[科普中国]-从“物理学还会有进展吗”这个问题谈起

很多人感觉，最近几十年来，在量子力学和相对论之后，物理学好像没啥新进展，也不会有继续的发展。其实，这是一个错觉，物理学一直在发展，而且是高速发展，之所以给人以这种错觉，是因为各行各业专业化水平越来越高，每个人对自己专业之外的事务，了解的程度不够。物理学不仅还在高速发展，而且还将继续高速发展，还有很多问题有待解决。

近几十年来，很多人期待的“革命性进展“好像从未出现，这也是一种错觉。在近现代科学出现的早期，科学知识还不够多，科学体系还不够完备，出现一点进步，从比例上来看，都是”巨大进步“。当今，科学已经高度发展，科学体系已经相当的庞大。哪怕在科学领域取得一个大的突破，在整个科学体系上来看，也不过增加了极小的一部分。

进入了 21 世纪，物理学是以让人瞠目结舌的速度向前进展。在许多领域内的成就几乎动摇了我们传统的理解。

Higgs(上帝粒子)的确认使标准模型的最后一个砖块放到了它应在的位置，我们可以说为标准模型打上了句号。

然而随着标准模型的完全成功(它的各种预言和迄今为止的所有实验结果在误差范围内高度符合)，数不清的新问题仍然等待回答。首先当然是宇宙中物质不对称性 ( 物质远远多于反物质 ) 的起源，其次，我们所看到的重子物质 (日月星辰和我们周围的一切)只占宇宙物质的4%，那什么是宇宙能量的大头呢？暗物质是这个问题的答案之一，但暗物质是什么，到今天对我们还是个谜！

引力波的发现无疑是物理学中惊天动地的大事，爱因斯坦的广义相对论一百年前就预言它的存在，但是一直没有找到。2016年，美国的 LIGO 实验高精度地测到了两个大黑洞并和时产生的引力波。另外，在南极的BICEP也曾宣布找到原初引力波，虽然他们的数据分析有问题，结果不可信，但研究方向是正确的，工作还在继续。

量子物理已远远超出普朗克时代的认识，它不仅是微观领域研究的基础，而且得到了许多实际应用。20世纪人们已经大量应用量子力学解决具体问题，例如大大提高计算机存储功能等。在21世纪，量子通讯技术和量子计算机的研究都已在世界各研究机构和大学中如火如荼地进行，并已经取得了长足的进展。

这些物理学的最新进展似乎只在物理学家的圈子里传播，讨论和激起他们的热情，鼓励他们继续深入地开展更新的研究。对于非物理学家圈子，则所知不多了。

这些年，特别是21世纪以来，中国科学家取得了举世瞩目的成就，而且正在做物理学中有重大意义的超大型科研项目。在大亚湾中微子实验以超过7倍标准偏差的高精度测量到θ13并不像以前认为的那样小，从而发现和证实了中微子新的震荡模式，即νe↔ντ。这个发现指出有在轻子部分找到CP破坏的可能，这对解决宇宙学中很多难题是有决定性意义的。θ13不为零意味着一些基本对称性的破缺，例如轻子间的μ-τ对称性，也就是轻子间的普适性在一定程度上(这个程度不大)破坏了。这对我们理解粒子物理世界最基本规律很重要。更有意义的是迄今为止，我们只在强子（实际上是介子）层次上找到 CP 破坏，如果θ13严格为零，在轻子部分就不可能存在CP破坏，这对理解宇宙学现象是至关重要的。 “现代物理知识”组织了专刊，既包括了有关中微子的理论文章，又详尽地介绍了大亚湾中微子实验的方方面面，使读者对中微子实验的意义和一些细节有了全面的了解。引力波的发现是科学的重大进展，LIGO的实验是在地面做的，如果能在天上做，就更有说服力。因而中国提出两个方案 “ 天琴 ” 和 “ 太极 ”，分别用定位卫星来捕捉宇宙引力波的信号。“原初引力波”既是检验爱因斯坦的理论又是对宇宙早期暴涨理论的验证，高能所提出的“阿里”项目就是探测此类的引力波，与位于南极的BICEP实验有互补的作用。

这些新的发现和进展，实实在在的证明了物理学还在高速发展。当然，这不仅仅是众多物理学家的功劳，也是全社会的功劳。这些成就没有广大群众的理解和支持，没有各个国家的资助和统筹安排是不可能取得的。

而且，每一项新发现新进展，都不是一个人的功劳，而是众多人一起努力的结果。

现在科学已经高度发达，每一步新进展都要做出大量工作，不是一个人能够完成的。甚至，在这个方向努力工作的人并没有做出直接贡献，只是证明了某一个“此路不通”的失败研究，也是为了科学进步做出了巨大贡献。当然，无论是研究成功取得了新进展，还是研究失败只是证明了“此路不通”，都是需要众多人一起做出众多工作，也是要基于现有的各类基础，包括已有的科学成就、研究工具设备（基于现有科学技术基础制造）、研究资金支持、研究方法（科学方法）和研究指导思想（科学精神）等等。

基于已有的科学成就，就会避免重复工作。除了历史的科学成就，同时代的其他人的成就也是需要被参考的。哪怕是别人的失败研究，也会为现有研究提供经验和教训。另外，纯粹的数学在理解物理规律上有重大作用，例如拓扑，反德西特空间和共形场论(AdS/CFT) 在凝聚态物理和场论等领域的应用都取得了巨大的成功，等等。不要说近几十年来科学已经高度发达，就是近代科学起步之初，万有引力定律的发现，需要开普勒行星运动定律，开普勒的行星运动定律又需要大量的天文观测数据。

