥本海默晚年认为,唯一值得严肃理论物理学家关注的问题是发现物理学的基本方程。爱因斯坦当然也有同感。发现正确的方程才是最重要的。一旦你发现了正确的方程,那么对该方程的特殊解的研究将成为二流物理学家或研究生的常规练习。”


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奥本海默和爱因斯坦的观点对历史上许多最伟大的物理学家来说并不陌生。寻找基本定律是物理学家可以从事的最重要的活动;其他一切最好留给较次的人才。我个人厌恶这种态度,但不管好坏,我认为它在整个物理学史上都是默认的事实。

我想起了奥本海默的故事,因为查德·奥泽尔对我的上一篇文章进行了极具洞察力的评论。文章的标题清楚地表明了奥泽尔的观点:“请跟我重复:粒子物理学不是物理学的全部”。他的观点很有道理;粒子物理学家的行为就像他们学科中的伟大问题是唯一真正重要的问题,因此如果这些问题撞到墙上,那么所有的物理学都必须停止运转。当然,这完全是错误的,仅仅基于世界上大多数物理学家的日常工作而言,这些工作与量子色动力学和希格斯玻色子无关。奥泽尔给我们举了一个例子,说明这种观点是少数,他指出美国物理学会人数最多的部门实际上是由凝聚态物理学家组成的。粒子物理学家排名第二,但即便如此

“这个(数字)几乎肯定高估了直接从事万有理论研究的人数。事实上,由于最近的发展(或者更准确地说,缺乏发展)而导致其工作真正陷入危机的物理学家只是一小部分专业物理学家。他们在媒体上的曝光率过高,很大程度上是因为关于多重宇宙的疯狂推测很性感,并为对大麻友好的计算机生成图像提供了很多机会,但如果他们明天都被吸入黑洞(从而彻底解决“防火墙”的争论),整个物理学将几乎没有任何停顿地继续前进。”

关于理论物理学在媒体中被过度代表的观点是我非常赞赏的,尤其是因为我写过一篇文章,哀叹这个事实误导公众认为粒子物理学的问题是该领域唯一令人兴奋的问题。在那篇文章中,我呼吁实验主义者(是的,以及凝聚态专家)在向公众展示他们的科学方面做出更大的努力。

话虽如此,我认为奥泽尔的文章似乎对迄今为止物理学的意义轻描淡写,因此,尽管我同情他的观点,但我怀疑各种各样的物理学家将始终对基本定律抱有偏爱。事实是,即使大多数物理学家自己不研究基本定律,也很难否认,从哲学上讲,物理学的历史在很大程度上是寻找基本定律,这些定律主要以“统一”的名义表现出来。

只要物理学存在,它的从业者就一直在努力寻找不同现象之间的共同点。伽利略发现木星和地球一样有卫星,金星和我们的月球一样有盈亏。牛顿的辉煌成就——推翻了亚里士多德设定的两千年“以太”思想——是证明天体中的物体遵循地球上物体所遵循的相同定律。统一继续成为随后发展的高潮。完全合法的物理学史可以简单地根据关于统一的故事来写,从法拉第和麦克斯韦对电和磁的统一,到温伯格等人对弱力和电磁力的统一。

我们都知道这一切,但统一之所以在物理学家最喜欢的历史时刻中名列前茅,是因为随着统一而来的是简化。而这种简化一直是寻找基本定律的主要组成部分。正如物理学家半开玩笑地说的那样,最基本的定律将是一个写在餐巾纸上的一行方程,它可以解释一切。将两个非常不同现象的两个方程突然浓缩为一个方程,不仅令人非常愉快,而且非常实用。因此,从统一的基本定律中受益的不仅仅是粒子物理学,而是所有类型的物理学家,而且不用说,凝聚态物理学家会像粒子理论家一样珍惜数学中的简化。

例如,从虚无缥缈的领域转向非常实际的领域,人们只需要问问二战期间从事雷达工作的物理学家,他们对麦克斯韦方程组有多么感激。事实是,即使凝聚态物理学家自己不研究基本定律,即使所有世界上的弦理论家明天决定放弃并写存在主义小说,他们的日常工作在很大程度上也不会受到影响,但同样真实的是,每个凝聚态物理学家都已经从基本定律中受益。我怀疑无论凝聚态物理学家的工作是否会量子力学和广义相对论的统一而改变,这种情况仍然成立。

然后是美学和完整性的问题,大多数物理学家都欣赏这些问题,即使它们可能不会影响他们自己的工作。凝聚态物理学家可能相信菲利普·安德森的格言“更多不同”,他们可能同意纯粹的还原论方法无助于他们破解超导性或巨磁阻,但我强烈怀疑他们每个人都暗自希望事实上存在一个直接、简单、基本的推导,可以从夸克的性质推导出陶瓷超导体的性质。仅仅因为从弦理论到您的宠物项目似乎没有合理的途径,并不意味着您不会喜欢找到一个。自从古代社会开始试探性地探索物理现象的解释以来,物理学的目标一直是发现宇宙最基本、统一、相互关联的原理。无论您是否积极参与此类定律的追求,这始终是默认的事实。

因此,我同意奥泽尔的观点,即未能找到量子引力理论通常不会影响寻找更好的拓扑绝缘体或 DNA 镊子。但是,在内心深处,它会向每一种物理学家发出一个令人不安的信息;即从最根本的层面上来说,他们的科学是脱节和不完整的。这样的揭示可能只会剥夺粒子物理学家的工作,但我认为它会给更多的物理学家留下对他们自己工作的深刻不安和不确定感。

更新:Chad Orzel 在他的博客上对我的帖子做出了回应。我同意他的观点,即我们在这个话题的根本层面上似乎没有什么分歧。我自己在之前的文章中多次批评过强还原论的方法,而且作为一名化学家,我理解复杂性可以像简单性一样令人愉悦和重要。

Ashutosh Jogalekar is a chemist interested in the history, philosophy and sociology of science. He is fascinated by the logic of scientific discovery and by the interaction of science with public sentiments and policy. He blogs at The Curious Wavefunction and can be reached at curiouswavefunction@gmail.com.

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