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标  题: 21世纪物理科学发展展望
发信站: 哈工大紫丁香 (2002年09月09日20:42:25 星期一), 站内信件

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标  题: 21世纪物理科学发展展望---李政道
发信站: BBS 曙光站 (Thu May  7 08:15:03 1998)

21世纪物理科学发展展望

                                 李政道

　

19世纪末20世纪初，物理科学中有两个相当重要的科学发现。一个是迈
克耳孙莫雷实验。这个实验证明，光顺着地球运动和逆着地球运动的
速度是完全一样的。另外一个是普朗克的一个公式，炽热的物体放光
时，会有不同的波长，普朗克对波长的分布提出一个猜测公式，与实验
很好地符合。这两个问题用经典的理论和方法是无法解决的。这两个发
现虽然都很稀奇，但当时它们同日常生活并没有什么直接联系。

可是不久以后，即从第一个发现产生了狭义相对论，从第二个发现产生
可是不久以后，即从第一个发现产生了狭义相对论，从第二个发现产生
了量子力学。到1925年，人们对这两个领域(即狭义相对论和量子力学)
已完全了解了。由此又发展出原子构造、分子构造、核能、激光、半导
体、超导体、X光，以及超级计算机等理论和应用。1925年以后，几乎
所有的物质文明，都是从这两个基础发现衍生出来的。

关于21世纪物理科学的发展前景，我认为是很好的，因为目前的情况与
20世纪初很相似。

                                    太阳风示意图

20世纪初的两大发现，导致两大科学疑问的提出，即光顺地球运动和逆
地球运动时的速度为什么一样?如何解释炽热的物体发射的光谱?现在同
样也面临两个疑问：其一，目前的物理理论都是对称的，而实验却发现
了不少对称性的破缺(1997年是吴健雄博士做宇称不守恒实验的40周年纪
念。她的文章是40年前的2月15日发表的，她于1997年2月16日去世)；
其二，有一半基本粒子是至今一点都独立不出来的。我们已经知道，所
有的中子、质子、原子、分子，都是由两类基本粒子组成的：一类是夸
克；另一类是轻子。一共有6种夸克，6种轻子。可是这6种夸克，每一个
都不能单独自由行动，从来没有人观察到它们可以自由的存在。

关于理论上对称而实验上对称破缺这个问题，现在的认识是，这个对称
的破缺来自于真空。什么是真空?真空是没有物质(粒子)的态，可它仍有
饔茫凶饔镁陀心芰康恼锹洹Ｕ庵帜芰康恼锹涫强梢云苹刀猿频摹�

为什么夸克走不出来呢?这和超导类似。超导是抗磁场的，假如有一块材
料没变超导前有磁场通过，一变成超导，磁场就被排出来了。假如一个
圆圈里面有磁场，这圆圈没变超导前，磁场可任意进出；而一旦变成超
导，磁场就出不来了。在真空的涨落中，很可能有磁单极子和反磁单极
子，它们是抗量子色动力学电场的。可以认为，真空是物理的相对论性
凝聚态，它虽是没有物质(粒子)的态，但却是有作用的，也就有可能被激
发。

根据相对论性重离子碰撞理论，两个高能量的金核(单个核子的能量为
100吉电子伏)相互碰撞后，相互穿过对方，并在两核中间产生新的真
空，在这样的真空中夸克可以自由行动。这方面的研究正在进行，相对
论性重离子对撞机设在布鲁克黑文，1999年就可建成，总投资约10亿美
元。

如果真空可以被激发，粒子的微观世界和宏观的真空就结合起来了。这
将是一个新的发展。我们用对撞机来研究这个问题，是想人工模拟出一
个状态，它和当初宇宙开始大爆炸的情景相似。大爆炸开始于一个激发
的真空，人工制造出类似的状态，也许可测量得到大爆炸之初的若干特
性。宇宙中有一种叫作类星体的东西，人们知道它不是普通的星，但对
它知之甚少。对它的能量来源，就一直未搞清楚。太阳的能源是核能，
它知之甚少。对它的能量来源，就一直未搞清楚。太阳的能源是核能，
而一个类星体的能量比太阳的能量要大得多，可以是太阳的1015倍，这
绝对不可能来自核能。在宇宙中估计共有100万个类星体，其中正在仔细
研究的有1000个。

