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第五屆索爾維會議上物理“大神”們的合影。資料圖片

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這段歷史要從其最閃耀的一刻說起。

1927年10月，第五屆索爾維會議在比利時布魯塞爾召開，29名物理學(xué)家以“電子與光子”為主題展開討論。愛因斯坦、普朗克、薛定鄂等大師云集。會議舉行期間，他們留下一張合影，留給世人“神仙聚會”般的豪華記憶。

當然，成為經(jīng)典的，還有這次會議上玻爾與愛因斯坦關(guān)于量子的著名爭辯。持續(xù)了數(shù)十年的“玻爾-愛因斯坦論戰(zhàn)”成為量子理論發(fā)展史上的重要轉(zhuǎn)折點。此后，量子理論逐漸成長為現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基石之一。

另一基石，正是人們耳熟能詳?shù)南鄬φ摗Ｓ绕涫窃?919年英國天文學(xué)家愛丁頓完成日全食實驗后，愛因斯坦提出的廣義相對論“一戰(zhàn)成名”。

與那個輝煌的時代相比，今天的理論物理多少顯得有點乏味——大師鳳毛麟角，缺乏顛覆性理論創(chuàng)新。人們不禁要問：物理理論的發(fā)展已經(jīng)完備了嗎？現(xiàn)代物理學(xué)發(fā)展放緩了嗎？

遠去的大師時代

20世紀被稱為物理學(xué)的世紀。“相對論和量子論，是20世紀的兩大物理學(xué)成就，現(xiàn)在幾乎所有的科學(xué)技術(shù)，都是基于這兩大理論發(fā)展起來的。”中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院理論物理研究所研究員蔡榮根說，量子論的出現(xiàn)徹底改變了人類的世界觀，大大豐富了我們對于客觀世界的認識，半導(dǎo)體、激光，以及現(xiàn)在的量子計算等前沿技術(shù)，都是在這個基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。“相對論就更不用說了，改變了我們對時間、空間，乃至整個宇宙的認識，像現(xiàn)在發(fā)射衛(wèi)星，未來的星際旅行等，都離不開相對論的指導(dǎo)”。

20世紀初期誕生的相對論和量子論，為我們帶來了極大的震撼，也讓物理和物理學(xué)家成為備受關(guān)注的對象。

“那幅合影反映的那個時代就很典型。”蔡榮根說，那時，因為相對論、量子論剛剛誕生，有許多重要問題大家還沒有弄明白，空白比較多，“夸張點說，你只要解出一個量子力學(xué)的題目，就可以成為著名科學(xué)家。”

隨著科學(xué)家對理論認識的逐漸深入，學(xué)科發(fā)展也向縱深發(fā)展，相繼提出了量子場論、楊-米爾斯規(guī)范場論、弦理論和超弦理論，以及被霍金評價為“可能是解釋宇宙本原的終極理論”的M理論。這些理論的主要研究者也被學(xué)術(shù)界公認為旗幟性人物。

“如果說20世紀五六十年代是楊振寧先生和李政道先生的時代，那70年代就是荷蘭物理學(xué)家特·豪夫特的時代，到了80年代，則是美國物理學(xué)家愛德華·威滕的時代。”蔡榮根回憶，自己年輕求學(xué)時，和很多從事理論物理研究的同學(xué)一樣，都將威滕——這位公認的“全世界最聰明的頭腦”視為偶像，“威滕是提出M理論的大師。他當時做什么研究，我們就會跟著做什么研究。”

然而，在威滕之后，40多年的時間里，能夠被全民普遍知曉的名字好像就沒有了。大師的缺席在不少人看來，似乎意味著理論物理學(xué)的發(fā)展無法找到新的突破方向，趨于停滯。

