理论物理的发展历史 物理学的发展史
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物理学是人类现代文明的重要组成部分，它伴随着文明的进步而不断发展，是人类的物质创造和精神思考的成果，同时它强有力地推动了人类文明进一步发展。可以说，物理学是现代人类社会最重要的塑造力量之一，它不仅是各种宏伟的、精密的物质成果的直接基础，而且深刻地影响了人类的哲学观点、政治观点、经济和文化活动方式，重塑了人类对自身和对宇宙的认识。理论物理学作为物理学的重要分支起着基础作用，其功能和意义不仅完全具备上述的各个方面，而且还具有自身的特点。
理论物理的知识体系发源于近代欧洲在十五、六世纪的思想革命时期。哥白尼首先提出“日心说”挑战宗教神学体系，开创现代天文学；与哥白尼同时代的开普勒再接再厉，以严谨的数学语言对“日心说”做出了正确的、完整的描述，为这个理论奠定了更坚实的基础。伽利略承前启后，创立了现代自然科学研究的方法：对物理理象进行实验研究并把实验的方法与数学方法、逻辑论证相结合。爱因斯坦曾经评价伽利略的科学研究方法是人类思想史上最伟大的成就之一，是物理学的真正开端。
牛顿通过对哥白尼到伽利略这些近代思想家的学说总结和继承，开创性地建立了一整套逻辑严密的理论体系，开始了物理学史上的第一个新纪元。牛顿建立了经典的绝对时空观，提出了关于力的三大定律，揭示了光的颜色之谜，他发展了微积分等强有力的数学手段对物理问题进行严密的逻辑推理分析，自己制作望远镜和三棱镜等实验设备进行实验观察，这些研究方式为现代物理学的研究树立了最基本的规范。牛顿建立的时空哲学观和力学体系是此后两百多年物理研究的基础，拉格朗日、欧拉、拉普拉斯、傅立叶、哈密尔顿等经典物理学家继续以数学分析为手段完善了牛顿力学体系，安培、法拉第、麦克斯韦等人创立并完善了经典电磁理论，卡诺、克劳修斯、吉布斯、波尔兹曼等人则发展和完善了经典热力学和统计理论。牛顿理论体系及其产物也使得人类认识到物质运动的规律是可以掌握和利用的，对遥远宇宙和地外星体的理解改变了人们对人类在宇宙中的位置的认知，对生物的解剖分析和演化史的追溯完全改变了人类对自身的认识，人类开始摒弃宗教和迷信的教条主义、神秘主义和不可知论，对事物本源、运动规律、内在逻辑、相互联系的追求构成了理性主义和科学方法的基础，事实上是推动现代人类文明进步的真正动力。
经典物理体系的高度完善使得理论本身已经达到其能力边缘，而它催生的精密实验手段却发现了理论基础本身存在着重大的问题，这促使庞加莱、洛仑兹、爱因斯坦、玻尔、海森堡等人开始严肃地思考经典物理体系的基础是否正确。这一波对牛顿体系的批判性重新检验引发了二十世纪初的物理学革命：二十世纪初期相对论和量子理论的出现彻底颠覆了牛顿的时空观念和经典物理基础，物理学迎来新一轮快速发展。需要说明的是，虽然新的物理理论取代了旧理论的基本观点，但经典物理的价值却并没有被否认，这是因为经典物理所确立的探索运动规律的精神、实验和理论的研究方式、以数学语言描述物理规律等原则具有永恒的价值，而且在一定的物理条件下经典物理依然是足够精确的理论，相对论和量子力学带来的修正不会影响具体的物理实践。
相对论和量子力学再次重新塑造了人们的时空观念，赋予了“相对性与绝对性”、“时空与物质”、“确定性与不确定性”、“连续与非连续”等概念新的意义，经典体系里的物理概念和物理规律都可以在新的物理框架下得到检验和重新表述，它们在某种意义上被摒弃，却同时被保留并升级换代了。随着量子力学对黑体辐射和原子光谱的完美解释，狭义相对论对电磁理论基础的完善和对质能转换的预言，广义相对论对行星进动的精确解释，新物理体系很快得到了人们的接受并作为物理研究的新基础。以此为出发点，在二十世纪二三十年代，人类对自然的认知迅速地在微观上深入原子和核子的层次，原子光谱得到清晰的理解，核物理现象和规律得到初步理解并且开始了核能的应用；宏观上则扩大到星系和宇宙尺度，以广义相对论为基础的现代宇宙学提供了关于宇宙长达一百多亿年的演化史的理论框架，对数十亿光年之远的星系的观测前所未有地扩展了人类的知识，对黑洞的探讨则成了引力理论的经久不衰的课题。
随着关于微观粒子的知识积累，人们发现粒子并非恒久不变，它们不断产生和湮灭，并且相互作用，这促使物理学家在三十到五十年代发展了量子场理论。场的观念早在法拉第和麦克斯韦的时代就已经得到确立，是现代物理的基本观念之一，量子场论融合了场理论和狭义相对论、量子力学，完全自洽地解释了粒子的波动性和粒子性的相互关系，质量和能量的关系。这个时期理论物理知识成倍增长，人才辈出：海森堡提出“测不准原理”、泡利提出不相容原理、狄拉克提出描述电子的方程，与马克斯·玻恩、约旦和维格纳等人一道他们完善了量子力学并对场量子化作了大量的早期探索。三四十年代，朝永振一郎、施温格和费因曼建立了描述电磁场和电子相互作用的量子场理论—量子电动力学，他们构建的理论完全满足相对论和量子力学的要求，并且成功地发展了一套微扰理论来计算具体问题的近似解，对电子反常磁矩的理论计算结果与实验符合到好于十亿分之一，充分显示了理论方法的威力。这个时期对微观量子世界的研究还揭示出其特有的对称性原理，建立了粒子理论的时空CPT对称和C破坏、P破坏和T破坏的理论，发现并总结了粒子的内部对称性?自旋、同位旋、重子(轻子)数等的规律。
