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为什么很多人认为物理研究已接近极限?

回答
很多人认为物理研究已接近极限,这个观点并非空穴来风,而是源于对当前物理学发展现状、理论框架的局限性以及一些前沿问题的深刻思考。要详细解释这一点,我们需要从几个关键方面入手:

一、现有理论框架的成功与挑战:标准模型的困境

标准模型的辉煌成就: 当前粒子物理学的基石是粒子物理标准模型,它成功地描述了电磁力、弱核力和强核力这三种基本相互作用,以及构成物质的基本粒子(如夸克、轻子)和传递这些力的规范玻色子(如光子、W/Z玻色子、胶子)。电子、质子、中子的存在,原子结构,化学反应的根源,甚至恒星的能源都可以在很大程度上用标准模型来解释。它预测的粒子(如希格斯玻色子)已被实验证实,其精确度令人惊叹。
但标准模型并非终极理论: 尽管标准模型取得了巨大成功,但它存在明显的“不完整”之处,这些缺陷是导致“接近极限”论调的重要原因:
引力缺失: 标准模型无法纳入描述引力的广义相对论。引力是一种基本相互作用,但它在标准模型中没有对应的粒子或数学框架。如何将广义相对论与量子场论统一起来,是现代物理学最大的挑战之一,也标志着我们对宇宙基本规律的理解存在一个巨大的鸿沟。
暗物质与暗能量: 宇宙的绝大部分(约95%)是由我们目前无法直接观测到的暗物质和暗能量组成的。标准模型中的粒子无法解释暗物质的性质,更不用说暗能量了。这表明我们的粒子清单还远远不够,存在着未知领域。
中微子质量问题: 标准模型最初认为中微子是没有质量的,但实验已经证明中微子具有微小的质量,并且会发生振荡。这需要对标准模型进行修正或扩展,例如引入新的中微子模型(如跷跷板机制)。
物质反物质不对称性: 宇宙大爆炸应该产生等量的物质和反物质,但我们看到的是一个绝大多数由物质构成的宇宙。标准模型中的CP破坏机制不足以解释如此显著的物质反物质不对称性,这暗示着更深层次的物理学机制。
层级问题(Hierarchy Problem): 希格斯玻色子的质量之所以相对较小,需要“微调”来抵抗来自高能物理界的巨大量子修正,这是一个被称为层级问题的难题。许多理论家认为这表明存在新的物理学,可能在非常高的能量尺度(如TeV尺度)有新的粒子或对称性,如超对称性(SUSY)。
宇宙学常数问题: 量子场论对真空能的预测值比观测到的宇宙学常数(暗能量密度的表现)高出约120个数量级,这是一个巨大的理论困境,表明我们对真空本质和引力/量子力学相互作用的理解存在根本性问题。

二、实验探索的瓶颈与高昂成本

能量尺度的提升越来越困难: 物理学家倾向于在更高的能量尺度上去发现新粒子和新现象,因为根据量子场论,高能意味着更小的尺度。粒子加速器的能量越高,就越能模拟早期宇宙的极端条件,从而探测到更基本或更重的粒子。
成本指数级增长: 然而,建造和运行粒子加速器的成本是巨大的,并且随着能量需求的提升,成本呈指数级增长。大型强子对撞机(LHC)耗资数百亿美元,其升级计划也需要巨额投资。未来可能需要能量更高的加速器,但能否获得如此巨额的公共或私人资金是一个巨大的疑问。
技术限制: 建造更高能量的加速器也面临着技术上的挑战,例如需要更强大的磁铁、更精确的控制系统以及更有效的能量传输方式。
探测精度的极限: 即使不追求更高的能量,提高现有探测器的精度也同样困难。要探测到极其微弱的信号(如暗物质粒子或引力波的微弱扰动),需要越来越灵敏的探测器,这同样意味着高昂的成本和复杂的技术难题。
“发现”的减少: 相对而言,在过去几十年里,基于标准模型的“基本粒子”的发现已经相对减少。虽然希格斯玻色子的发现是一项里程碑,但它也似乎将标准模型推向了一个相对“完整”但同时又充满疑问的状态。

