從17世紀(jì)開始，伽利略通過系統(tǒng)化實(shí)驗(yàn)歸納了自然規(guī)律，從而標(biāo)志著物理學(xué)的誕生。從伽利略到牛頓，從麥克斯韋再到愛因斯坦，從哈勃提出宇宙膨脹論到霍金提出黑洞輻射。物理學(xué)的新理論層出不窮，每一個(gè)都顛覆著常人的思維。
從伽利略的自由落體實(shí)驗(yàn)?zāi)悄觊_始計(jì)算，物理學(xué)到今天走過來將近400年的時(shí)光。
縱觀物理學(xué)史，有兩次大巔峰時(shí)期。第一次是以伽利略和牛頓為代表的實(shí)驗(yàn)科學(xué)的興起，第二次是相對(duì)論和量子力學(xué)的崛起。
21世紀(jì)為止，物理學(xué)沒有出現(xiàn)顛覆性理論。反而留下來更多的烏云。
普朗克
這些烏云全都是在20世紀(jì)被科學(xué)家提出，驅(qū)散其中任何一朵烏云，必將在物理學(xué)史上留下濃墨重彩的一筆。
18世紀(jì)末的大部分科學(xué)家曾天真地以為物理學(xué)的大廈基本完成，其他只是縫縫補(bǔ)補(bǔ)的小事情。直到普朗克提出能量量子化的概念，徹底打破了這違和又尷尬的“和諧”局面。
20世紀(jì)的物理學(xué)全線推進(jìn)，不僅將微觀世界的研究尺度縮小到普朗克級(jí)別，還在高速世界將粒子的運(yùn)動(dòng)提高到狹義相對(duì)論級(jí)別。
不過物理學(xué)一直殘留著形形色色的矛盾。比如在20世紀(jì)初，物理學(xué)家認(rèn)為的烏云基本就是量子力學(xué)和廣義相對(duì)論的不可調(diào)和性。愛因斯坦在晚年就著手研究如何將電磁力和引力統(tǒng)一起來，這就是愛因斯坦心中的大一統(tǒng)理論。以目前的認(rèn)知層次來看，愛因斯坦注定是失敗的。畢竟那時(shí)候強(qiáng)力和弱力還未被納入物理學(xué)的研究范疇。
隨著量子力學(xué)的發(fā)展，越來越多的問題浮現(xiàn)到世人面前，比如正反物質(zhì)對(duì)稱性破缺，量子引力的傳播子還未被找到。
在高能物理中，物理學(xué)家還曾搞不懂質(zhì)量產(chǎn)生的根本機(jī)制
在宇宙學(xué)上，既然按照霍金的黑洞輻射理論，那么被黑洞吸收的信息終將釋放出來，那這些信息又會(huì)去哪？如果黑洞不會(huì)釋放信息，那么理論預(yù)測(cè)的的黑洞輻射又該如何解釋？
還有額外維度，多重宇宙論，暗物質(zhì)，和暗能量等一系列亟待解決的問題。
現(xiàn)代物理學(xué)不僅存在理論矛盾，還存在理論之間的矛盾。在實(shí)驗(yàn)物理上，還存在驗(yàn)證手段不足的窘境。
但歸根結(jié)底就是可驗(yàn)證理論的手段遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于挺進(jìn)的理論。如果所有的理論都有可靠的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，那么目前的物理學(xué)也不會(huì)出現(xiàn)理論的百花齊放局面。
我簡(jiǎn)單盤點(diǎn)一下物理學(xué)現(xiàn)存的大烏云
在理論層面上，量子力學(xué)和廣義相對(duì)論不兼容，也就是說引力子目前還沒有找到，其引力子還未被納入標(biāo)準(zhǔn)模型。
解決的方案就是超弦理論，M理論甚至是圈量子引力理論。
萬有理論
這些都是萬有理論的候選者。正如前文所言，這些理論基本上很難，甚至沒有手段可以驗(yàn)證，超弦理論甚至淪為數(shù)學(xué)上的自嗨。
在宇宙層面，暗物質(zhì)和暗能量是否確鑿無疑地存在？即便大多數(shù)科學(xué)支持暗物質(zhì)和暗能量的存在，但是其信心僅僅來自無法解釋的星系旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象引發(fā)的額外引力猜想，以及宇宙加速膨脹導(dǎo)致的能量缺失現(xiàn)象。
嚴(yán)格來說，暗物質(zhì)和暗能量只是科學(xué)家堅(jiān)信現(xiàn)有主流物理學(xué)理論的正確性。而觀察宇宙的結(jié)果卻與現(xiàn)有的力學(xué)理論有明顯沖突。
那么物理學(xué)該怎么辦？
力學(xué)理論已經(jīng)被無數(shù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，沒人相信力學(xué)理論會(huì)錯(cuò)，也沒有更好的理論替代現(xiàn)有的力學(xué)理論，于是我們不得已引入新的物質(zhì)概念，并選擇相信它們是客觀存在的。
疑似暗物質(zhì)存在的子彈星系團(tuán)
