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李政道：物理学的挑战
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李政道：物理学的挑战 摘选 除新星外，还有超新星（supernova）。超新星的亮度是太阳的1010倍。像太阳这样的星，当它的氢核完全变成氦核时，就变成中子星，这个中子星直径只有几千米。所以像太阳这样大的星一下子变成几千米大，就要变成超新星了。关于超新星，全世界最早、最完整的记录也在中国，是1056年宋朝时发现的。宋朝的天文记录已经很详细，每天有记录,记录中说，当超新星刚出现的时候，大如鸡蛋，然后它的亮度一天天慢慢变小。从记录中可以推出现在的蟹状星云是哪个时候哪颗超新星演变产生的。这颗超新星的寿命差不多是一年。 我想介绍一下中国古代对于天体构造的看法。中国很早就推测地是圆的，天也是圆的。这是诗人屈原推测的。屈原在他的《天问》里写着： 九天之际，安放安属？ 隅隈多有，谁知其数？ 东西南北，其修孰多？ 南北顺椭，其衍几何？ 屈原用解析推理的方法，也就是“细推”了地是圆的。当时没有实验的证明，是推理出来的。屈原充分运用了诗人的想象力和解析思考能力，那是公元前5世纪。得到了这样重要的结论：天像蛋壳，地像蛋黄，两者都可以转，所以中国从古代开始，天体的运行轨道就有黄道、赤道两个道。屈原接着推测，地的形状可能偏离完美的球形，可能是椭球形。他问：“东西南北，其修孰多？南北顺椭，其衍几何？”屈原问，赤道圆周比通过南北两极的圆周，哪个更长。南北顺椭圆的长度到底多长。但是屈原并没有回答这个问题，因为他那时不知道，我们现在才知道地球的赤道直径和极直径差得很小，可是那个时候他问这个问题是相当了不起的。 在中国的古书上有一个很重要的观点，“以苍璧礼天,以黄琮礼地”。中国古代有天坛、地坛，现在又多了世纪坛。在中国天地观念很深，可是为什么是以苍璧礼天，以黄琮礼地呢？这个问题在文献上讨论繁多，李约瑟书上也讲，璧和琮与中国的古文化有很密切的关系。中国商代的璧是圆的，直径20．4厘米，以这个礼天，直觉上也许有道理。琮的结构比较奇特，外边是方的，中间是圆的、空的，其长度为48.9厘米。为什么琮代表地呢？下面谈一下我个人的见解，为什么古人用璧和琮来代表天地。 璇玑基本是圆形的，比璧稍复杂一点，样子与璧很像，大小也差不多，但周边有凹槽，中间有圆孔。按照西汉的文献《书尧典（疏）》记载： 璇美玉也。玑转运，径八尺，圆周二丈五尺强， 是王者正天文之器。汉世以来，谓之浑天仪。 璇玑是一种“径八尺，圆周二丈五尺强”的圆盘，是“王者正天文之器”。自汉朝以来，很多人认为它是浑天仪的前身——璇玑玉衡中的一个部件。为什么它是天文仪器？我根据它的结构假设它的作用，璧和琮合成象征同一件古代天文仪器，璧本身是璇玑的简化品。 我们祖先的初始文化跟其他地方的古文化不同，她产生于中原，而其他古文化都是在河流入海处产生的。埃及文化产生在尼罗河，美索不达米亚文化也产生在河流入海处，而中国是中原文化，她的发达和繁荣特别需要天文来确定四季。 假如拍摄夜空的话，就会发现一晚上每颗星都是沿圆弧运行的，但是作为一个整体,它们之间的相对位置是不变的。当然地球在转，所以我们看天都在动，所有星的转圈都是绕着一根不动的轴。我们的祖先也会发现天空的球面有一点是不动的，显然这一点有它的重要性。设想当时的天文仪器可能就是要固定这个不动点的位置，这样一个仪器显然也要转，此外还有一个必要条件是，把轴心固定，使之对着不动的这一点（称为正极）。 