理论物理学如何改变世界

我们的宇宙是全息的吗？

当理论物理有一个重大突破的时候，即使你不是科学家也会为这样的新闻感到兴奋不已。比如，刚探测到的广义相对论最后一个预言——引力波，和2012年发现的希格斯粒子（标准模型的最后一块拼图）。尽管你可能对这些知之甚少，但还是会被宇宙的复杂之美所触动。

但总会有些人质问，为什么要关心这些听起来对生活完全没有影响的科学发现？特别是，在基础科学的巨额投入，看起来完全是不顾社会其他更需要支持的层面，仅仅是为了满足科学家的好奇心而已。当然，研究在亿万光年以外的黑洞听起来就让人充满幻想，但是这并不能改变大多数人的生活或工作方式。

但事实是，对纯理论物理的研究时常直接导致了社会的巨大改革。比如，现代社会对卫星通信到计算机的依赖，这在当时刚发展相关方面的理论研究时并未显示出任何的实际用途。

量子计算机

大约100年前，量子力学是一个纯粹的理论物理课题研究，当时对量子力学的发展只是为了理解原子的一些特定性质。像对量子力学做出巨大贡献的海森堡和薛定谔等其他人，在脑中对它的应用根本没有任何想法。他们只是为了理解“我们这个世界是由什么构成的？”这个看起来简单的问题而不断的追问。

但是今天，我们知道量子力学是半导体的基础，如果没有半导体也就不会有携带如此方便的笔记本电脑和完全离不开的手机了。而想要制造现代的半导体，必须要理解一些基础概念，比如当固体中的原子被结合在一起的时候电子的行为是怎样的，只有量子力学才能准确的描述这样的行为。如果没有半导体，我们只能依靠真空管来使用电脑。现在看来，如果一个世纪前，如果那个时候科学家不是因为单纯的好奇心而不断的发展更完善的基础理论，现在社会的整个生活方式肯定又是另一番景象。

没有相对论，GPS就不可能运作。

在同时期，当大多数科学家都努力的发展量子力学的时候，爱因斯坦正在尝试如何更好的描述引力。在爱因斯坦之前，人们把引力当做是两个物体之间互相施加的一种力，而他指出，引力是由物体使时空弯曲而引起的，这类似于在一个橡胶上因置放重物而受到了畸变。这就是爱因斯坦的广义相对论。

今天，广义相对论最大的应用就是全球卫星定位系统（GPS）。想利用从卫星发射出的信号来定位，就必须知道信号离开卫星和到达地球的准确时间。根据爱因斯坦的引力理论，时钟在离地球中心引力的距离决定了它流逝的速度，也就是说在地球上的时钟比卫星上的时钟走的慢一些。同时，爱因斯坦的狭义相对论又指出，时钟运动的快慢也决定了它的走时率，运动中的卫星时间要流逝的慢一些。

如果我们不考虑这些因素对时钟的走时进行修正，我们就根本无法准确的利用GPS来定位我们在地球上的位置。尽管爱因斯坦的如此的天才，他肯定无法预知一个世纪以后他的理论可以如此的被广泛的利用在生活之中。

天文学家计算我们身处的银河系最终会与邻近的仙女座星系合并。

大多数科学家投身于理论物理学研究，他们的目标都是一致的：增进人类对宇宙的了解。虽然很多时候这样的研究并不能对所有人的生活都立即产生影响，但就从长远的角度来看，我想追求基础研究是非常必要的。

这样的一种动机我们可以追溯到古代，当人们第一次仰望夜空的时候，他们希望理解他们所生活的世界，并努力的发展一些可以描述大自然的理论。经过千年，我们对大尺度范围的星系和恒星，以及微观尺度内构成世界万物的基本粒子都已经掌握了许多线索。但是，还不够。

每当我们对一个问题有了一个深层次的理解后，我们会发现在背后其实还有更基本的问题。我们无法知道我们现在到底知道了多少，但我们从未放弃追求真理的脚步。从这个方面来看，我们可以看待基础物理为人类文化的一个部分。

现在，我们可以等待诸如希格斯粒子和引力波在未来将会给我们带来什么样的影响。但同时我们也会继续探究自然的基本问题，那些未解之谜和一些等待被提出的更基本问题。