物理研究向縱深發(fā)展

——任何科學(xué)本身有其發(fā)展客觀規(guī)律

近些年，大眾越來越關(guān)注這一問題，有人發(fā)出“物理學(xué)沒有突破”的感慨。事實果真如此嗎？

“現(xiàn)在理論物理研究正在既有成果基礎(chǔ)上，不斷向前推進，只是類似量子力學(xué)、相對論這樣徹底改變?nèi)藗兪澜缬^的突破，確實是沒有的。”蔡榮根解釋，盡管從人類歷史的發(fā)展演進角度看，科技在過去100到200年間呈加速度持續(xù)發(fā)展，但并不能因此要求理論物理的發(fā)展也與之同步。“任何科學(xué)本身有其發(fā)展客觀規(guī)律”。

“最近二三十年，從諾貝爾獎的頒發(fā)就可以看出，物理學(xué)取得了一些長足的進步。比如，百年前愛因斯坦在廣義相對論中的某些預(yù)言，要到2016年引力波的發(fā)現(xiàn)才得以印證。類似的例子都體現(xiàn)出物理學(xué)仍然闊步向前。”在中國人民大學(xué)科技哲學(xué)專業(yè)副教授馬建波看來，“物理學(xué)根本性的理論變革往往涉及人類對宇宙的認識方式，本來就是比較困難的事情，不可能一直快速發(fā)展。”

對于基礎(chǔ)科學(xué)來說，理論上的突破如何取得呢？積累是必須的。“當舊的理論無法解釋新的實驗結(jié)果，新的理論就會提出來。”蔡榮根說。

19世紀末20世紀初，當時很多物理學(xué)家覺得以伽利略、牛頓為代表的經(jīng)典物理學(xué)大廈已經(jīng)完美地建構(gòu)起來，只不過天空中還飄著“兩朵烏云”——黑體輻射問題與邁克爾遜-莫雷實驗問題無法得到經(jīng)典物理學(xué)的解釋。后來，其中一朵發(fā)展成為相對論，另一朵發(fā)展成為量子力學(xué)，進而動搖了經(jīng)典物理學(xué)的根基。

與百年前遇到的情形類似，當下的物理學(xué)界也面臨著舊理論無法解釋某些新現(xiàn)象的問題。馬建波認為，不管是相對論還是量子力學(xué)，從理論本身來講，內(nèi)部還有不少地方需要完善。

蔡榮根舉例：“比如我們常說的‘暗物質(zhì)’‘暗能量’，就被稱為‘籠罩在21世紀物理學(xué)上空的兩朵烏云’。如果在這兩個問題上取得突破的話，那么就會對我們之于客觀世界的認識，以及物理學(xué)規(guī)律的認識產(chǎn)生巨大影響，就會形成基礎(chǔ)物理學(xué)新的突破。”

但這種突破必將比此前艱難。“這就寄希望于我們的實驗與觀測了。物理是一門實驗科學(xué)，需要實驗與觀測積累越來越多的數(shù)據(jù)。”蔡榮根表示，“月亮為什么圍著地球轉(zhuǎn)、飛機如何才能起飛……這些常規(guī)尺度上的問題都已經(jīng)弄清楚了。但更宏觀宇宙尺度上的，更微觀量子尺度上的，還有高溫高密強磁場條件下的物理學(xué)規(guī)律，這些實驗要求的極端條件越來越苛刻，實驗很可能跟不上理論研究的步伐。因此理論物理發(fā)展遇到一些困難是正常的現(xiàn)象。

蔡榮根從能量的角度舉了一個例子。

現(xiàn)在人類能夠達到的最高的能量，就是歐洲粒子物理實驗室里大型強子對撞機創(chuàng)下的紀錄——14TeV左右，即14萬億電子伏特。“人們已經(jīng)覺得這是很高的能量了。但是粒子物理要探索的標準，如標志量子引力時代的普朗克能量是1019Gev，即1019千兆電子伏特，二者之間還相差十多個數(shù)量級。”

