展望21世紀(jì)物理學(xué)的發(fā)展

1、展望21世紀(jì)物理學(xué)的發(fā)展道可道，非常道；名可名，非常名。老子李政道在19世紀(jì)末至20世紀(jì)初，物理科學(xué)中有兩個(gè)相當(dāng)重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)：一個(gè)是邁克爾孫-莫雷實(shí)驗(yàn)，表明光順著地球轉(zhuǎn)動(dòng)和逆著地球轉(zhuǎn)動(dòng)的速度是完全一樣的；另外一個(gè)是普朗克提出的黑體輻射實(shí)驗(yàn)，表明熱的東西放光時(shí)，會(huì)有不同的波長(zhǎng)，普朗克對(duì)波長(zhǎng)的分布公式提出了一個(gè)猜想，這與實(shí)驗(yàn)符合得很好，這個(gè)問(wèn)題用經(jīng)典方法是無(wú)法解決的。這兩個(gè)發(fā)現(xiàn)，即光順著地球轉(zhuǎn)動(dòng)和逆著地球轉(zhuǎn)動(dòng)的速度一樣以及熱的東西發(fā)光的光譜，都很稀奇，當(dāng)時(shí)它們同日常生活并沒(méi)有什么關(guān)系?？墒?，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，對(duì)這兩個(gè)重大科學(xué)領(lǐng)域完全了解了，并

2、且由此發(fā)展了原子構(gòu)造、分子構(gòu)造、核能、激光、半導(dǎo)體、超導(dǎo)體、X光、超級(jí)計(jì)算機(jī)等。假如沒(méi)有狹義相對(duì)論和量子力學(xué)，這些都不會(huì)有。從1925年之后，幾乎所有20世紀(jì)的物質(zhì)文明都是從這兩個(gè)物理基礎(chǔ)科學(xué)的發(fā)展衍生的，而且現(xiàn)在還在繼續(xù)更廣泛地開(kāi)發(fā)出新的科學(xué)及應(yīng)用的領(lǐng)域。美籍華裔物理學(xué)家李政道關(guān)于21世紀(jì)的科學(xué)發(fā)展，我想對(duì)物理科學(xué)的前景談點(diǎn)我個(gè)人的看法。我認(rèn)為，物理科學(xué)的發(fā)展前景是很好的。為什么呢？因?yàn)槟壳暗那闆r正像20世紀(jì)初出現(xiàn)的情況一樣，也提出了兩個(gè)科學(xué)疑難，那就是對(duì)稱性破壞和夸克禁閉。我們現(xiàn)在認(rèn)為，這兩個(gè)疑難可能都來(lái)自于真空。什么是真空？真空是沒(méi)有物質(zhì)的態(tài)，可它仍有作用，有作用就有能量的漲落。這能量的

3、漲落是可以破壞對(duì)稱的。為什么夸克走不出來(lái)呢？前面我們已經(jīng)談到過(guò)，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)有變成超導(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。假如有一個(gè)圓圈，里面有磁場(chǎng)，沒(méi)變成超導(dǎo)前磁場(chǎng)可以任意進(jìn)出，一旦變成超導(dǎo)，磁場(chǎng)就出不來(lái)了。我們認(rèn)為，在真空的漲落中，很可能有磁單極子和反磁單極子，它們抗量子色動(dòng)力學(xué)的場(chǎng)。真空是物理的相對(duì)論性的凝聚態(tài)，它雖然是沒(méi)有物質(zhì)的態(tài)，卻是有作用的，也是可以激發(fā)的。相對(duì)論性的重離子碰撞，用每核子100兆電子伏的高能量金核和金核相碰撞，金核相互穿過(guò)去，在兩核中間產(chǎn)生了新的真空，這里面夸克就可以自由行動(dòng)。為了開(kāi)展這方面的研究，美國(guó)布魯克海文的相對(duì)論性重

4、離子對(duì)撞機(jī)（RHIC）已于1999年建成。如果實(shí)驗(yàn)證實(shí)真空是可以被激發(fā)的，那么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)重要的新發(fā)展。在宇宙中，有一種叫做類星體（quasar）的東西，我們不知道它是什么，它不是普通的星，它的能量來(lái)源我們不知道，每個(gè)類星體的能量可以是太陽(yáng)的1015倍，這是很大很大的。估計(jì)在宇宙里約有100萬(wàn)個(gè)類星體，其中有1000個(gè)我們?cè)谧屑?xì)研究。這個(gè)能量絕對(duì)不是核能量，太陽(yáng)的能量來(lái)自核能量，類星體的能量比太陽(yáng)的能量大得多。類星體是在1961年首先發(fā)現(xiàn)的，那年發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)。其中一個(gè)是3C 273。3C是英國(guó)劍橋目錄的第三本，273是其中第273星。這個(gè)類星體在1982年2