六十年代和七十年代理论物理经历了另外一个发展高峰时期，这个时期虽然S-矩阵理论曾经兴盛一时，但人们还是认识到量子场方法对理解动力学问题具有无法替代的优势。规范对称性作为基本的物理原理提供了描述物质相互作用的理论框架，非阿贝尔规范理论(Yang-Mills场论)成为构筑现代场论和粒子物理标准模型的基石，已知的四种作用力中的除去引力的三种：电磁作用、弱相互作用和强相互作用都可以用规范理论描述。随着夸克理论的提出、弱电统一理论的建立和量子色动力学对渐近自由夸克相互作用的正确描述，我们知道：费米粒子作为基本组分构成了物质世界，而规范粒子则扮演了相互作用传递者的角色。理论方面，Wilson的重整化理论以全新的观点审视量子场论的基础结构，提出了重整化流的概念，阐述清楚了有效量子场论的意义；Nambu、Goldstone、Higgs等人发展了自发对称性破缺机制；‘t Hooft和Veltman证明了非阿贝尔规范理论的可重整性；Weinberg-Salam-Glashow建立了弱电统一的量子理论；量子色动力学也被证实为描述夸克-胶子相互作用的正确理论；磁单极和瞬子的研究揭示了场论的一些非微扰性质。实验方面，核子的深度弹性散射、PP对撞的喷注现象等大量高能实验都证实了夸克的真实存在以及量子色动力学的渐近自由性质，中性流和重玻色子的探测证实了弱电理论的正确性。到八十年代初，粒子物理的基本砖块已经具备，统一理论的大厦似乎近在咫尺，然而事实表明相互作用的统一理论的难度远远超过了人们的想象。
为了统一弱电理论和强作用理论，人们尝试过用SO(10)、SU(5)等规范群构造满足所有对称性要求的大统一理论，提出了超对称概念以改善理论在紫外的性质，然而关于这方面的大量研究都没有获得实验支持。理论上，量子场论的微扰理论已经得到较好的理解，然而非微扰量子场论依然困扰着人们，格点规范理论还远不足以完全解决诸如Yang-Mills理论的禁闭问题。引力理论和量子力学的矛盾显得更为尖锐，人们很早就发现了对其它场而言无往不利的量子化方法应用到引力场时惨遭失败：直接量子化引力得到的量子场是不可重整化的，这意味着这个理论无法做任何有意义的量子计算。然而，量子引力理论对理论物理体系的完善不可或缺：对黑洞性质的经典研究表明黑洞具有热力学特性，具有宏观熵和温度，半经典的研究甚至表明量子力学使得黑洞具有热体辐射，黑洞性质的微观机理要求的量子引力理论；同时大爆炸宇宙学成功地追溯到宇宙演化史的最初三分钟，粒子宇宙学正确地解释了宇宙中轻质量元素的丰度，然而要继续追究宇宙的起源则必须考虑引力的量子效应。
为了解决这些理论物理的重大难题，从七十年代开始，物理学家提出了各种理论机制，有的立足于相对论和量子力学的基础而作相对保守的新扩展：超对称是对庞加莱对称性的扩充，弦理论则把自然界的基本组份从点粒子改为一维的弦，额外维理论则认为除了宏观的四维时空外还有一些极其微小的额外空间，这些理论往往出发点简单，然而却引发了大量有趣的研究成果。有的理论则从根本上重新检验相对论和量子力学的理论基础，企图以激进的革命性改变解决问题，各种量子力学的替代理论、圈量子引力在这个方向上作了一些探索。这些理论引发了大量的形式理论研究，却始终缺少决定性的实验结果支持，有的理论研究与实验研究渐行渐远，引发了这些研究是否已经脱离物理研究正确道路的争议。
无论如何，理论物理依然是一个未完成的体系，它生机勃勃而又充满了挑战。理论物理一方面探索基本粒子的运动规律，同时也探索各种复杂条件下物理规律的表现形式。随着技术的高度发展，理论物理的研究在越来越多的领域继续发挥着致关重要的作用：量子信息理论加深了我们对量子力学基础的理解，同时又在不断挑战量子理论的解释极限；界观物理、纳米技术揭示着宏观和微观过渡区域丰富的物理规律；超低温、强激光等极端环境显示出独特的物理性质；强关联多电子体系则对解析和数值研究都提出了挑战；复杂物理系统、非线性物理系统不断涌现新的问题。
在新世纪，作为宇宙学的重大发现，我们的宇宙处于加速膨胀的状态，暗物质和暗能量分别构成了宇宙组分的23%和73%，我们熟悉的重子物质不过占区区4%而已！理论和实验的冲突如此尖锐，而理论本身也面临着自洽的逻辑问题，新物理已经不可避免，理论物理再次面临着重大突破的时机。随着大型强子对撞机LHC的完成，新一代天文探测器的升空，引力波探测实验的推进，以及数个未来的大型实验计划的实施，我们有机会探测到超出标准模型的新粒子，精确测量宇宙极早期大爆炸的余辉，研究遥远宇宙空间的黑洞和其它奇异天体。当我们拥有越来越多的实验结果时理论物理学家将得到更多的启示，某种新物理将水到渠成地出现并正确地解释上述谜团，我们对自然规律的认识将迈入新的层次。
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