三、理论创新的难度与路径迷失

缺乏直接的实验证据引导: 标准模型的成功使得理论家在探索新物理学时,往往需要依赖数学上的优雅性、对称性以及对已知理论的推演,而缺乏强有力的、直接的实验数据来指引方向。当理论变得越来越抽象和复杂时,与实验脱节的风险也随之增加。
竞争理论的困境: 尽管有许多理论试图解决标准模型的不足,但大多数理论(如超对称性、弦理论、圈量子引力等)都尚未得到实验的直接证实。
超对称性(SUSY): 曾是解决层级问题和统一基本力的热门候选理论,但LHC的实验结果并未发现预期中的超对称粒子,这使得超对称性的存在变得不确定,或需要调整参数范围。
弦理论/M理论: 是一个非常有前景的统一理论框架,试图统一所有基本粒子和相互作用,并可能解释引力。但弦理论预测的能量尺度可能非常高(普朗克尺度),远超现有加速器能力所及,其预测的粒子或效应也极其难以探测。它还存在大量可能的数学解,使得具体预测变得困难。
圈量子引力(Loop Quantum Gravity): 试图对时空进行量子化,是另一条解决引力量子化问题的路径,但它也面临着与实验连接的困难。
大数据时代的挑战: 虽然我们收集了海量的实验数据,但如何从中有效地提取出微弱的、指向新物理的信号,本身就是一个巨大的挑战。需要更先进的分析技术和更深刻的理论洞察力。

四、基础物理问题的“沉寂”与“共识”的缺失

概念上的困境: 一些最根本的物理问题,例如时空的本质是什么?什么是“实在”?量子力学是如何运作的?这些问题可能已经触及了我们认知能力的边界,或者需要革命性的概念转变,而不仅仅是方程的修正或新粒子的发现。
研究方向的分化与“共识”的模糊: 由于缺乏明确的实验指引,物理学界在研究方向上存在一定的分化。理论物理学家可能在各自的抽象框架中探索,而实验物理学家则在现有框架下进行更精确的测量或寻找特定“信号”。这种分化使得形成统一的研究方向和“下一个重大发现”的共识变得更加困难。

总结来说,认为物理研究已接近极限,并非意味着物理学已经“没有东西可研究了”,而是指出:

现有的理论框架(标准模型)虽然极其成功,但存在无法解释的巨大漏洞,暗示着更深层次的物理规律尚未被发现。
探索这些新物理学的实验手段正面临着越来越高的技术和成本门槛,以及寻找关键线索的困难。
理论研究在缺乏直接实验证据的情况下,面临着概念上的迷失和数学上的复杂性,以及多条理论路径都尚未被证实。
一些最基础的物理问题可能需要颠覆性的思维方式,而非渐进式的科学进展。

这种“接近极限”的感觉,是一种对当前物理学所处阶段的深刻反思,也是对未来突破的期待。它激励着科学家们去寻找新的理论框架、设计更精巧的实验,并保持开放的思维来面对宇宙未知的奥秘。它不是绝望,而是一种对挑战的认知和对突破的渴望。

网友意见

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因为有些人刚出新手村,就要去打大boss。发现打不过以后产生了两种反应,一拨人表示物理药丸啊药丸,另一拨人表示做人没有理想和咸鱼有什么区别,几千亿的对撞机,咬碎了牙也要造给你看。

然而稍有常识的人都知道,打不过boss你就去练级啊!以人类现在对能量的利用水平,连母星上气温升高个0.5度都控制不了,离I型文明都还差得远。不如说物理研究的能标能怼到这个地步已经超乎想象了。

