现代物理学已经发展到瓶颈了吗？人类科技真被“智子锁死”？

回首过往，在20世纪初，量子力学和相对论的出现刷新了人们的世界观，让人类对时间、空间和物质的关系有了全新的认识，使人类的科技飞速发展。21世纪初，物理学却没有什么爆炸性的发现，准确来说是在基础领域没有较大的发现。难道物理学的发展遇到瓶颈了吗？莫非真的像科幻小说《三体》中描述的那样，人类的科学发展已经被高等级文明锁死。

其实物理学在最近100年里不仅没有止步不前，而且比历史上其他时期的发展快得多。20世纪初，那是一个人才辈出的时代，现代物理学的许多重大发现都诞生于那个时期。从20世纪开始，人类文明就进入了飞速发展的时期。

下图为1927年第五届索尔维会议参会科学家的合影，那个时期世界上最杰出的物理学家基本上都出现在了这张照片上。

物理学究竟有多重要？

物理学是研究物质及物质运动变化最一般规律的科学，是自然科学中最基础的一门学科，物理学的进步能够带动其他自然科学的发展。人类科技文明的进步在很大程度上得益于物理学的进步，比如，电磁学和热力学的研究使人类进入了电气时代，量子力学催生的半导体技术、激光技术则使人类进入了信息时代。

物理学的发展简史

物理学的发展与自然科学的发展基本保持同步。

自然科学大约起源于2600多年前的古希腊，亚里士多德就是那个时代的代表人物。我国在2000多年前的春秋战国时期也出现了以墨家学派为代表的古代科学，可惜淹没在了历史潮流当中。古希腊时期还没有出现物理学这门学科，属于自然科学的萌芽期，大概持续了700年。那时科学家们主要根据观察和经验来总结规律。

上图为亚里士多德的雕像。

中世纪，科学一直停滞不前，大约持续了1400年左右。渡过了漫长而黑暗的中世纪，时间到了16世纪，文艺复兴为近代科学萌芽奠定基础，先有哥白尼提出日心说，后有伽利略开物理实验的先河，物理学和近代科学正式建立。

上图为伽利略的肖像。

在16世纪末（明朝末年），我国近代科学先驱徐光启与利玛窦等西方传教士翻译了大量西方科学著作，为中西方科学文化交流作出了重要贡献。可惜后来因为清朝的闭关锁国政策，中断了中西方文化交流，最终导致我国在科学技术领域落后世界近200年。

17世纪出现了一个划时代的人物——牛顿，开创了经典力学体系。至此，物理学开始蓬勃发展。18世纪末，蒸汽机的应用导致了第一次科技革命。19世纪中叶，麦克斯韦用一组优美的方程统一了电和磁。经典电磁学完善后，同时开启了技术上的大变革，第二次科技革命就是从19世纪60年代开始的。

从物理学的正式诞生到第二次科技革命开始，这一时期属于经典物理学时期，持续了300多年。在这一时期，物理学进入了实验为主的时代，并且数学与物理学开始紧密结合。因为实践表明，人的经验并不可靠，为了保证研究结果的准确无误，为所有人公认，科学家必须用可重复的实验来检验结论的正确性，并对物质的物理性质及运动变化过程中的物理规律进行定性定量的研究和描述。

19世纪末，物理学的天空飘来了两朵乌云。第一朵乌云指迈克尔逊－莫雷实验与以太说的破灭，第二朵乌云指黑体辐射与紫外灾难。物理学家们为了解决这些问题，不断的进行实验和理论推测，并于20世纪初诞生了相对论和量子力学。第二次世界大战后，世界整体趋于和平，并于20世纪50年代开启第三次科技革命。

现代物理学诞生于20世纪初，一直持续至今。随着物理学基础的成熟，在这一时期，理论物理崛起，使现代物理学发展成一门理论和实验紧密结合的科学。理论物理不是胡乱猜测，而是建立在现有的结论之上，并作出合理的推测。

科学的发展需要时间沉淀

不管是物理学还是其他科学，发展之路从来不是一帆风顺。工业的发展需要技术积累，科学的发展也需要知识的积累。牛顿曾说过，他能取得巨大的成就，是因为站在了巨人的肩上。原始资本的积累需要足够长的时间，基础科学的发展也需要足够长的时间来打地基。

科学的发展是从无到有、从少到多这么一个过程，当人类的认识达到了足够的广度，一些智者便会进行更加深刻的思考，就会引发科学革命，这就是量变到质变。如果没有前人的研究成果，爱因斯坦也不可能提出相对论。这个变化过程需要足够长的时间。

