21世紀(jì)物理科學(xué)發(fā)展展望.doc

21世紀(jì)物理科學(xué)發(fā)展展望 李政道19世紀(jì)末20世紀(jì)初，物理科學(xué)中有兩個(gè)相當(dāng)重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。一個(gè)是邁克耳孫,莫雷實(shí)驗(yàn)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)證明，光順著地球運(yùn)動(dòng)和逆著地球運(yùn)動(dòng)的速度是完全一樣的。另外一個(gè)是普朗克的一個(gè)公式，熾熱的物體放光時(shí)，會(huì)有不同的波長(zhǎng)，普朗克對(duì)波長(zhǎng)的分布提出一個(gè)猜測(cè)公式，與實(shí)驗(yàn)很好地符合。這兩個(gè)問(wèn)題用經(jīng)典的理論和方法是無(wú)法解決的。這兩個(gè)發(fā)現(xiàn)雖然都很稀奇，但當(dāng)時(shí)它們同日常生活并沒(méi)有什么直接聯(lián)系。可是不久以后，即從第一個(gè)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了狹義相對(duì)論，從第二個(gè)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了量子力學(xué)。到1925年，人們對(duì)這兩個(gè)領(lǐng)域(即狹義相對(duì)論和量子力學(xué))已完全了解了。由此又發(fā)展出原子構(gòu)造、分子構(gòu)造、核能、激光、半導(dǎo)體、超導(dǎo)體、X光，以及超級(jí)計(jì)算機(jī)等理論和應(yīng)用。1925年以后，幾乎所有的物質(zhì)文明，都是從這兩個(gè)基礎(chǔ)發(fā)現(xiàn)衍生出來(lái)的。關(guān)于21世紀(jì)物理科學(xué)的發(fā)展前景，我認(rèn)為是很好的，因?yàn)槟壳暗那闆r與20世紀(jì)初很相似。太陽(yáng)風(fēng)示意圖20世紀(jì)初的兩大發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致兩大科學(xué)疑問(wèn)的提出，即光順地球運(yùn)動(dòng)和逆地球運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度為什么一樣?如何解釋熾熱的物體發(fā)射的光譜?現(xiàn)在同樣也面臨兩個(gè)疑問(wèn)：其一，目前的物理理論都是對(duì)稱的，而實(shí)驗(yàn)卻發(fā)現(xiàn)了不少對(duì)稱性的破缺(1997年是吳健雄博士做宇稱不守恒實(shí)驗(yàn)的40周年紀(jì)念。她的文章是40年前的2月15日發(fā)表的，她于1997年2月16日去世)；其二，有一半基本粒子是至今一點(diǎn)都獨(dú)立不出來(lái)的。我們已經(jīng)知道，所有的中子、質(zhì)子、原子、分子，都是由兩類基本粒子組成的：一類是夸克；另一類是輕子。一共有6種夸克，6種輕子?？墒沁@6種夸克，每一個(gè)都不能單獨(dú)自由行動(dòng)，從來(lái)沒(méi)有人觀察到它們可以自由的存在。關(guān)于理論上對(duì)稱而實(shí)驗(yàn)上對(duì)稱破缺這個(gè)問(wèn)題，現(xiàn)在的認(rèn)識(shí)是，這個(gè)對(duì)稱的破缺來(lái)自于真空。什么是真空?真空是沒(méi)有物質(zhì)(粒子)的態(tài)，可它仍有作用，有作用就有能量的漲落。這種能量的漲落是可以破壞對(duì)稱的。為什么夸克走不出來(lái)呢?這和超導(dǎo)類似。超導(dǎo)是抗磁場(chǎng)的，假如有一塊材料沒(méi)變超導(dǎo)前有磁場(chǎng)通過(guò)，一變成超導(dǎo)，磁場(chǎng)就被排出來(lái)了。假如一個(gè)圓圈里面有磁場(chǎng)，這圓圈沒(méi)變超導(dǎo)前，磁場(chǎng)可任意進(jìn)出；而一旦變成超導(dǎo)，磁場(chǎng)就出不來(lái)了。在真空的漲落中，很可能有磁單極子和反磁單極子，它們是抗量子色動(dòng)力學(xué)電場(chǎng)的?？梢哉J(rèn)為，真空是物理的相對(duì)論性凝聚態(tài)，它雖是沒(méi)有物質(zhì)(粒子)的態(tài)，但卻是有作用的，也就有可能被激發(fā)。根據(jù)相對(duì)論性重離子碰撞理論，兩個(gè)高能量的金核(單個(gè)核子的能量為100吉電子伏)相互碰撞后，相互穿過(guò)對(duì)方，并在兩核中間產(chǎn)生新的真空，在這樣的真空中夸克可以自由行動(dòng)。這方面的研究正在進(jìn)行，相對(duì)論性重離子對(duì)撞機(jī)設(shè)在布魯克黑文，1999年就可建成，總投資約10億美元。如果真空可以被激發(fā)，粒子的微觀世界和宏觀的真空就結(jié)合起來(lái)了。這將是一個(gè)新的發(fā)展。我們用對(duì)撞機(jī)來(lái)研究這個(gè)問(wèn)題，是想人工模擬出一個(gè)狀態(tài)，它和當(dāng)初宇宙開(kāi)始大爆炸的情景相似。大爆炸開(kāi)始于一個(gè)激發(fā)的真空，人工制造出類似的狀態(tài)，也許可測(cè)量得到大爆炸之初的若干特性。宇宙中有一種叫作類星體的東西，人們知道它不是普通的星，但對(duì)它知之甚少。