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发信人: wangcx (水耗子), 信区: Physics
标  题: 展望21世纪科学发展 (转信)
发信站: 哈工大紫丁香 (Thu Sep 12 21:22:40 2002) , 转信

http://www.strong.online.sh.cn/yl/science/9901/s99013.htm
展望21世纪科学发展
李政道
　　当前正处在世纪之交，大家都很关心未来世纪的科学发展前景，这是个很好的现象
。只有关心未来，才能预见未来，更好地为未来的目标奋斗。
　　要了解未来，首先要了解现在，因为明天总是在今天的基础上发展而来的，当我们
要了解21世纪的科学发展趋势和前景时，首先应当回顾一下本世纪科学发展的历程。
20世纪的两个重要实验结果
　　19世纪末到20世纪初，物理科学中有两个十分重要的实验发现一直困扰着人们。一
个是1887年由迈克尔逊和莫雷所做的光速实验,这个实验发现并证明，光在顺地球转动方
向与逆地球转动方向的速度是完全相同的。另一个是所谓的黑体辐射，即热的物体发光
时，会产生连续的、难以理解的波长分布。普朗克在1900年对黑体辐射实验作了解释，
并给出了一个波长分布公式，运用这个公式计算出的波长分布情况同实验结果非常相近
。
　　在当时，上述两个实验结果似乎同日常生活没有什么关系，但是经典物理学难以解


释这种奇特的物理现象。所以，它深深地吸引着物理学家们去积极探究其中的奥秘。
　　到了本世纪20年代，经过物理学家们的努力，这两个著名的物理实验结出了重要的
理论之果。光速实验逐渐演变，形成了狭义相对论；黑体辐射实验演变成为量子力学。
　　物理学科中的这两个新理论，带来了科学技术的飞跃。在此后的几十年间，原子构
造、分子构造、核能、激光、半导体、超导体、X射线技术、超级计算机等一系列新的科
学技术如雨后春笋般地纷纷问世。它们都是在狭义相对论与量子力学的指导和影响下发
展起来的。我们甚至可以认为，整个20世纪的物理科学都是从这两个物理的基础理论发
展衍生的。直到现在，它们依然在为科学技术专家广泛的研究和开发指引方向，新技术
、新产品和新的物质享受也因此层出不穷，不断丰富、提高了人类的生活质量。
　　人们都说，20世纪是人类历史上物质文明发展最快的世纪，是新技术革命的时代。
这种物质文明的进步和新技术革命的力量源泉都来自科学基础理论的不断突破。在人类
科学史上，20世纪是科学技术飞跃发展的世纪。
21世纪面临的重大疑问
　　展望21世纪的科学发展，以我个人的看法，物理科学发展前景是很好的。
　　目前物理科学的情况同20世纪初期出现的情况非常相似。20世纪初，两个著名的物
理科学实验及其发现，向世界物理科学界提出了疑问：为什么光顺着地球转动方向运动
与逆地球转动方向运动，其速度是相同的？如何解释热的物体发光时会出现按波长分布
的光谱？物理学家们围绕着这两个疑问进行广泛研究，由此导致了一系列新的物理科学
规律的发现，以及新的理论的建立。
　　现在，我们物理科学工作者也面临着两个重大的疑问。
　　第一，传统的物理理论认为，物质的运动都是对称的，但是经典理论研究和实验发
现，在弱相互作用过程中，物质运动的这种对称性被破坏，而出现不对称。为什么会出