物理学的发展主要取决于观测能力

阻碍物理学发展的主要是人类的观测能力，包括观测技术和观测工具等。而实验的目的就是为了精确观测。

古人以为天圆地方，是因为活动范围较小。你以为你所听、所见、所感便是真实，实际上，人类的观察能力十分有限，要想探究事物的本质，必须要突破人类的感官限制。物理学家们用仪器代替人的感观能力，对这个世界进行观测，随着几次科技革命，这些工具的观测能力和精度越来越高，使物理学家能够进行更深层次的探索。从最初的望远镜、显微镜等工具，再到粒子对撞机，发明这些工具也不是容易的事。

上世纪初能出现那么多杰出的科学家和科学成果，在于教育体系的成熟，以及第二次工业革命使人类有能力研发更多高精度的观测工具，使物理学家的研究手段得到了空前提高。

物理学发展的大趋势并不是完全由天才人物决定的。500多年前的人为什么不能发现相对论？不是因为现代人更加聪明，而是因为我们站在了巨人的肩上，爱因斯坦所处的那个时代的观测能力远胜于牛顿时代，并且今人比古人知道的更多。

自然界中的物理规律非常复杂，至于这个复杂性究竟是有限的还是无限的？目前不知道。如果是有限的，当物理学发展到尽头，就会停滞不前。

现代物理学发展过程中遇到了哪些难题？

19世纪末，经典物理学已经相当完善，几乎可以解释当时人类了解的所有自然现象，这让一些科学家以为物理学发展到了尽头，只剩下些修修补补的工作。直到电子、X射线和放射性现象的发现，以及两朵乌云的岀现，最终导致了一场物理学革命，现代物理学就此诞生。

如今，量子力学和相对论已经成为现代物理学的两大支柱。相对论主要是爱因斯坦的成果，而量子力学是由普朗克、玻尔、爱因斯坦、德布罗意、薛定谔、海森堡、费米、狄拉克、泡利、康普顿和玻恩等人发展建立起来的。经典力学研究的是低速宏观领域，而现代物理学则进入了高速、微观和宇观领域。

现代物理学中最大的梦想便是建立一个大统一理论，用以描述自然界中的所有现象。上世纪50年代起，物学家们建立了标准模型，用来描述夸克、轻子等基本粒子的性质，并统一了四大基本力中的电磁力、强核力和弱核力。此外，科学家们还建立了关于宇宙的标准模型，用以解释宇宙万物的起源。

不过，现代物理学自诞生起，就隐含着不可调和的矛盾，就是广义相对论和量子力学的矛盾，即引力无法被量子化。想要解决这个难题，可能需要全新的物理理论，比如弦理论或膜理论。

暗物质和暗能量的发现则彻底打破了这个美好的梦想，原来我们所了解的世界只是有5%普通物质构成的，其余95%的世界则知之甚少。其中，存在暗物质的猜测来自星系旋转现象中缺少的力；存在暗能量的猜测则来源于宇宙加速膨胀过程中缺少的能量，和引力不同，它具有斥力性质。暗物质和暗能量究竟是什么？目前还不清楚。

此外，还有许许多多的问题，等待我们探索。诸如：物质是否无限可分，黑洞的内部情况，正反物质的对称性破缺，多重宇宙和额外维度是否存在等等……

目前理论物理学发展的很迅速，可是现有观测能力远远不能验证当前的许多理论。无论是弦理论，还是关于黑洞的霍金辐射，都只能停留在理论层面上，还不能证实。正如前面所说，阻碍物理学发展的主要是人类的观测能力。

不过，物理学的发展并没有遇到难以逾越的瓶颈，并没有走进死胡同，待时机成熟，将会产生新一轮物理学革命，到时候又会产生新的难题。宇宙中是否存在更高等级的文明，还尚未可知。至于“智子锁死”这种低等级文明被高等级文明限制发展的想法，是未被证实的幻想。

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下面这张是常见CCD相机成像过程的简单描述，现说明一下：

1、用相机拍摄景物时，景物反射的光线通过相机的镜头透射到CCD上。

2、当CCD曝光后，光电二极管受到光线的激发释放出电荷，感光元件的电信号便由此产生。

3、CCD控制芯片利用感光元件中的控制信号线路对光电二极管产生的电流进行控制，由电流传输电路输出，CCD会将一次成像产生的电  信号收集起来，统一输出到放大器。

4、经过放大和滤波后的电信号被送到A/D，由A/D将电信号（此时为模拟信号）转换为数字信号，数值的大小和电信号的强度即电压的高   低成正比。这些数值其实就是图像的数据了。