与其大呼药丸或者硬提能标,还不如先把可控核聚变搞了,到时候发电量提高几个数量级,所有行业都能前进一大步,对撞机的能标自然就上去了。

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其实不是物理研究到了极限,科学研究是无止尽的。而是研究的投入/产出比达到了社会承受的极限。别说研究纯科学不求回报,我们这么说的意思是不求短期回报,后面往往还要加两个几十上百年以后产生回报的例子不是?现在的科学研究,一方面是资金和人力投入巨大,今天一台lhc几万十几万人经常被批评成果不够多。他们做的不好么?并不是。而是理论和实验发展到今天这个水平,这么点投入其实是不够的。物理理论的“能标”在这100年里推进了不知道多少个数量级,然而人类社会的“能标”呢?100年前虽然全国大部分人都在吃土,但是你两个“民国大师”玩玩几千块钱的迈克尔逊干涉仪没人反对。今天你要花上千亿建cepc, 然而中国还是有几千万人没脱贫,怎么能不挨骂?可以说不止是在中国,对于这个物理学界“现实的引力”都太强了。花钱越来越多,结果却越来越“不接地气”,这个才是最大的问题。这个锅不应该物理学来背,相反,应该说是社会发展的缓慢拖了物理学的后腿。

原答案:学生就业难,博后找教职难,教授申经费难,大把大把的人才改行金融计算机,现有的经费早就已经到达极限了,你看探寻世界本质这么崇高的终极理想都快坚持不下去了,各位金主大爷们赶紧赏俩子儿吧!就是这个意思。

最后多扯几句,其实不是物理研究到了极限,科学研究是无止尽的。而是研究的投入/产出比达到了社会承受的极限。别说研究纯科学不求回报

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必须祭出物理学的一些重大的未解之谜:


1、引力的量子理论是怎样的?我们什么时候会有一个真正的量子引力理论 ?


2、如何解释粒子的质量参数,例如为什么电子与质子相差那么大?是什么决定了质量谱分布?什么决定了粒子的代际问题,如轻子为什么有三代且质量相差巨大?


3、什么决定了4种基本力的大小,为什么引力与电磁力相差倍?


4、为什么组成世界的最基本粒子,轻子、夸克都是费米子?自旋1/2是如何起源的?自旋与质量的起源究竟有什么关系?


5、宇宙为什么加速扩张?暗能量是什么?是否是量子引力效应?


6、星系自转速度与星系质量的矛盾,是量子引力效应,还是存在有形的暗物质?(5、6又称两朵乌云,但是乌云远不止两朵)


7、四种基本力是统一的吗?如何统一的描述它们?


8、原则上,是否一切基本物理参数可第一原理性的从理论决定,或者这些参数只是宇宙诞生时随机产生的?如果是随机产生的,什么原理维持它们经历137亿年仍然是稳定的?


=============以下是我认为可以合并到上述问题中的问题=========================

9、CPT破坏问题,物质与反物质的不对称问题。为什么我们的宇宙是物质组成的,不是反物质组成的?


10、同位旋近似对称问题;QCD方程可解问题;中微子质量问题............标准模型一切不合理问题。


很多人认为,不代表真理;很多人不承认,也不代表问题不存在。以上只是些大问题,小问题随处一抓一大把。持楼主提到的看法的人,仅仅限于一小撮“高能粒子加速器狂热爱好者”,他们认为粒子加速器能解决一切问题,但是不确定性原理限制了探测越小的尺寸需要越大的能量,因此人类快达到极限了。——但是上面的很多问题,光靠加速器是解决不了的。


人类认识宇宙,有两种极限,一种极限是真的到极限了,另一种极限是“我认为到极限了,不同意的都是民科”。

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非常不能认同投入/产出比之说,科学研究不是工业化生产,投入100产出为0很正常,你非要往产出为0的方向继续投1000,产出仍然为0,最后破罐破摔发脾气说不玩了,不玩你就不玩呗,你玩不起你玩什么,你根本不会嘛,人多钱多就代表你会玩?!那中国早拿足球世界杯冠军了。

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因为视角的问题……井底之蛙建构的宇宙理论再精密,它也不可能描述出陆地上的细节。不实现宇宙旅行,物理学发生飞跃已经不大可能了。

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