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物理已死吗?

说物理已死是有点情绪化的。

但通过回答这个问题,我们可以讨论下物理学这个学科的历史及最新发展。

物理学是自然科学的典范,物理学研究的主要对象是物质存在的形式及其运动规律,科学的特点是基于实验的定量化研究。

天体的运行及音韵学是最早的物理学。因为在这两个领域,人类是最容易观察到定量规律的,人眼和人耳本身是研究天体运行和音韵学的仪器。

阿特拉斯托举天球,托勒密和哥白尼的理论是天球论发展的顶峰。天球论描述的是一种典型的静态机械世界。

但在古代人类很少有运动变化的概念,所以早期的物理学理论都具有明显的静态特征和几何学的特征,强调比例,但无法描述变化。

从伽利略的时代开始,物理学经历了一次近代化的革命,在这场革命中,物理学家从哲学家群体中分离出来,他们更强调实验,使用望远镜,玻璃真空等科学仪器研究“人造可控”的实验现象,并努力使用方程来描述物理现象。

与古典静态的物理模型不同,这些方程更复杂,并能够描述运动变化,比如牛顿第二定律就是一个二阶常微分方程,比如麦克斯韦方程组是一组包含时间t的偏微分方程组,比如薛定谔方程是个一阶偏微分方程等等。

广义相对论的方程:这可能是最后一个伟大的方程了。

我们今天熟知的最伟大的物理学理论都是由方程来描述的,比如爱因斯坦的广义相对论,比如狄拉克方程,比如麦克斯韦方程组等等。如果要研究这样的物理学,需要你是一位娴熟的应用数学家,但可惜的是能严格求解的方程太少了。

理论上所有的化学问题可归结为对薛定谔方程的求解,但实际上没有几个薛定谔方程是数学上可以解析求解的。这就逼迫我们使用计算的方法,使用模拟的方法来解决这类问题。

所以我们能看到的物理学的一个重要的发展方向是“计算”越来越重要,反正解析也没法做了,干脆编个程序来做,不同程序可比性差,就搞个标准的软件,进而是各种数据库(比如材料基因的数据库)。

再有一个趋势是大量使用数学语言去研究更加抽象的问题,比如惠顿(多译为威腾)等物理学家做的工作已经与数学家无异了。

更数学或更计算,是目前理论物理的两个方向,图为惠顿(Edward Witten)。

这两个趋势使得当代物理学研究的面貌已经距离伽利略,麦克斯韦和爱因斯坦的风格越来越远了,简单说就是方程的重要性降低,计算的重要性上升,我们越来越依赖计算而非物理图像来理解物理。

甚至有的科学家已经在研究用大数据和人工智能的方法来研究物理,这些新的动向将使得今后的物理学研究在方法上越来越远离我们在课堂上所学到的物理学。

从这个角度我不能说物理学已死,但物理学的课程体系及培养方案在未来一定会被调整以适应这些趋势。

传统的用一支笔和一张纸就能进行的物理学研究也许正在死去,就好比今天的实验室也不再是棉线和蜂蜡(*)了一样。


注*:棉线和蜂蜡指的是传统的物理实验室,今天的实验室是昂贵,复杂,标准化且高度自动化的,实验设计和实验操作这些定义传统实验物理学家的标准在今天也是大大被削弱了的。

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