5、不过单依靠第4步所得到的图像数据还不能直接生成图像，还要输出到数字信号处理器（DSP）。在DSP中，这些图像数据被进行色    彩校正、白平衡处理（视用户在相机中的设定而定）等后期处理，编码为相机所支持的图像格式、分辨率等数据格式，然后才会被存储为图像文件。

6、最后，图像文件就被写入到存储器上（内置或外置存储器）。

目前市面上大部分相机使用的影像传感器是CCD（Chagre Couled Device），即电荷耦合器，是一种特殊的半导体材料。它是由大量独立的光敏元件组成，这些光敏元件通常是按矩阵排列的，通常以百万像素（megapixel）为单位。相机规格中的多少百万像素，指的就是CCD的分辨率，也就是指这台相机的CCD上有多少感光组件。光线透过镜头照射到CCD上，并被转换成电荷，每个元件上的电荷量取决于它所受到的光照强度。当你按动快门，CCD将各个元件的信息传送到A/D上，模拟电信号经过A/D处理后变成数字信号，数字信号以一定格式压缩后存入缓存内，此时一张数码照片就诞生了。CCD通常用在相机、DV和扫描仪上，作为感光的组件。（关于CCD到底长得什么模样以及它的组件放大图片，见下图）

传统CCD排列为矩阵，然而这样的作法却限制了在有效面积内提升分辨率的能力。1/1.8CCD的理想值大约为六百万像素，而在成本和制造良品率的考虑下降低至四百万是合理值。因此，有些厂商很聪明的想出改变CCD的排列顺序，藉此想在此范围内增强分辨率。由此产生了一种比较特殊的CCD，叫SUPER CCD。它是富士公司独创的，并没有采用常规正方形二极管，而是使用了一种八边形的二极管，像素是以蜂窝状形式排列，并且单位像素的面积要比传统的CCD大。将像素旋转45度排列的结果是可以缩小对图像拍摄无用的多余空间，光线集中的效率比较高，效率增加之后使感光性、信噪比和动态范围都有所提高。（关于两种CCD的排列对比见下图）

随着用户的要求不断提高，传统的CCD技术已经没有办法满足现在使用者对数字影像的需求。为了迎合用户需求，占领市场，近几年一些厂商又推出了几种新的CCD技术：

2002年初，富士发布第三代Super CCD。2003年初，富士发布第四代Super CCD（见下图）：

2002年2月，美国Foveon公司发布多层感色CCD技术。在Foveon公司发表X3技术之前，一般CCD的结构是类似以蜂窝状的滤色版（见下图），下面垫上感光器，藉以判定入射的光线是RGB三原色的哪一种。

然而，蜂窝技术（美国又称为马赛克技术）的缺点在于：分辨率无法提高，辩色能力差以及制作成本高昂。也因此，这些年来高阶CCD的生产一直被日本所垄断。新的X3技术让电子科技成功的模仿“真实底片”的感色原理（见下图），依光线的吸收波长逐层感色，对应蜂窝技术一个像素只能感应一个颜色的缺点，X3的同样一个像素可以感应3种不同的颜色，大大提高了影像的品质与色彩表现。

X3还有一项特性，那就是支持更强悍的CCD运算技术VPS(Variable Pixel Aize)。透过“群组像素”的搭配（见下图）。X3可以达到超高ISO值（必须消减分辨率），高速VGA动画录像。比Super CCD更强悍的在于X3每一个像素都可以感应三个色彩值，就理论上来说X3的动画拍摄在相同速度条件下，可能比SuperCCD III还来得更精致。

2003年中期，SONY发布4色感应CCD。传统的CCD为三原色矩阵，新的SONY CCD将浅绿色加入。新一代的CCD不仅在省电及功率上做文章，对色彩的表现也有了更多的提高。SONY公司一改以往三色CCD的传统，创新推出一个具备“新颜色”的四色过滤CCD，命名为ICX456。（4色分布情况见下图，左图为传统CCD的3色分布，右图为ICX456的4色分布）新增的E这个颜色是Emerald（应该翻译成祖母绿吧）。不同于以往三个原色RGB，E这个颜色加强了对自然风景的解色能力，让绿色这个层次能够创造出更多的变化。应用的效果有点类似喷墨打印机加装淡蓝和洋红这两种淡色，以期能够增强混色能力与效果，此外配合新色阶的CCD，SONY也开发了新的图像处理器，不仅有效的减少了30％的功率消耗，更加快了处理速度和绿色色阶分析能力。