如何固定直径八尺的大圆盘呢？也许可以用琮，我考虑固定直径八尺的璧，圆心一定要对准那个正极，最好是用一个大的盘子——璇玑。盘子边上有三个凹槽，每个凹槽对着一颗比较亮的星。晚上天上星体是动的，使盘子随着这三颗星转，再用轴心把正极定出来。 假定就是这样一个构造，那么必需要有三个凹槽，璇玑有好几个凹槽，但其中有三个凹槽跟其他凹槽不同，每个都成正方形，而且相互间的位置近似一个正三角形的三个顶角位置。所以把这三个凹槽对着三颗比较亮的星，当晚上天上星在转时，璇玑跟着转。用很长的管子穿过璇玑中间的圆孔，管子中间是空的，它的轴心对准正极，用石基来固定长管。盘的凹槽对准三颗星，随天而转。长管子是竹头做的，中间空，这样就确定了正极的位置。这个竹做的长管子当然不太结实，要在其外面包以大石块，才能跟地固定，“与地永恒”，所以就呈琮的样子。天和地由此连起来了。 古代这样的仪器有多大准确性呢？假定竹管长十五尺，竹管的微孔直径为二毫米，大圆盘璇玑直径为八尺，可估计出正极的角位能定准到0.012度。近代的实验比这个还准确一点，但这样一个古仪器的准确度也至少可到1％度左右。这个仪器，就解释了璧代表天，琮代表地，也解释了它们的形状，后来就演变成现在的璧和琮。中国的古文化是很值得骄傲的，它跟天文有密切关系。 使用这个天文仪器需要有几个条件，正极需要有一颗星，并且另外还要在三个最好的位置有成等角三角形的亮星。现在的星座，北极星在正极的位置，周围也有三颗亮星，可是，这个正极本身有一个轨道，正极的轨道每25000年走一圈，在商朝时，北极星不在正极的位置，正极位置没有星。 那么更早在什么时候正极恰好有颗星呢？公元前2700年，紫微星座刚好有一颗星，右枢在正极的位置，比现在北极星离正极更近一点。周围刚好还有三颗星，对着凹槽，它们是紫微星座的少宰和上辅，北斗星座的摇光。所以说，假如这个假定是对的，那就是在公元前2700年。也就可以比较准确地定出中国文化的起始年代。 我常想一个问题：中华民族的文化为什么是连续的？这是有道理的。中国文化发源于中原，而且中华民族没有一个系统性的宗教，没有其他文化的宗教束缚。可能上述关于“璧、琮”假设和其他推理是对的，中国的天文在公元前2700年已经相当发达，对星的定位已准确到1％度，因而也可以确定耕种农时。如果到故宫去参观，可以看到很多铜器，其中大的鼎、尊等都跟吃喝有关。中国的文化一直延续至今是因为她以科技为基础，以民生为目的，所以比较容易延续。今天来庆祝中国科学院成立50周年，是要在我们老祖宗给我们打好的基础上，使中国文化更加发扬光大。 20世纪物理学的成就 下面我想讲一下20世纪物理学的成就。1897年，汤姆孙发现了电子。这个发现对于物理学的影响非常之大，从那时起，我们遵循了这样一条原则，就是大的由小的组成，小的由更小的组成，所以我们的目的是找出所有物质的最基本的粒子。我们相信，只要把基本粒子找出来，就可以了解其他大的物质。由于量子力学的不确定性原理，研究愈来愈小的东西，一定需要愈来愈高的能量，这就是要造愈来愈大的加速器的道理。现在已成功地归纳出所有物质是由6种轻子和6种夸克组成的。丁肇中先生1974年发现了一种夸克，即粲夸克，紧接着就发现了τ轻子。北京正负电子对撞机也为τ轻子质量的测量做了很重要的贡献。 此外，19世纪末20世纪初期有两项重要的进展，迈克耳孙－莫雷实验和普朗克建立的方程式。迈克耳逊和莫雷的实验是1887年在美国做的，他们测量顺地球转动方向的光速和背着地球转动方向的光速。