                         类星体3C273的照片
类星体最早发现于1961年，那年发现了两个，其中之一是3C273。3C代
表英国剑桥第三射电源表，273是其顺序号。这个类星体在1982年2月，
一天之内能量增加了一倍。不仅能量大，而且可以在一天之内增加一
倍，这是非常稀奇的。宇宙中还有很大能量的来源，至今仍是未知的。

宇宙中的另一个大问题是暗物质。从引力的计算，人们知道有暗物质存
在，可是用光无法探测，用红外、紫外、X光都无法探测到。

               宇宙里90%以上是暗物质。暗物质存在的证明很简单。拿
任何一个星系来说，测量在距离该星系中心r处的任何星(或尘埃、粒子等
)的速度u，令M(r)是从星系中心至r间的引力质量。从万有引力定律和圆
周运动方程可得

G为引力常量。离星系非常远处，如果M(r)不继续增加,u应该越来越
小。可是事实上不然。拿NGC3192来说，u并不减小，就说明有很多引
力质量在里面。NGC3192并不是单独的例子，现在已测量的有967个星
系，所有的都是这样，没有一个例外。这些暗物质是什么我们不知道。
所以，在我们的宇宙中有90%以上的物质我们不知道，有极大的能量来
源我们不知道。

100年前，英国物理学家汤姆逊(J. J. Thomson, 1856～1940)发现了电
子。这极大地影响了20世纪的物理思想，即大的物质是由小的物质组成
的，小的是由更小的组成的，找到最基本的粒子就知道最大的构造。这
个思想就应研究它的基因，了解基因就可能会了解生命。但我们现在发现并不
然。小的粒子，是在很广泛的真空里，而真空很复杂，是个凝聚态，是
有构造的。也就是微观的粒子和宏观的真空是分不开的，两者必须同时
处理。

以为知道了基本粒子，就知道了真空，这种观念是不对的。从这个简单
化的观点出发，不会有暗物质，也不会有类星体这类的东西。我觉得，
基因组也是这样，一个个地认识了基因，并不意味着解开了生命之谜。
生命是宏观的。20世纪的文明是微观的。我认为，到了21世纪，微观和
宏观会结合成一体。不光物理学如此，这也许还会影响到生物学和其他
科技的发展。例如造计算机，是不是越小的集成电路就越好呢?可以把集
成电路芯片越造越小，小到氢原子，可是我们对氢原子已完全了解，这
里已不可能再有什么信息。可能21世纪计算机的芯片会是比较大的，个
凝聚态的单位，这里的信息才更多。

在基础科学的研究中，微观和宏观必须结合起来，这个结合对科学技术
的应用和开发，可能会有极大的影响。20世纪的科学发明在19世纪末都
是很难想象的!没有20世纪初基础科学的突破性发展，本世纪的科技应用
和开发也就失去了基础。21世纪也许会有同样的发展。目前，微观和宏
观的冲突已经非常尖锐，靠一个不能解决另一个，把它们联起来或许会
有所突破。这种突破会影响我们的未来。

21世纪的物理科学，可能会在以下一些基本问题上取得突破性进展：激
发真空；微观和宏观的物理的结合；模拟宇宙大爆炸之初的状态；了解
暗物质，了解类星体的能源，了解CP不对称的原理等。什么是CP不对称
呢?粒子和反粒子，左和右不对称，就是CP不对称。因为CP不对称，所
以我们能够存在。我们都是质子和电子的，我们宇宙里没有很多的反质
子和正电子。在大爆炸一开始它们应该是一样的，所以CP不对称也是一
个很重要的问题。

中国的国情和美国、日本都不一样。

我们必须正视的现实是贫穷和落后。少数人会在贫穷和落后面前失去自
尊、自信和希望，而更多的人则会在逆境中奋起。要摆脱贫困，实现人
类的希望就离不开科学。这和小平先生的思想是一致的。我最近看见家
宝先生写的文章，也看了路甬祥先生的文章。他们两位的观点很确切，
没有科学就摆脱不了贫困，也不会实现人类的希望。

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