21世紀物理科學發(fā)展展望.doc

21世紀物理科學發(fā)展展望 李政道19世紀末20世紀初，物理科學中有兩個相當重要的科學發(fā)現(xiàn)。一個是邁克耳孫,莫雷實驗。這個實驗證明，光順著地球運動和逆著地球運動的速度是完全一樣的。另外一個是普朗克的一個公式，熾熱的物體放光時，會有不同的波長，普朗克對波長的分布提出一個猜測公式，與實驗很好地符合。這兩個問題用經(jīng)典的理論和方法是無法解決的。這兩個發(fā)現(xiàn)雖然都很稀奇，但當時它們同日常生活并沒有什么直接聯(lián)系?？墒遣痪靡院?，即從第一個發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了狹義相對論，從第二個發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了量子力學。到1925年，人們對這兩個領域(即狹義相對論和量子力學)已完全了解了。由此又發(fā)展出原子構造、分子構造、核能、激光、半導體、超導體、X光，以及超級計算機等理論和應用。1925年以后，幾乎所有的物質(zhì)文明，都是從這兩個基礎發(fā)現(xiàn)衍生出來的。關于21世紀物理科學的發(fā)展前景，我認為是很好的，因為目前的情況與20世紀初很相似。太陽風示意圖20世紀初的兩大發(fā)現(xiàn)，導致兩大科學疑問的提出，即光順地球運動和逆地球運動時的速度為什么一樣?如何解釋熾熱的物體發(fā)射的光譜?現(xiàn)在同樣也面臨兩個疑問：其一，目前的物理理論都是對稱的，而實驗卻發(fā)現(xiàn)了不少對稱性的破缺(1997年是吳健雄博士做宇稱不守恒實驗的40周年紀念。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都獨立不出來的。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，每一個都不能單獨自由行動，從來沒有人觀察到它們可以自由的存在。關于理論上對稱而實驗上對稱破缺這個問題，現(xiàn)在的認識是，這個對稱的破缺來自于真空。什么是真空?真空是沒有物質(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稱的。為什么夸克走不出來呢?這和超導類似。超導是抗磁場的，假如有一塊材料沒變超導前有磁場通過，一變成超導，磁場就被排出來了。假如一個圓圈里面有磁場，這圓圈沒變超導前，磁場可任意進出；而一旦變成超導，磁場就出不來了。在真空的漲落中，很可能有磁單極子和反磁單極子，它們是抗量子色動力學電場的?？梢哉J為，真空是物理的相對論性凝聚態(tài)，它雖是沒有物質(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)相對論性重離子碰撞理論，兩個高能量的金核(單個核子的能量為100吉電子伏)相互碰撞后，相互穿過對方，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。這方面的研究正在進行，相對論性重離子對撞機設在布魯克黑文，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合起來了。這將是一個新的發(fā)展。我們用對撞機來研究這個問題，是想人工模擬出一個狀態(tài)，它和當初宇宙開始大爆炸的情景相似。大爆炸開始于一個激發(fā)的真空，人工制造出類似的狀態(tài)，也許可測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，但對它知之甚少。對它的能量來源，就一直未搞清楚。太陽的能源是核能，而一個類星體的能量比太陽的能量要大得多，可以是太陽的1015倍，這絕對不可能來自核能。在宇宙中估計共有100萬個類星體，其中正在仔細研究的有1000個。 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，其中之一是3C273。3C代表英國劍橋第三射電源表，273是其順序號。這個類星體在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源，至今仍是未知的。宇宙中的另一個大問題是暗物質(zhì)。從引力的計算，人們知道有暗物質(zhì)存在，可是用光無法探測，用紅外、紫外、X光都無法探測到。宇宙里90%以上是暗物質(zhì)。暗物質(zhì)存在的證明很簡單。拿任何一個星系來說，測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。從萬有引力定律和圓周運動方程可得G為引力常量。離星系非常遠處，如果M(r)不繼續(xù)增加,u應該越來越小?？墒鞘聦嵣喜蝗?。拿NGC3192來說，u并不減小，就說明有很多引力質(zhì)量在里面。NGC3192并不是單獨的例子，現(xiàn)在已測量的有967個星系，所有的都是這樣，沒有一個例外。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，有極大的能量來源我們不知道。100年前，英國物理學家湯姆遜(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造。這個思想不僅影響了物理學，還影響到20世紀生物學的發(fā)展。要了解生命就應研究它的基因，了解基因就可能會了解生命。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，而真空很復雜，是個凝聚態(tài)，是有構造的。也就是微觀的粒子和宏觀的真空是分不開的，兩者必須同時處理。以為知道了基本粒子，就知道了真空，這種觀念是不對的。從這個簡單化的觀點出發(fā)，不會有暗物質(zhì)，也不會有類星體這類的東西。我覺得，基因組也是這樣，一個個地認識了基因，并不意味著解開了生命之謎。生命是宏觀的。20世紀的文明是微觀的。我認為，到了21世紀，微觀和宏觀會結合成一體。不光物理學如此，這也許還會影響到生物學和其他科技的發(fā)展。例如造計算機，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，可是我們對氫原子已完全了解，這里已不可能再有什么信息?？赡?1世紀計算機的芯片會是比較大的，個凝聚態(tài)的單位，這里的信息才更多。在基礎科學的研究中，微觀和宏觀必須結合起來，這個結合對科學技術的應用和開發(fā)，可能會有極大的影響。20世紀的科學發(fā)明在19世紀末都是很難想象的!沒有20世紀初基礎科學的突破性發(fā)展，本世紀的科技應用和開發(fā)也就失去了基礎。21世紀也許會有同樣的發(fā)展。目前，微觀和宏觀的沖突已經(jīng)非常尖銳，靠一個不能解決另一個，把它們聯(lián)起來或許會有所突破。這種突破會影響我們的未來。21世紀的物理科學，可能會在以下一些基本問題上取得突破性進展：激發(fā)真空；微觀和宏觀的物理的結合；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不對稱的原理等。什么是CP不對稱呢?粒子和反粒子，左和右不對稱，就是CP不對稱。因為CP不對稱，所以我們能夠存在。我們都是質(zhì)子和電子的，我們宇宙里沒有很多的反質(zhì)子和正電子。在大爆炸一開始它們應該是一樣的，所以CP不對稱也是一個很重要的問題。中國的國情和美國、日本都不一樣。我們必