简单的想法是，顺地球转动方向光要走的快一点，反之就要慢一点。但实验结果是两个方向的光速相同。 普朗克方程式是针对热的物体如何发光的问题的，物体的温度不同有不同的光谱，不同波长的光有不同的能量的分配，普朗克推测了这个能量分配，提出了量子概念，得到的普朗克方程式与实验符合，而经典的物理学是不能求得这个方程式的。 上述两项似乎跟日常生活没有太大关系的发现，却在20世纪产生了很大的影响。 迈克耳孙和莫雷实验引出了爱因斯坦的狭义相对论，普朗克方程式引出了量子力学。因而到1925年，近代物理的理论基础被人们了解了。随后，原子结构、分子物理、核能、半导体、超导体、计算机、雷达、激光等等都产生了。没有量子力学，没有狭义相对论，就没有这些20世纪的科学文明。看起来跟我们日常生活不太有关的这两个基本的发现，引起了大批我们现在可以享受的应用。其中基础与应用的关系是在短短的二三十年发展起来的。同样可以说，20世纪末到21世纪也会有类似的发展。 我在电视台接受采访时，被问及许多人才培养方面的问题，什么样的人才才能有所发明、有所发现等等。这个过程是怎样的？这个过程当然很复杂，我从科学家做出重大发明、发现时的年龄来说明一下。 1905年爱因斯坦提出狭义相对论时才25岁；1912年玻尔提出量子论时27岁；1925年薛定谔、海森伯和泡利建立量子力学时分别是37岁、24岁、25岁；1927年狄拉克25岁完成了相对论性量子力学；1935年汤川秀树提出介子理论,28岁建立了核力基础理论。 我在这里要着重提一下，创建量子力学时，很多从事这方面工作的科学家都访问过玻尔的研究所，那时玻尔年纪也不大，40岁不到，爱因斯坦年纪也不大，按照中国现在的说法是中年和中青年。可是建立量子力学的不是玻尔、爱因斯坦，而是一批更年轻的科学家。到第二次世界大战以后，又是一批年轻的科学家，36岁的朝永振一郎、28岁的施温格、29岁的费恩曼完成了量子电动力学的理论基础。 到1950年代，新的基本粒子被发现了，这些新问题的解答，是由另一代年轻的科学家作出的。盖尔曼提出奇异量子数时才24岁。杨振宁和我，分别是33岁、29岁发现宇称不守恒。吴健雄44岁实验证明了宇称不守恒。1960年代，29岁的格拉肖和34岁的温伯格统一了电磁作用与弱作用。1999年得诺贝尔奖的霍夫特（G.'t Hooft）和费尔特曼（M.J.G.Veltman），也都是更年轻的一代。物理学这些重要成就的创造在于青年。 关于生物学，DNA的分子结构是由39岁的克里克和27岁的沃森发现的。我相信科学的成就属于青年，这个规律不会变。 人才的成功有四个必要条件：要培养年轻人；要选准方向；要创造环境使得能够专心做研究；同时要抓住时间和机遇。怎样才能认识方向，创造环境，紧抓时间和机遇，需要上一代的科学家、政策和领导的支持。我想中国在这方面国家政策是正确的，上一代科学家也是很关心的，所以将来的成绩会很大，21世纪，我们可以看到中国科学的发展。 21世纪物理学前景 ——当代科学的重大问题 大的发展一定是从大问题上引发出来的。我提出四个问题，当然重要的问题比这四个多得多。 第一个问题，宇宙有三种作用：强作用、电弱作用、引力场。这三种作用的基础都是建立在对称的理论上的。可是实验不断发现对称不守恒，为什么我们的理论，尤其是在1950年代发现宇称不守恒以后似乎应越来越不对称，但实际不然，理论越来越对称，而实验越来越多地发现不对称，使人觉得理论不行。 第二个问题，现在所知道的基本粒子有6种轻子、6种夸克，但是夸克不能单独存在，是看不见的，这很奇怪。 