物理学已经达到了极限了吗？还是它才刚刚开始？

21世纪通常被称为生物学时代，人工智能时代。这将物理学推到了上个世纪，在那个黄金时代，相对论和量子力学的革命震撼了世界，基本粒子的发现带来了一系列的诺贝尔奖。如今，人们担心的是一种“沙漠情景”，即在未来几十年里都不会发现新粒子。

我认为这种观点是错误的。首先，对于一个可能已经过了巅峰期的学科来说，本世纪头二十年对物理学来说是相当成功的。我们在2012年看到了希格斯粒子，2015年发现了引力波（2016年宣布），并在2019年看到了第一张黑洞视界的图像。这三件事都是罕见的科学大事件，登上了各大报纸的头版，吸引了全世界的想象力。

但是，有人可能会说，导致这些发现的种子都是在美好的旧时代种下的。黑洞和引力波是爱因斯坦1915年方程的直接结果。也许物理学已经没有什么新颖的想法了？

这就引出了第二个论点。最近宇宙学的进步让我们可以肯定地说，95%的宇宙已经消失了。这些缺失的部分由暗物质和暗能量组成，它们都是新物理学的神秘形式。只要这样的谜团仍然存在（还有其他的谜团）物理学的工作就没有完成。我还要补充一点，了解一门学科5%的知识本身就是一项了不起的成就。

关于物理学灭亡的报道被大大夸大的第三个原因，来自于一个更根本、更明确的错误：用发现新粒子或力来定义进展是一种短视的物理学观点，大大低估了我们仍能取得的成就。事实上，我相信我们目前所知道的只是物理学中微不足道的一部分，还有大量的未知领域等待我们去探索。

物理学的目的是用一种精确的、数学的方式理解宇宙中所有物质和能量的表现形式——而我们刚刚开始探索这种无限的可能性。声称物理学结束了，就好比说数学在引入了自然数和基本算术之后就结束了，或者化学随着周期表的出现而结束了。学习国际象棋的规则并不能使你成为大师。

事实是，粒子的领域并不是你能发现物理学基本定律的唯一地方。它们也可以从许多组成部分的集体行为中“浮现”出来。一个简单的例子就是声波，物质分子的同步振荡。通过使用量子理论的规则，这些波本身可以用粒子来描述。这些“声子”是声音的基本包或“量子”，它们的行为与光子（光的量子）相似。

面对着我们可以用目前已知的宇宙基本部分构建出无数的物理系统，我开始想象一种颠倒的物理学观。与其研究自然现象，然后发现自然规律，不如先设计一个新的规律，然后逆向设计一个系统，使其实际表现出该规律所描述的现象。例如，物理学已经远远超出了高中课程中简单的物质相——固态、液态、气态。量子力学的奇异结果使许多潜在的“奇异”相成为可能，它们已经在理论探索中被收录，我们现在可以在实验室里用特殊设计的材料开始实现这些可能性。

所有这些都是科学研究范围内更大转变的一部分，从研究现在是什么到可能是什么。在20世纪，科学家们找到了构成现实的基石：构成所有物质的分子、原子和基本粒子；使生命成为可能的细胞、蛋白质和基因；比特、算法和网络构成了人类和人工的信息和智能的基础。相反，在这个世纪，我们将开始探索用这些积木制造的一切。

即使宇宙已经膨胀了140亿年，地球上已经有了近40亿年的生命，大自然也只是探索了所有可能的设计中微小的一部分。正如生物学家理查德·道金斯指出的那样，我们人类——以及其他曾经存在过的生物——都是宇宙彩票的幸运中奖者。从数量多得令人难以置信的基因蓝图中，我们的密码是被偶然选中作为一个活生生的原型来实现的。我们周围所有形式的物质也是如此。地球上和宇宙中的自然过程只产生了分子和物质形式的全部中的一小部分，因此也就产生了它们必须遵守的相应的物理定律。

但这一切都在改变。在数百万到数十亿年的时间尺度上，宇宙学和生物进化推动着自然界令人痛苦而缓慢的发现过程，而在实验室里却加速到了危险的速度。起初，这种工作可能感觉像是“人工”科学。但是，一个基因设计的细菌并不比在野外发现的细菌更不真实，更不值得研究。展现量子理论奇特之处的一维材料也不例外。相反，这些新技术有效地将量子力学从原子和分子的束缚中“解放”出来，并将其带入日常生活的宏观尺度。

现在，终于，科学之船离开了由大自然雕刻而成的安全内河航道，驶向开放的海洋，探索一个拥有“人工”材料、生物、大脑甚至是更好版本的我们自己的美丽新世界。因此，我对物理学的乐观看法同样适用于所有其他科学分支，探险才刚刚开始。