现不对称？究竟是什么力量在起作用？这是亟待研究的问题。
　　第二，在20世纪，我们对基本粒子的研究成就非常大。我们已经知道，所有的物质
都由两类基本粒子组成，一类是夸克，一类是轻子。我们现在已经发现有六种夸克和六
种轻子。但是，至今还没有人观察到这六种夸克的单独自由运动状态，这又是为什么呢
？
　　上述两个疑问是在微观世界中发现并提出的。在宇宙中还存在另外两个大的疑问—
—“暗物质”和“类星体”。
　　从引力分布来看，我们可以认为宇宙中是有暗物质存在的。以星系 NGC3192为例，
在距这个星系中心r处，任何星或星际尘埃、粒子等的速度是u。M(r)是离开星系中心距
离为r的区域内的引力质量。从牛顿定理可知：GM(r)/r2 = u2/r。这里G是牛顿引力常数
。
　　当离星系非常远时，r增大时M(r)并不继续增加，u应该越来越小。可是，事实并非
如此。任何一个星系，则其速度u不会减小，这就说明当r很大时，仍然有许多引力质量
在起作用。
　　NGC3192不是仅有的例子。科学家们测量过的967个星系，所有星系的情况都与NGC3
192一样，所以，研究宇宙中的“暗物质”很重要。目前，用我们掌握的各种光学手段，
如可见光、红外线、紫外线、X射线等都不能发现“暗物质”。这种暗物质在宇宙中占到
90％以上，所以我们现在能看见的物质只占宇宙的很小一部分。 “暗物质” 是什么？
它的构造、运动、能量等各方面都还不知道。
　　1961年，天体物理学家在宇宙中发现了两个类星体，最早发现的那个类星体叫做3C
273。3C是英国剑桥目录的第三本，273是其中第273颗星。1982年2月，天体物理学家观
察到，3C273在一天之内能量增加了一倍。这个奇特的现象说明，在宇宙中还有巨大的能


量存在，我们尚且不知道这种巨大的能量来自何处。估计在宇宙中约有100万个类星体，
科学家们正在对其中1000个进行仔细研究。据研究的结果显示， 每个类星体的能量是太
阳的1015倍，而这个能量绝不是核能量。太阳的能量是核能量，类星体的能量比太阳大
很多，这是一种什么能量？又是从哪里来的？我们现在也还是不知道。
寻求答案
　　针对这些疑问，科学家们进行了一系列研究，并取得了一定的成果。
　　对于在弱作用下对称性被破坏的问题，我们认为这种破坏来自“真空”。“真空”
是没有物质的态，但是它仍有能量的涨落，能量的涨落导致了对称性被破坏。
　　另一个问题，夸克为什么不能单独自由运动？这也同“真空”有关系。在“真空”
的涨落中，很可能有色磁单极子和反色磁单极子存在，它们能抵抗色的量子场的传播，
阻止夸克单独自由运动。
　　至于宇宙中的类星体、暗物质，我们则知之甚少。由于150亿年前的大爆炸，宇宙逐
渐膨胀起来，暗物质和类星体就是在大爆炸中形成的。从理论上推算，大爆炸“形成真
空”并使“真空”发生演变。所以暗物质、类星体也都同“真空”有关。
　　综上所述，我们可以看到，当前物理科学中出现的未解之谜都同“真空”有一定关
系。到底什么是“真空”，这个问题值得深入研究。我们现在的认识是，“真空”是物
理的相对论性的凝聚态，它虽然是没有物质的态，但它确实是有作用的，也是可以被激
发的。
　　21世纪，就要通过实验研究去寻求物理科学中这些疑难问题的答案。目前，美国已
投资10亿美元在长岛布鲁克黑文实验室筹建目前世界上耗资最大的对撞机。这台超大型
对撞机计划在1999年建成。
　　科学家们准备在这个对撞机上做一系列重离子碰撞实验，设想在100吉电子伏/牛的


高能条件下实现金核和金核的对撞。这样，金核便会相互穿透，在两核中间形成新“真
空”。在这个新“真空”中，夸克可以单独自由运动。通过这个实验研究，或许会有新
的发现，这些发现会帮助我们对上面提到的那些物理学的难题形成一些新的认识。
物理学的发展趋势
　　在展望21世纪科学发展前景的时候，必须把微观世界的研究与对宏观世界的研究结
合起来，这是物理科学今后发展的一个重要趋势。
　　在100年前，汤姆逊（J.J.Thompson)发现电子后，物理科学研究都着眼于对微观世
界的探索，物理思维的逻辑就是，大物质由小物质组成，小物质由更小的组成。找到了
最基本的粒子就可以知道最大物质的构造。这种思维逻辑影响着整个20世纪，不仅影响
到物理科学，也影响到生命科学。引导了生物科学的研究方向，并在基因领域的研究中
获得成功。但是，知道了基因，并不就是了解了生命。科学发展的实践告诉我们，情况
并非如此简单。
　　在物理科学中，小粒子总是在广泛的“真空”中，而“真空”是个凝聚态，它有自
己复杂的构造、能量和作用规律。也就是说，微观的粒子与宏观的“真空”是密不可分
的，在研究时要把微观的粒子同宏观的“真空”结合起来，全面观察分析。孤立地研究
粒子会产生局限性，片面地认为知道粒子就知道了 “真空” 是不正确的。
 





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