天体物理学也有两大问题。第一个问题，整个宇宙至少90％以上（很可能99％以上）是暗物质，而不是已知的物质。第二个问题是关于类星体，类星体的能量是太阳的1015倍，超新星的能量是太阳的1010倍。可是超新星仅有约一年的寿命。而类星体一直还在发光，它如此巨大的能量来自何处，我们不知道。 我先讲一下“对称”与“不对称”。为什么我们相信对称，而我们生活的世界充满了不对称，这个矛盾怎样理解？有一个理解方法，就是最多的非对称的可能性是与完全的对称一样的，就是完全的对称会产生最多的非对称。这个提法，看来好像矛盾，但它不但不矛盾，很可能宇宙就是如此。 举个简单的棍子弯曲的例子。对棍子施以压力，当压力小时，棍子就被压缩，压力增大，超过一个极限，就弯曲，该极限由欧拉方程式决定，早在300多年前欧拉就给出了解。 可以用这个例子来解释对称和非对称的关系。假如棍子截面是圆的，圆截面是最完全的对称，而棍子可以向各个方向弯曲，可能弯曲的方向无穷多，每一个弯曲都是不对称的。圆表示最对称，可是截面是圆的棍子弯曲时，它有无穷多的非对称的弯曲可能性。假如棍子的截面是长方形，它只有两个方向可以弯曲，如果是半月形截面，那只有一个方向可以弯曲。所以非对称的可能性与本质的对称有密切关系，本质越对称，非对称的可能现象就越多，由此对称和非对称可以联系起来。 再进一步讨论，假如棍子弯曲了，已经是非对称了，不切开棍子的截面，怎样可以知道它的截面是否为圆。如果棍子的截面是圆的，它可以向任意方向弯曲，朝任意方向弯曲的能量相同，推一下棍子，它可以转变到另外的方向，这不需要能量，是可以测量的。第一，对称的圆棍子能产生最多的不对称弯曲的可能性，而且，不同的不对称的弯曲方向可以通过转动连接起来。所以，在不对称的位置，测量有没有不需要能量就可以激发这些的态，假如有，就可以知道截面的形状。显然不同的不对称态是同一个能量级的，可以把这些能级归到一个新的能带，叫作戈德斯通玻色子。所以，在不对称的形态下可以推出本来是否对称。 上述例子对于粒子物理有什么意义呢？粒子物理不是棍子，什么态类似于棍子，是真空。真空的物理定义也许应该是对称的，可是物理的世界是不对称的，物理的真空很可能也是不对称的。这也就解释了当前的几个重大问题。即为什么理论是对称的，而实验不对称。 基本粒子并不代表所有的宇宙，基本粒子是在物理的真空界之内的，物理的真空很可能不对称，可以激发。真空是一个没有物质的态，可是，因为作用可以通过真空，所以真空的能量可以有涨落，真空由此很复杂，像超导体，可以有相变。也许可以破坏CP（正负粒子的对称与左右的对称）守恒与时间对过去和未来的对称性。 激发真空是目前物理学研究的重要内容，美国布鲁克黑文国家实验室刚刚完成的相对论性重离子对撞机（RHIC）就是用来激发真空的，这台加速器投资10亿美元，它能够把金的每一个核子能量提高到1011电子伏，整个金核的能量达到20万亿电子伏。它的目的是让两个高能量金核对撞。由于能量很高，金核可以互相穿透再分离，但是将相互穿透的空间的真空改变了，这个改变可以延续一个短时间，由此可以研究真空在这短时期中是怎样改变的。预测在这个真空中可以有自由夸克，而且它们可以凝聚，这是很热门的问题。RHIC刚刚建成，2000年开始做实验，探测器已经完成，要研究真空怎么改变。假如我们能够改造真空，很可能也会了解一些宇宙开始时的情形，这就联系到21世纪物理学的前景。 要了解21世纪的物理学前景，就要面向现有的几个重大问题，其中之一就是为什么夸克不能单独存在。