21世紀科學發(fā)展前景

在19世紀末至20世紀初，物理科學中有兩個相當重大的科學發(fā)現(xiàn)：一個是邁克爾遜-莫雷（Michelson-Morley）實驗，它表明，光順著地球轉(zhuǎn)動和逆著地球轉(zhuǎn)動的速度是完全一樣的；另外一個是普朗克（Planck）提出的黑體輻射實驗，它表明，熱的東西放光時，會有不同的波長，普朗克對波長的分布公式提出了一個猜想，這與實驗符合得很好，這個問題用經(jīng)典的方法是無法解決的。這兩個發(fā)現(xiàn)，即光順著地球轉(zhuǎn)動和逆著地球轉(zhuǎn)動的速度一樣和熱的東西放光的光譜，都很稀奇，當時它們同日常生活并沒有什么關(guān)系?？墒牵瑥牡谝粋€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，人們對這兩個重大科學領(lǐng)域完全了解了，并且由此發(fā)展了原子構(gòu)造、分子構(gòu)造、核能、激光、半導體、超導體、X光、超級計算機，等等。假如沒有狹義相對論和量子力學，這些都不會有。從1925年之后，幾乎所有的20世紀的物質(zhì)文明都是從這兩個物理基礎科學發(fā)展衍生的?，F(xiàn)在，不光是應用，還在廣泛地開發(fā)。

關(guān)于21世紀的科學發(fā)展，我主要想講講物理科學的前景，我不敢講其他的科學，就是物理科學的前景也是我個人的看法。我認為，物理科學的發(fā)展前景是很好的。為什么呢？因為目前的情況正像20世紀初出現(xiàn)的情況一樣。20世紀初的兩個著名的科學發(fā)現(xiàn)，提出了兩個科學疑問：即光順地球轉(zhuǎn)動和逆地球轉(zhuǎn)動時的速度為什么一樣？如何解釋熱的東西發(fā)光的光譜？現(xiàn)在，我們同樣也有兩個疑問：第一，目前我們的物理理論都是對稱的，而實驗表明有些對稱性在弱作用過程中被破壞了（1997年是吳健雄先生做的宇稱不守恒定律實驗的40周年紀念，她的文章是1957年的2月15日發(fā)表的，她是1997年2月16日去世的）；另外一個疑問是一半基本粒子是永遠獨立不出來的。我們現(xiàn)在知道，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地存在。我們現(xiàn)在認為，理論是對稱的而實驗表明對稱被破壞這個疑問被解答為這個破壞來自于真空。什么是真空？真空是沒有物質(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，假如有一塊材料沒有變成超導前有磁場通過，一變成超導，磁場就被排出來了。假如有一個圓圈，里面有磁場，沒變成超導前磁場可以任意進出，一旦變成超導，磁場就走不出來了。我們認為，在真空的漲落中，很可能有單磁子和反單磁子，它們抗量子色動力學的場。我們認為，真空是物理的相對論性的凝聚態(tài)，它雖然是沒有物質(zhì)的態(tài)，但卻是有作用的，也是可以激發(fā)的。

相對論的重離子碰撞，通過高能量100GeV/N的金核和金核相碰撞后，金核可以相互穿過去，在二核中間產(chǎn)生新的真空，這里面夸克就可以自由行動。這個方面正在研究，這臺對撞機建造在Brookhaven，1999年造成，總投資約十億美元。如果真空是可以被激發(fā)的，那么粒子的微觀世界和宏觀的真空就結(jié)合起來了。這將是一個新的發(fā)現(xiàn)。

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，它的能量來源我們不知道，每個類星體的能量可以是太陽的1015倍，這是很大很大的。估計在宇宙里約有100萬個類星體，其中有1000個我們在仔細研究。這個能量絕對不是核能量，太陽的能量來自核能量，它比太陽的能量大得多。類星體的發(fā)現(xiàn)是在1961年，那年發(fā)現(xiàn)了兩個。最早發(fā)現(xiàn)的兩個類星體之一，是3C273，3C是英國劍橋目錄的第三本，273是其中第273星。這個類星體在1982年2月，一天之內(nèi)能量增加一倍，這是非常稀奇的，不僅能量大，而且可以一天之內(nèi)增加一倍。宇宙中還有很大能量的來源我們是不知道的。

另一個在宇宙中的大問題是暗物質(zhì)。從引力我們知道有暗物質(zhì)存在，可是用光看不見，紅外、紫外、X光都看不見。宇宙里90%以上是暗物質(zhì)。暗物質(zhì)存在的證明很簡單，拿一個星系（galaxy），在距離這星系中心r處，量任何星或星際塵埃（dust）、粒子等的速度u，M（r）是從星系中心至r間的引力質(zhì)量。從牛頓定理 ，G是牛頓引力常數(shù)，離galaxy非常遠。如果M（r）不繼續(xù)增加，u應該越來越小，可是事實上不然。拿任何一個星系，u并不減小，就說明有很多引力質(zhì)量在里面。NGC3192不是單獨的一個例子，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。真空有可能被激發(fā)。我們研究這個問題的方法是想制造一個狀態(tài)，它和當初宇宙開始大爆炸的情況相似。大爆炸開始就是一個激發(fā)的真空，制造出這個狀態(tài)也許可以使我們測量出它的特性。

在110多年前，湯姆遜（Thompson）發(fā)現(xiàn)電子，從那以后影響了我們這世紀的物理思想，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。這個思想不僅影響到物理，還影響到本世紀生物的發(fā)展，要知道生命就應研究它的基因（gene），知道基因就可能會知道生命。我們現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)這并不然。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(gòu)造的。也就是微觀的粒子和宏觀的真空是分不開的，這兩個必須同時處理。知道基本粒子就知道真空的觀念是不對的。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（genome）也是這樣，僅是基因并不能解開生命之謎，生命是宏觀的。

20世紀的文明是微觀的。我認為，21世紀微觀和宏觀應結(jié)合成一體。

就如造計算機，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，可是我們對氫原子完全懂，這里不可能再有什么信息?？赡?1世紀的計算機要的是較大的，是個凝聚態(tài)的單位，這里的信息才更多。20世紀是越微小越好，我們覺得小的是操縱一切的，而我猜測，21世紀將要把微觀和宏觀整體地聯(lián)系起來，這不光是影響物理，也許會影響到生命的發(fā)展。微觀和宏觀必須要結(jié)合起來，這個結(jié)合對應用科技可能會有極大的影響。這些20世紀的科學文化發(fā)明在19世紀末都是很難想象的！沒有20世紀初基礎科學的發(fā)展，本世紀的科技應用和開發(fā)也沒法產(chǎn)生出來。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)系起來會有一些突破。這個突破會影響科學的將來。

讓我看21世紀的物理學的前景：激發(fā)真空，微觀和宏觀的物理的結(jié)合，制造像宇宙開始的狀態(tài)，了解暗物質(zhì)，了解類星體的能源，了解CP不對稱的原理。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。我們都是由質(zhì)子和電子組成的，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。