對(duì)它的能量來(lái)源，就一直未搞清楚。太陽(yáng)的能源是核能，而一個(gè)類星體的能量比太陽(yáng)的能量要大得多，可以是太陽(yáng)的1015倍，這絕對(duì)不可能來(lái)自核能。在宇宙中估計(jì)共有100萬(wàn)個(gè)類星體，其中正在仔細(xì)研究的有1000個(gè)。 類星體3C273的照片類星體最早發(fā)現(xiàn)于1961年，那年發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)，其中之一是3C273。3C代表英國(guó)劍橋第三射電源表，273是其順序號(hào)。這個(gè)類星體在1982年2月，一天之內(nèi)能量增加了一倍。不僅能量大，而且可以在一天之內(nèi)增加一倍，這是非常稀奇的。宇宙中還有很大能量的來(lái)源，至今仍是未知的。宇宙中的另一個(gè)大問(wèn)題是暗物質(zhì)。從引力的計(jì)算，人們知道有暗物質(zhì)存在，可是用光無(wú)法探測(cè)，用紅外、紫外、X光都無(wú)法探測(cè)到。宇宙里90%以上是暗物質(zhì)。暗物質(zhì)存在的證明很簡(jiǎn)單。拿任何一個(gè)星系來(lái)說(shuō)，測(cè)量在距離該星系中心r處的任何星(或塵埃、粒子等)的速度u，令M(r)是從星系中心至r間的引力質(zhì)量。從萬(wàn)有引力定律和圓周運(yùn)動(dòng)方程可得G為引力常量。離星系非常遠(yuǎn)處，如果M(r)不繼續(xù)增加,u應(yīng)該越來(lái)越小。可是事實(shí)上不然。拿NGC3192來(lái)說(shuō)，u并不減小，就說(shuō)明有很多引力質(zhì)量在里面。NGC3192并不是單獨(dú)的例子，現(xiàn)在已測(cè)量的有967個(gè)星系，所有的都是這樣，沒(méi)有一個(gè)例外。這些暗物質(zhì)是什么我們不知道。所以，在我們的宇宙中有90%以上的物質(zhì)我們不知道，有極大的能量來(lái)源我們不知道。100年前，英國(guó)物理學(xué)家湯姆遜(J. J. Thomson, 18561940)發(fā)現(xiàn)了電子。這極大地影響了20世紀(jì)的物理思想，即大的物質(zhì)是由小的物質(zhì)組成的，小的是由更小的組成的，找到最基本的粒子就知道最大的構(gòu)造。這個(gè)思想不僅影響了物理學(xué)，還影響到20世紀(jì)生物學(xué)的發(fā)展。要了解生命就應(yīng)研究它的基因，了解基因就可能會(huì)了解生命。但我們現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)并不然。小的粒子，是在很廣泛的真空里，而真空很復(fù)雜，是個(gè)凝聚態(tài)，是有構(gòu)造的。也就是微觀的粒子和宏觀的真空是分不開(kāi)的，兩者必須同時(shí)處理。以為知道了基本粒子，就知道了真空，這種觀念是不對(duì)的。從這個(gè)簡(jiǎn)單化的觀點(diǎn)出發(fā)，不會(huì)有暗物質(zhì)，也不會(huì)有類星體這類的東西。我覺(jué)得，基因組也是這樣，一個(gè)個(gè)地認(rèn)識(shí)了基因，并不意味著解開(kāi)了生命之謎。生命是宏觀的。20世紀(jì)的文明是微觀的。我認(rèn)為，到了21世紀(jì)，微觀和宏觀會(huì)結(jié)合成一體。不光物理學(xué)如此，這也許還會(huì)影響到生物學(xué)和其他科技的發(fā)展。例如造計(jì)算機(jī)，是不是越小的集成電路就越好呢?可以把集成電路芯片越造越小，小到氫原子，可是我們對(duì)氫原子已完全了解，這里已不可能再有什么信息?？赡?1世紀(jì)計(jì)算機(jī)的芯片會(huì)是比較大的，個(gè)凝聚態(tài)的單位，這里的信息才更多。在基礎(chǔ)科學(xué)的研究中，微觀和宏觀必須結(jié)合起來(lái)，這個(gè)結(jié)合對(duì)科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用和開(kāi)發(fā)，可能會(huì)有極大的影響。20世紀(jì)的科學(xué)發(fā)明在19世紀(jì)末都是很難想象的!沒(méi)有20世紀(jì)初基礎(chǔ)科學(xué)的突破性發(fā)展，本世紀(jì)的科技應(yīng)用和開(kāi)發(fā)也就失去了基礎(chǔ)。21世紀(jì)也許會(huì)有同樣的發(fā)展。目前，微觀和宏觀的沖突已經(jīng)非常尖銳，靠一個(gè)不能解決另一個(gè)，把它們聯(lián)起來(lái)或許會(huì)有所突破。這種突破會(huì)影響我們的未來(lái)。21世紀(jì)的物理科學(xué)，可能會(huì)在以下一些基本問(wèn)題上取得突破性進(jìn)展：激發(fā)真空；微觀和宏觀的物理的結(jié)合；模擬宇宙大爆炸之初的狀態(tài)；了解暗物質(zhì)，了解類星體的能源，了解CP不對(duì)稱的原理等。什么是CP不對(duì)稱呢?粒子和反粒子，左和右不對(duì)稱，就是CP不對(duì)稱。因?yàn)镃P不對(duì)稱，所以我們能夠存在。我們都是質(zhì)子和電子的，我們宇宙里沒(méi)有很多的反質(zhì)子和正電子。在大爆炸一開(kāi)始它們應(yīng)該是一樣的，所以CP不對(duì)稱也是一個(gè)很重要的問(wèn)題。中國(guó)的國(guó)情和美國(guó)、日本都不一樣。我們必