主因是真空跟超导体相似，现有的真空把夸克禁闭起来了。2000年可以开始进行改造真空的实验。 另外一个是暗物质问题，暗物质的存在有什么根据呢？看一个直径约为20千秒差距的星系。在星云周边，随便哪个星，哪个灰尘，或者气体云，都各以某一速度运动，离心力是速度的平方除以那一物体离中心的距离R，这个离心力应跟引力相平衡。引力是牛顿常数跟星云质量相乘，除以R的平方。所以测量这个速度，如果已知它离星云中心的距离R，就可以算出在这个星云里有多少物质存在。 以星系NGC3192为例，该星系发光的区域长约15千秒差距，但到距离中心30千秒差距处，星的速度还在增加，这表示除了看得见的物质外还有绝大多数看不见的物质。看得见的物质包括用电磁波、红外光可以测量。看不见的暗物质不发可见光、红外光或电磁波，但有万有引力。由于暗物质的存在，远离星系中心的物质的速度不随距离的增大而减小。这种现象并非个别，对967个星系测量的结果都如此，没有一个例外，即所有的星系中极大多数的物质都是暗物质，暗物质有引力，与看得见的物质一样，但其他性质完全不同，不是我们熟悉的物质，我们熟悉的物质在宇宙中是少数。 再看类星体，它的能量是太阳能的1015倍。我们不知道这是什么能量。最早在1961年发现类星体3C273（3C是英国剑桥第三卷射电源表，273是它的顺序号），1982年2月，它一天之中能量增加一倍。现在已知像这样的类星体大概有100万个。 暗物质是什么我们不了解，类星体的能源我们不知道，所以这个宇宙充满了人类还没有了解的东西，要年轻一代去深入研究。 总结20世纪的物理学发展，可以简单地说，它着重简化、归纳。另外，我们相信找到最基本的粒子，就会了解大物质的构造。这个方向使我们获得了很大的成功。可是，到20世纪中叶，我们发现，不是光知道基本粒子就能完全了解整个宇宙大问题的，对称与不称的矛盾、看不见的夸克、暗物质、类星体都在基本粒子之外。我猜21世纪的方向要整体统一，微观的基本粒子要跟宏观的真空构造、大型的量子态结合起来，这些很可能是21世纪的研究目标。 物理学所处理的对象比生物学的要单纯一点，所以我们容易集中目标。物理学的研究有一套手法，即极强的计算精密度、理论预测和实验观测。它们都应满足高度的精密要求，就是杜甫说的“细推”。物理学的应用常引发科学广泛的发展，像计算机因特网上常用的万维网（WWW）和超大型文本（HTML），就是由研究高能物理的西欧核子中心的研究人员为了交换实验数据而发明的，现在已经应用于日常生活。物理学也影响生物学，1950年代克里克和沃森研究DNA的分子结构，后来基因研究大发展，也是沿着20世纪物理学的简化、归纳方向展开的。物理学跟生物学以及其他学科有极密切的关系，20世纪物理学和生物学相辅相成，我相信21世纪也一样，生物学不单基因研究很重要，也要了解什么是生命，这是整体。 物理学与生物学的合作又可以更进一步地发展21世纪的科学文明，也将产生21世纪新的应用。当然20世纪很难猜测21世纪将会怎样，就像在19世纪很难猜测20世纪是怎么样的。不过20世纪的科学文明是与19世纪的重要问题密切相关的，同样，21世纪的科学文明也跟现在知道的一些重大问题会有密切关系。 最后我以此祝愿中国科学院的将来也具有这样的大爆炸——科学的将来！ [ Last edited by lizhongzheng on 2005-12-21 at 14:09 ] |
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