这项发明的特点在于传统的DC主要使用3色过滤矩阵，对每一个光点（或称像素）产生3种不同颜色的强度：红色（R），绿色（G）和蓝色（B）数据，再将这些数据整合发色，形成我们所看到的影像。然而，根据实验指出人类视觉系统对绿色的敏感度要高于其它两种，这也使传统的CCD矩阵对颜色的配比采取了红和蓝各25％，绿色50％的现象。可是颜色差别仍无法在这样的配比中得到修正，起因则是人类的视觉比较接近模拟效果，而非切割成数字阶层。为了让风景的颜色更加逼真，SONY这项技术有效的将深绿、浅绿分别导引取样，对绿色的忠实再现有很大的助益。

后面补充说明一下CCD的基础结构：很多用户以为CCD只是一块芯片而已。但实际上CCD是和处理器做成一个完整的组件（见下图）。这样的设计可以确保DC的组件化，降低维修和检查的成本（也就是说可以运用计算机检测组件运作，一旦自我检查出特定组件问题，直接更换整个组件，而不需要再一个个去测试单体，简单省事，这也是DC维修费用居高不下的一个原因）

如果切开CCD，会发现CCD的结构就像三明治一样，第一层是微型镜头，第二层是分色滤色片，以及第三层感光汇流片。为什么“镜头”会直接做在CCD上呢？其实，这应该是英语翻译上的问题，具体原因我也不太清楚。ON-CHIP MICRO LENS是1980年初由SONY领先发展出来的技术。这是为了有效提升CCD的像素，又要确保单一像素持续缩小以维持CCD的标准体积。因此必须扩展单一像素的受光面积。但利用提高开口率来增加受光面积反而使画质变差。所以开口率只能提升到一定的极限，否则CCD将成为劣质品。为改善这个问题，SONY率先在每一个感光二极管上（单一像素）装置了微小镜片。这个设计就像是帮CCD挂上眼镜一样，感光面积不再因为传感器的开口面积而决定，而改由微型镜片的表面积来决定。如此一来，可以同时兼顾单一像素的大小，又可在规格上提高了开口率，使感光度大幅提升。CCD的第二层是分色滤色片，目前有两种分色方式，一是RGB原色分色法，另一个则是CMYG补色分色法，这两种方法各有利弊。不过以产量来看，原色和补色CCD的比例大约在2：1左右。原色CCD的优势在于画质锐利，色彩真实，但缺点则是噪声问题。因此一般采用原色CCD的DC，在ISO感光度上多半不会超过400。相对的补色CCD多了一个Y黄色滤色器，在色彩的分辨上比较仔细，但却牺牲了部分分辨率，而在ISO值上，补色CCD可以容忍较高的感度，一般都可设定在 800以上。（关于这两种分色方式见下图）

CCD的第三层是感光汇流片，这层主要是负责将穿透滤色层的光源转换成电子信号，并将信号传送到影像处理芯片，将影像还原。

最后说一下CMOS：

CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）即互补性金属氧化物半导体，其在微处理器、闪存和特定用途集成电路（ASIC）的半导体技术上占有绝对重要的地位。CMOS和CCD一样都是可用来感受光线变化的半导体。CMOS主要是利用硅和锗这两种元素所作成的半导体，通过CMOS上带负电和带正电的晶体管来实现基本的功能的。这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片记录和解读成影像。

因为CMOS结构相对简单，与现有的大规模集成电路生产工艺相同，从而生产成本可以降低。从原理上讲，CMOS的信号是以点为单位的电荷信号，而CCD是以行为单位的电流信号，前者更为敏感，速度也更快，更为省电。现在高级的CMOS并不比一般CCD差，但目前CMOS技术发展还不成熟，这种高质量的CMOS还只应用于专业级别的数码相机上，许多低档入门型的数码相机使用的是廉价低档的CMOS，其成像质量比较差。最大的缺点就是太容易出现噪点, 这主要是因为早期的设计使CMOS在处理快速变化的影像时，由于电流变化过于频繁而会产生过热的现象。所以目前如果购买消费级数码相机还是要选择以CCD为影像传感器的。

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