研究工具设备的重要性，那应该是众所周知了。没有各类光学电磁学天文望远镜，就无法更好的研究宇宙。没有各类光学电子显微镜，就无法研究微小的生物、微小的物体和微观世界。没有质谱仪，就无法研究围观粒子的质量和电量。没有计算机，就无法对科学实验中的数据进行统计计算，对于有庞大数据的研究无法得到研究结论。当今科学研究，都是需要大量的工具设备支持的。

研究资金支持这个重要性，主要是研究工具设备需要大量资金。同时每一项科学研究都需要大量的专职研究人员工作，需要相当的资金支持。

研究方法也就是科学方法，决定着科学研究的成败。常规的科学方法：首先，应该确定要研究的问题，有了问题，才有了目的和方向。其次，把与要研究问题的不相干现象和因素剔除，可以采用奥卡姆剃刀原则。再次，把所有与问题有关的数据收集起来，进行整理、统计和加工，得出解决问题的假说。然后，通过假说，建立实验模型，进行实验检验，或者寻找支持实验的现实数据。最后，得出实验数据，整理实验数据，进行验证，确认假说的准确性。如果假说正确，则研究成果；假说错误，研究失败。如果研究失败，可以分析失败原因，根据失败研究，重新搜集数据或者重新确立假说，再次开始研究。

研究指导思想——科学精神决定着科学研究的可持续性，没有科学精神，科学研究无法持续，也无法进步和发展。有了科学精神，科学研究才能成为科学行为，科学研究成果才能成为科学知识。有了科学精神，我们才能真正的认识世界，才能使用科学知识改造世界。理性精神（逻辑精神）、实证精神（实践精神）、怀疑精神（批判精神）和探索精神（创新精神）是科学精神的四大支柱，缺一不可。

理性精神是科学能够成为一个完备体系的保证。没有数学语言和数学逻辑，所有的科学研究成果只是散落的知识点和经验，互相无关联，只是死的知识，难以学习，无法活用。更加无法把现有的科学知识扩展到新领域使用。只有真正用数学逻辑把相关科学知识组织起来，形成完备自洽的具体学科的科学体系，这个系统才能够让所有的知识点活起来，才能够有继续发展的可能性，也能够在科学知识应用中获得更大广泛的空间。比如，中国古代在科学技术领域取得了璀璨的成果，众多发现和发明汗牛充栋，但是因为缺乏数学逻辑，没有形成完备自洽的科学体系，没有能够形成真正意义上的科学。

实证精神是科学研究成果的真理性保障。没有经过实证，任何“科学知识”都无法保证准确性，没有准确性的“科学知识”，不能称之为科学，只能是观点。“科学知识”的最终目的也是实践应用，在实践中实现科学知识的价值。同时也在实践中继续验证科学知识的真理性，并且确定具体科学知识的“真理范围’——适用范围，毕竟任何具体的科学知识都有确定的适用范围。没有经过实证和实践的检验的”科学知识“，没有经过实践来确立适用范围，只是观点。

怀疑精神是科学进一步发展的驱动力和保障，只有对现有的科学知识进行批判性学习，才能找出新问题，进而提出新假说，最后通过新的科学研究完成新的科学知识探索，使得科学知识更加准确和精深，我们对世界的认识也会越来越深刻。没有批判和怀疑，科学就会止步不前，现有的科学知识就会成为“宗教教条“。无论对现有的科学知识，还是现有的已经做出巨大成就的科学家，都不能迷信，要有怀疑和批判精神。

探索精神是科学研究领域扩大的驱动力和保障。只有保持高度热情的探索精神创新精神，科学认知的领域会越来越大，我们对世界的认识领域会越来越宽广。没有了探索精神创新精神，我们人类会对整个世界失去兴趣，人类也就无法继续进步，进而可能会导致人类的灭亡。

具体到每一个人，哪怕不从事科学研究，也需要有科学精神，懂得科学方法，同时有一定的科学知识储备。科学精神最重要，科学方法其次，科学知识再次。首先需要有科学精神，然后在做事过程中遵循科学方法，有一定的科学知识储备，可以让我们的生活和工作少犯错少走弯路，工作更加得心应手，生活更加丰富多彩乐趣无穷。

有人会问，科学精神太过形而上，科学方法太过复杂，我只储备多多的科学知识好不好？

当然不好！没有科学精神和科学方法的科学知识只是具体的”观点“。没有科学方法，无法真正认知科学知识。没有科学精神，科学知识没有灵魂无法使用，只是死的知识。

有人会问，科学知识是不是越多越好？

科学知识当然是越多越好。但是每个人的精力是有限的，不可能学到所有的科学知识。有了科学方法和科学精神做保障，有了一定量的科学知识，通过科学方法和科学精神，可以达到举一反三的效果。而且，有了科学方法和科学精神，很多未知领域也可以从容面对。

有人会问，我不学科学知识，只学科学方法和科学精神好不好？

皮之不存，毛将焉附！没有科学知识，科学方法和科学精神都是空中楼阁，变成了纯粹的形而上的内容。

总的来说，我们需要保持着对科学的热爱，保有科学精神，懂得科学方法，储备一定量的科学知识，我们才会在工作中得心应手，生活才会丰富多彩，对这个世界哪怕是陌生领域都无所畏惧。