按照宇宙大爆炸理論的結(jié)果，爆炸之初會(huì)產(chǎn)生同等量的正物質(zhì)和反物質(zhì)。而且在爆炸之初，大部分正反物質(zhì)會(huì)湮滅并釋放了巨大能量，可為什么同等量的正反物質(zhì)沒有湮滅完全？
正反粒子對(duì)示意圖
現(xiàn)在的宇宙絕大數(shù)是由正物質(zhì)主導(dǎo)的，這多余出的正物質(zhì)勢(shì)必意味著同等量的反物質(zhì)消失。這些反物質(zhì)的去向是科學(xué)家無法解釋的。
這一問題的解決注定掀起新的物理學(xué)革命。
不過也有值得慶幸的一面。最近幾年，物理學(xué)在實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域有了新的突破。
尋找希格斯波色子
在基本粒子如何產(chǎn)生質(zhì)量的這一問題上曾經(jīng)令物理學(xué)家費(fèi)解。不過科學(xué)家提出來希格斯機(jī)制回答這一問題。
希格斯粒子示意圖
科學(xué)家首先假定宇宙中充滿希格斯場(chǎng)，某些基本粒子在希格斯場(chǎng)的量子激發(fā)會(huì)獲得質(zhì)量。不過這樣的假設(shè)必須找到希格斯粒子。
就在2013年，歐洲核子研究組織宣布找到符合理論預(yù)言的新粒子，該粒子就是曾經(jīng)苦苦尋找的希格斯波色子。
彼得·希格斯
希格斯本人也因此獲得了2013年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
驗(yàn)證量子力學(xué)完備性的貝爾實(shí)驗(yàn)
愛因斯坦曾經(jīng)在1927年的第五屆索爾維會(huì)議上舌戰(zhàn)量子哥本哈根學(xué)派的波爾，并反對(duì)哥本哈根學(xué)派對(duì)量子糾纏的詮釋。
愛因斯坦
愛因斯坦認(rèn)為，大自然絕對(duì)不會(huì)存在量子糾纏這么詭異的超距作用的出現(xiàn)，這肯定是在解釋量子糾纏這件事上出現(xiàn)的紕漏。這種紕漏就是由于量子力學(xué)的不完備性導(dǎo)致的。
我們之所以不可以完全預(yù)測(cè)天氣，在于我們無法精確了解大氣層中每一個(gè)空氣分子的物理量，如果我們有足夠的能力了解每個(gè)氣體分子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以及相互作用，那么我們就完全可以精確預(yù)測(cè)天氣。
同理，愛因斯坦認(rèn)為波爾對(duì)量子糾纏的解釋是由于類似于無法掌握每個(gè)空氣分子物理量的某種關(guān)鍵信息的缺失，這才導(dǎo)致出現(xiàn)量子糾纏這樣詭異的現(xiàn)象出現(xiàn)。
他還認(rèn)為：量子糾纏的超時(shí)空作用是糾纏粒子分開之初就決定好的。就好比把一雙手套放進(jìn)兩個(gè)完全相同的盒子里，并隨機(jī)打亂盒子擺放順序。如果我打開其中一個(gè)盒子發(fā)現(xiàn)這只手套為左，即便你把另一個(gè)手套拿的再遠(yuǎn)，都會(huì)同時(shí)知道那只手套為右。
于是愛因斯坦認(rèn)為量子力學(xué)并不完備。不過這樣的爭(zhēng)論沒有任何實(shí)驗(yàn)可作為對(duì)賭保證。
直到上個(gè)世紀(jì)六十年代，貝爾提出來貝爾不等式以專門解決這一矛盾。上個(gè)世紀(jì)已經(jīng)進(jìn)行過多次貝爾不等式驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示愛因斯坦錯(cuò)了。不過這些實(shí)驗(yàn)飽受存在漏洞的詬病。
直到2015年，由數(shù)萬人參與的大貝爾自由意志實(shí)驗(yàn)才從99%的程度上否定了愛因斯坦的說法。量子力學(xué)的完備性是板上釘釘?shù)氖隆?/p>
最后我總結(jié)一下，物理學(xué)在理論與實(shí)驗(yàn)上存在亟待解決的三大烏云
①量子力學(xué)與引力的矛盾
②暗物質(zhì)和暗能量的探索
③正反物質(zhì)不對(duì)稱的原因
在其他方面，物理學(xué)還存在如下烏云
理論預(yù)測(cè)和實(shí)驗(yàn)觀察產(chǎn)生數(shù)量級(jí)沖突矛盾的真空能量密度問題，簡(jiǎn)稱真空災(zāi)變問題
是否存在四維空間甚至更高維空間，簡(jiǎn)稱高維度問題。
磁單極在宇宙爆炸之初是否存在過。以及中微子震蕩問題。
基本粒子的慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量是否在數(shù)值上相等？
我相信隨著科學(xué)得發(fā)展，這些問題會(huì)一一解開。目前物理學(xué)的烏云解開后，或許會(huì)出現(xiàn)更多的烏云。烏云就是矛盾，有矛盾才會(huì)前進(jìn)。
不過在哲學(xué)層面上，物理學(xué)終將存在一個(gè)永恒的話題，那就是：宇宙為何而生？