5、月，一天之內(nèi)能量增加了一倍，這是非常稀奇的，不僅能量大，而且可以在一天之內(nèi)增加一倍。這說(shuō)明，在宇宙中還有很大能量的來(lái)源是我們不知道的。另一個(gè)在宇宙中的大問(wèn)題是暗物質(zhì)。從引力我們知道有暗物質(zhì)存在，可是用光看不見(jiàn)，用紅外、紫外、X光也都看不見(jiàn)。宇宙里90%以上是暗物質(zhì)。這些暗物質(zhì)是什么我們不知道。所以，在宇宙中有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。真空中可能被激發(fā)。我們研究這個(gè)問(wèn)題的方法是想制造一個(gè)狀態(tài)，它和當(dāng)初宇宙開(kāi)始大爆炸的情況相似。大爆炸開(kāi)始就是一個(gè)激發(fā)的真空，制造出這個(gè)狀態(tài)也許可以使我們能夠測(cè)量出它的特性。在大約100年前，湯姆孫發(fā)現(xiàn)了電子，從那以后影響了我們這個(gè)世紀(jì)的

6、物理思想，即大的是由小的組成的，小的是由更小的組成的，找到了最基本的粒子就知道最大的構(gòu)造。這個(gè)思想不僅影響到物理，還影響到本世紀(jì)生物學(xué)的發(fā)展，要知道生命，就應(yīng)研究它的基因，知道基因就可能會(huì)知道生命?，F(xiàn)在我們發(fā)現(xiàn)事情并非如此簡(jiǎn)單。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，這兩個(gè)必須同時(shí)處理。知道了基本粒子就知道真空的觀念是不對(duì)的。從這個(gè)簡(jiǎn)單化的觀點(diǎn)出發(fā)就不會(huì)有暗物質(zhì)，也不會(huì)有類星體這類東西。我覺(jué)得，基因組（genome）也是這樣，僅是基因并不能解開(kāi)生命之謎，生命是宏觀的。20世紀(jì)的文明是追蹤微觀的（reductionism）。我認(rèn)

7、為，在21世紀(jì)，微觀和宏觀應(yīng)結(jié)合成一體。例如造計(jì)算機(jī)，是不是越小的集成電路就越好呢？我們可以把集成電路越造越小，小到氫原子，可是我們對(duì)氫原子完全懂，這里不可能再有什么更多的信息?？赡?1世紀(jì)的計(jì)算機(jī)要的是較大的，是個(gè)凝聚態(tài)的單位，這里的信息才更多。20世紀(jì)是越微小越好，我們覺(jué)得小的是操縱一切的，而我猜測(cè)，21世紀(jì)將要把微觀和宏觀整體地聯(lián)系起來(lái)（holism），這不僅是影響物理，也許會(huì)影響到生物學(xué)的發(fā)展。微觀和宏觀必須要結(jié)合起來(lái)，這個(gè)結(jié)合對(duì)應(yīng)用科技也可能會(huì)有極大的影響。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)系起來(lái)一定會(huì)有一些突破。這個(gè)突破將會(huì)影響到科學(xué)的未來(lái)?？傊?，據(jù)

8、我看，21世紀(jì)物理學(xué)還將有重大的發(fā)展：激發(fā)真空，制造像宇宙開(kāi)始的狀態(tài)，了解暗物質(zhì)，了解類星體的能源，了解CP不對(duì)稱的根源，微觀和宏觀物理的結(jié)合20世紀(jì)的科學(xué)文化發(fā)明在19世紀(jì)末是很難想像的！沒(méi)有20世紀(jì)初基礎(chǔ)科學(xué)的發(fā)展，本世紀(jì)的科技應(yīng)用和開(kāi)發(fā)就沒(méi)法產(chǎn)生出來(lái)。我相信，21世紀(jì)物理學(xué)的這些重大問(wèn)題的解決也同樣會(huì)對(duì)21世紀(jì)的科技應(yīng)用和開(kāi)發(fā)產(chǎn)生重大的影響。當(dāng)然，精確預(yù)告未來(lái)是不可能的，粒子物理發(fā)展的歷史曾經(jīng)充滿出乎意料的發(fā)現(xiàn)，它們轉(zhuǎn)而導(dǎo)致了出乎意料的新方向，有很多例子顯示這一點(diǎn)，這里面有物理學(xué)家的智慧，有時(shí)也會(huì)有錯(cuò)誤。很可能，我們目前的了解也是暫時(shí)的，我們的基本概念和理論在21世紀(jì)中還會(huì)經(jīng)受重大的改變。正如中國(guó)古代哲人老子所說(shuō)：被表達(dá)的原則不可能是絕對(duì)的原則，被命名的名字不可能是永恒的名字。本文作者李政道系著名物理學(xué)家。1