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为何不再有相对论等重大理论涌现?基础研究停滞了吗?

  为何不再有相对论等重大理论涌现?基础研究停滞了吗?

  前几日接受一个记者采访,问题是:为什么现在没有像上个世纪初那种如相对论、量子力学类的重大理论涌现呢?

  基础研究是发展完备了,还是陷入了一种发展瓶颈?如果不是发展完备了,那么这种放缓是什么原因导致的?

  这确实是一个好问题,也是笔者最近五年一直在思考的问题,借此契机,不妨谈点个人的看法。

相对论

  基础理论的发展是否已经陷入停滞状态了?

  这是一个经常被人们提起但又常被误解的话题,其实这个问题很复杂。

  基于科学哲学的基本理论,笔者认为:以物理学为代表的基础研究仍然处在发展与进步中,只不过这些进步不是颠覆性的进步,而是延续性的进步。

  物理学的整体发展阶段仍处于常规科学时期,换言之,现有的物理学范式仍处于生命的壮年期,并没有遇到太多的反常与危机,这一阶段它的使命就是利用现有的范式去解决更多的难题,而不是颠覆旧范式,那个时代还没有到来。

  梳理科学史的线索,可以清晰发现从牛顿范式的建立(1687)到爱因斯坦范式的建立(1905)人类足足等了218年,这期间有无数科学家在牛顿范式下工作,也取得了很多杰出的成就,但是没有哪个人的声望可以超越牛顿,牛顿范式只是到了19世纪末才真正遇到挑战(物理学天空出现两朵乌云);

  现代的物理学范式从创立到现在也不过100多年的时间,远没有到理论生命的枯萎期,利用这个范式人类在过去的一个世纪里取得了无数伟大的成就,到目前为止该范式还没有遇到有分量的反常与危机。

  因此,现代物理学的进步仍有很大的发展空间,并没有达到所谓的瓶颈阶段。

  那么是什么原因导致物理理论发展看起来放慢了脚步呢?笔者认为,造成这种认知错觉的原因有两个

  其一,每一次科学革命过后,新范式带来的科学研究空间都以指数级别扩大,如同天文学从太阳系扩展到银河系后面临的情况。研究领域扩大的两个证据是:

  1、成果的指数级增长。根据美国科学计量学家普赖斯(Derek John de SollaPrice,1922-1983)的观点,近代以来,科技文献按指数规模增长(后期增长率会变小)。

  如果把文献数量的大幅增加与学术空间的扩大联系起来,我们就可以提出一个假设:即每一次科学革命过后,其学术空间的增长也是按照指数增长的。

  如果这个假设成立的话,那么,20世纪初物理学革命之后所释放的学术空间范围,相比于牛顿革命时代的学术空间范围是指数级别的增长,我么不妨看看20世纪初物理学的研究范围和今天相比是非常狭窄的,那时的物理学研究基本集中在原子核物理与统计热力学等少数领域。

  当下按照最新的《国标学科分类》(GB/T 13745—2008)来看,物理学作为一级学科,下设16个二级学科,108个三级学科。

  从这个意义上说,当下物理学的研究空间与100年前相比扩大了几十倍,换言之,在当代物理学范式下仍有很多领域亟需深耕,物理学理论的世界远没有到无事可做甚至可以马放南山的阶段,由于这些研究都是在现有范式内的工作,所以很难出现颠覆性理论。

  2、计算能力的指数级增长。根据摩尔定律,每隔12-18个月,计算机的处理性能就会翻一翻,而价格不变。

  简言之,当下人类的计算能力每两年翻一番,即便如此,仍有很多科学问题亟待解决,这同样间接证明物理学的研究空间极其巨大,在如此强大算力的加持下,仍然还有无数的工作尚未开展就是明证。

  其二,科学家人数增长的优势被巨大的研究空间分流了,导致重大成果出现的可能性并没有显著提高

  现代物理学家的数量比牛顿以来至20世纪中叶所有物理学家的数量总合还要多,为什么这么多人仍没有取得具有革命意义的颠覆性重大理论突破呢?