理論物理自有獨特之處

——不知道突破會在哪里，甚至不知道在哪個方向

除了實驗遇到的困境之外，理論物理學(xué)根本上有其特殊之處。

“我們從事理論研究，很大程度上是好奇心驅(qū)動，就是希望弄清楚事物的本質(zhì)與發(fā)展規(guī)律。比如月亮為啥繞著地球轉(zhuǎn)？為什么蘋果是落地了，而不飄到天上去？這有什么現(xiàn)實意義，好像確實沒有。”蔡榮根說，理論物理追求的是對整個學(xué)科領(lǐng)域、對人類生活產(chǎn)生重大影響的思想理論。

“這就意味著我們面對的是一項具有長期性、基礎(chǔ)性、不確定性的問題。”蔡榮根進一步解釋，理論物理研究與具有很明確科學(xué)目標的大工程——建設(shè)天眼FAST、發(fā)射衛(wèi)星不一樣。這些項目本質(zhì)上都是工程問題。已經(jīng)存在被證明行得通的路徑，只要研究出我們怎么去走這條路就可以。“但在理論物理領(lǐng)域，你可能不知道突破會在哪里，甚至不知道在哪個方向”。

他舉了暗能量的例子。1998年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了宇宙加速膨脹現(xiàn)象，驅(qū)動膨脹的被稱為“暗能量”。經(jīng)過20多年的驗證后，發(fā)現(xiàn)這一研究成果的科學(xué)家也被授予2011年諾貝爾物理學(xué)獎。

根據(jù)最新研究，目前的宇宙中只存在5%左右的普通物質(zhì)以及27%的暗物質(zhì)，其余68%的能量組份則由神秘的暗能量提供。暗能量的本質(zhì)雖仍未被揭示，但天文觀測證據(jù)表明，暗能量充滿宇宙，且除引力作用之外，暗能量與其他物質(zhì)不存在任何已知的相互作用。

“從1998年到現(xiàn)在，已經(jīng)20多年過去了，科學(xué)家還在尋找‘暗能量’。什么時候能夠找到，沒人知道。”蔡榮根認為，“就像我們做題，失敗的時候肯定占絕大多數(shù)。”

理論物理學(xué)在科研組織模式上也有其與眾不同之處。

“基礎(chǔ)科學(xué)研究的突破，都是人才驅(qū)動的。這些頂尖人才取得突破，然后很多研究者跟進，可以一起去推動學(xué)科的發(fā)展。”蔡榮根說。

以尼爾斯·玻爾研究所為例，該研究所以丹麥著名物理學(xué)家玻爾的名字命名，旨在紀念這位哥本哈根學(xué)派領(lǐng)軍人物。20世紀二三十年代，該所成為原子物理和量子力學(xué)研究的中心，來自歐洲各地甚至全球的物理學(xué)家都會來到這里與玻爾論道，包括薛定諤、海森堡、泡利等物理學(xué)界的頂尖學(xué)者。而在這里工作過的物理學(xué)家，半數(shù)以上都獲得過諾貝爾獎。

“大家在一起討論問題，看似天馬行空地聊，卻相互碰撞出思想的火花——量子力學(xué)的哥本哈根詮釋正是這一時期在這個研究所完成的。”蔡榮根指出，相比大型工程化的組織模式，在一種自由寬松的氛圍里，由一種類似小團體的組織模式組織起來，互相交流討論，更符合理論物理研究的特點。

中國理論物理應(yīng)該怎么發(fā)展

——沖破深層阻礙，才能取得超越

1883年，美國著名物理學(xué)家、美國物理學(xué)會首任會長亨利·奧古斯特·羅蘭在美國科學(xué)促進會年會上做了題為《為純科學(xué)呼吁》的演講。他這樣說：為了應(yīng)用科學(xué)，科學(xué)本身必須存在。假如我們停止科學(xué)的進步而只留意科學(xué)的應(yīng)用，我們很快就會退化成中國人那樣，多少代人以來他們（在科學(xué)上）都沒有什么進步，因為他們只滿足于科學(xué)的應(yīng)用，卻從來沒有追問過他們所做事情中的原理。這些原理就構(gòu)成了純科學(xué)。中國人知道火藥的應(yīng)用已經(jīng)若干世紀，如果他們用正確的方法探索其特殊應(yīng)用的原理，他們就會在獲得眾多應(yīng)用的同時發(fā)展出化學(xué)，甚至物理學(xué)。因為只滿足于火藥能爆炸的事實，而沒有尋根問底，中國人已經(jīng)遠遠落后于世界的進步。