  不是现代物理学家不聪明,而是因为现代物理学领域呈现出高度的专业细分现象,导致庞大数量的物理学家被众多细分的研究领域所分流,从而导致研究能力与强度被稀释。

  这些细分的领域几乎都是全新的领域,仍处于现代物理学范式之下,起步较晚,导致研究还没有真正触及到新范式的边界,就如同水手在茫茫大海上航行,走了很久仍没有看到陆地,然后就开始怀疑自己是否还在前进,同理,从直观上我们感觉当下物理学的进展放缓了,其实它仍在快速进步中,放缓只是人类认知错觉造成的误判结果而已。

  关于基础研究与人才集聚的问题,人们经常拿一幅著名照片来说事,即1927年10月第五次索尔维会议的合影,照片里包括爱因斯坦、居里夫人、普朗克、玻尔、玻恩、薛定谔等几十位物理学大咖齐聚。为什么那个时期能够产生如此多的科学大咖,而今天却很少见了呢?

  这是一个典型的时态错置问题。

  上个世纪20年代正是现代物理学革命建立新范式时期,在新范式确立的初期,整个物理学空间在新范式的探照灯下到处都是未开垦的学术荒地,机会多多,而历史的吊诡之处在于,恰好那个时期,这些最聪明的大脑都把目光投向了这块未开垦之地,而且领域高度趋同,没有产生智力分流现象,结果形成了研究能力与智慧的高度聚焦,从而产生了众多丰硕的成果

  革命时期自然会以英雄来注释那个时代,而和平时期英雄会以另一种方式呈现,那个时候有爱因斯坦、薛定谔,而我们这个时代有比尔•盖茨、乔布斯、马斯克。你能说当代这些人不是英雄吗?

  这几年全社会形成的一个共识就是加强基础研究,那么基础研究到底有什么用?

  抛开美国政策专家布什关于基础研究的线性模型不谈,即基础研究促进技术发展然后带来产业振兴的线性知识转化链条,仅从研究本身而言,基础研究为所有科技活动提供了基础规范与认知基准线。我们还是以物理学为例。

  物理学一直是科学版图中发展最充分也最成熟的学科,它也是人类智力得到最为彰显的领域。

  物理学的成就为所有科学研究树立了一种行业典范,以及人类智慧成果的最佳知识样本(势能最高)。

  物理学的发展水平代表了一个国家在自然科学领域的认知高度,它的发展状况直接决定了该国认知短板的位置所在。

  最后,聊几句中国基础研究的现状与改革路径问题

  客观地说,近代科学(尤其是基础研究)是西方的舶来品,我们与西方在起点处就存在很大差距。

  从科学史角度来看,如果说哥白尼1543年发表《天体运行论》标志着近代科学革命的号角已经吹响,到1642年伽利略去世,可以看做是第一次科学革命的大幕已经拉开,到1687年牛顿发表《自然哲学之数学原理》标志着第一次科学革命的真正完成,那么同期的中国正经历从明末到清初的社会剧烈变革时期,整个社会的认知基准线急剧下降,即便从牛顿时代算起,我们在基础研究理念上整体落后西方300年,这个判断应该没有多大出入。

  从十九世纪末开始的这个追赶过程到目前为止还没有完全结束,我们还需要花时间把西方近300年间关于物理的意识与认知真正学来,然后才有可能实现超越,现在仍然处于学习阶段,毕竟从知道到理解还有很长的认知鸿沟需要跨越,这种跨越既需要知识的积累,也需要天才的涌现。

  当下最需要做的就是营造良好的科研环境,让科学家们静下心来,心无旁骛地去思考万物背后的道理,假以时日,这份安静自然会获得惊喜的回报。

  基础研究就是一个国家进行科研活动的知识银行,也是推进科技事业必须修炼的基本内功,全世界概莫能外,在这个领域我们仍在路上。

  (作者单位:上海交通大学科学史与科学文化研究院)

来源:中国科学报微信公众号 李侠
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