當下中國與一百多年前相比，已發(fā)生了翻天覆地的變化。“十三五”期間，國家高度重視包括理論物理在內(nèi)的基礎(chǔ)科學(xué)研究，出臺《關(guān)于全面加強基礎(chǔ)科學(xué)研究的若干意見》，制定《加強從‘0到1’基礎(chǔ)研究工作方案》，實施《新形勢下加強基礎(chǔ)研究若干重點舉措》。

過去五年，我國基礎(chǔ)研究經(jīng)費增長近一倍，2019年達到1336億元；我國基礎(chǔ)研究投入年均增幅達16.9%，大大高于全社會研發(fā)投入的增幅。2019年的基礎(chǔ)研究占全社會研發(fā)投入比重首次達到6%。

但理論物理仍然面臨一些深層的阻礙。

上海交通大學(xué)科學(xué)史與科學(xué)文化研究院院長、教授李俠認為，自牛頓時代算起，我們在物理學(xué)上整體落后西方200年，追趕過程還沒有完全結(jié)束，我們需要把這200年間西方人關(guān)于物理的意識與認知真正學(xué)來，才有可能實現(xiàn)超越。

“不可否認，‘科學(xué)’的概念與方法，本身就誕生在西方。中國人對科學(xué)的理解，與西方人并不完全一致。”蔡榮根說，純粹的科學(xué)是沒有功利心的，而中國傳統(tǒng)文化中學(xué)以致用、經(jīng)世哲學(xué)等思想，深深地刻印在中國人的思維里，影響著一代又一代人的觀念。

“現(xiàn)在我們國家要想把理論物理做好，首先就要培養(yǎng)一種重視基礎(chǔ)研究、重視理論物理的文化，要在科學(xué)研究上打破傳統(tǒng)的根深蒂固的認識，不要動不動就問‘你研究這個有啥用’。”蔡榮根坦言。

因此，他建議，要遵循理論物理學(xué)科本身的發(fā)展規(guī)律，為科學(xué)研究人員創(chuàng)造一種自由學(xué)術(shù)討論的氛圍，建立具有符合理論物理學(xué)科特性的新的科研組織模式，開展理論物理的研究。

在這種新的組織模式下，借助同行評議對科研人員進行評價。“科學(xué)成果評價本身是一個很復(fù)雜的過程，也是一個世界難題。同行評議畢竟是世界通行的方式，我們也不妨借鑒一下，實現(xiàn)人才評價、成果評價的科學(xué)、正向引導(dǎo)作用。”蔡榮根說。

理論物理還需要長期穩(wěn)定的支持。在國際科技競爭日趨激烈的當下，不少國家都加大了對基礎(chǔ)研究的經(jīng)費投入。據(jù)媒體報道，俄羅斯最新出臺的2030年科技發(fā)展規(guī)劃提出，要確保基礎(chǔ)研究投入占全社會研發(fā)投入比重不低于2015年的水平（14.4%）；英國、美國、法國、日本、韓國等5個國家用于基礎(chǔ)研究經(jīng)費占其國內(nèi)研發(fā)總投入12%~23%；與這些國家比較，中國基礎(chǔ)研究經(jīng)費占比仍然偏低。

蔡榮根呼吁，為基礎(chǔ)學(xué)科提供更加穩(wěn)定持續(xù)的投入，“畢竟，天天在壓力下做科學(xué)研究，是做不出突破性成果的。”

（記者 徐暢）