物理學的過去、現(xiàn)在與未來(2)

馮 端

(南京大學 物理學院,南京 210093)

2 當代情景

在量子力學確立之后，物理學進入了新的時期，這里統(tǒng)稱為當代物理學。由于當代情景錯綜復雜，頭緒繁多，難以用甚短的篇幅來進行概括。下面就以實驗和理論這兩條主線，對此作一粗略的介紹。

2.1 實驗技術

20世紀是實驗技術突飛猛進的時期。早期盧瑟福的α粒子散射實驗為隨后的核物理與粒子物理的研究樹立了樣版。但技術上的改進是多方面的。轟擊的粒子束有質子、中子、電子和各種離子等。30年代初，中子被發(fā)現(xiàn)后，由于其散射截面大，容易引起核反應，受到學術界的重視。費米及其合作者系統(tǒng)地用中子來轟擊周期表中不同元素，發(fā)現(xiàn)了一系列的核反應和新的放射性元素。1938年，哈恩(O.Hahn)與邁特納(L.Meitner)終于發(fā)現(xiàn)和確認鈾的裂變。隨后原子核裂變的鏈式反應得到實現(xiàn)，導致了裂變反應堆的問世。它為實驗技術提供了新的手段，又為裂變能的軍事與和平利用鳴鑼開道。隨后，輕元素的聚變提供了另一種核能源。聚變能的爆炸式的軍事應用于50年代初即已實現(xiàn)，但可控的和平利用卻經(jīng)歷了漫長的發(fā)展過程。兩種方法，磁約束與慣性約束，雖則取得不少科學成果，但作為能源，尚處于得失相抵(breakeven)的前夕，要點火尚需繼續(xù)努力。

到30年代，科學家開始認識到天然放射性元素發(fā)射的粒子能量太低，束流也不夠強，不能適應實驗物理學的要求。在這種情況下，加速器技術就應運而生。早期有高壓倍加器和靜電加速器，主流是勞倫斯開創(chuàng)的回旋加速器及其變型。以后加速器的能量愈做愈高，技術愈來愈精。能量已從早期的MeV量級升高到如今的TeV量級。一代代的加速器為核物理和粒子物理的研究立下了汗馬功勞，發(fā)現(xiàn)了幾百種粒子。與之并行發(fā)展的還有粒子檢測技術，從早期的蓋革計數(shù)器、云霧室，到照相乳膠、氣泡室、火花室和閃爍晶體列陣等。雖然技術的進展十分引人注目，但許多物理實驗的基本思路，例如通過質子對高能電子的深度非彈性散射來論證質子具有夸克結構，仍然和盧瑟福的原型實驗十分相似。值得注意，加速器與反應堆也被用于非核物理學以至于其他科學的研究，同步輻射和高通量中子源就是例證。

另一高速發(fā)展的物理科學領域是天體物理學。光學望遠鏡愈做愈大；射電望遠鏡是在第二次世界大戰(zhàn)中由雷達技術推動而發(fā)展起來的，也朝向巨型發(fā)展；而依據(jù)射電望遠鏡發(fā)展起來的綜合孔徑技術也反饋到光學望遠鏡的技術中去了。新波段，如紅外、X射線和γ射線的望遠技術得到了發(fā)展，還有新的檢測技術如CCD列陣。為了超越大氣層的吸收和干擾，還將望遠鏡放到太空中去，如哈勃、愛因斯坦、康普頓望遠鏡等?？梢哉f當代也是天體物理學的黃金時代。大量天體譜線紅移的數(shù)據(jù)為宇宙膨脹提供證據(jù)，3K微波背景、脈沖星、類星體及γ射線爆等重大發(fā)現(xiàn)，為理論天體物理和宇宙論提供了大量數(shù)據(jù)，使星體和宇宙成為檢驗物理理論的龐大實驗室。

馮端院士辦公室

現(xiàn)代高能物理學(包括部分核物理) 及天體物理學已經(jīng)成為大科學主宰的領域。其特征在于設備龐大，人員眾多，經(jīng)費數(shù)額巨大，計劃實施時間漫長。

到30年代，光譜學研究已有盛況不再之感。但第二次世界大戰(zhàn)中雷達技術的發(fā)展又為微波波譜及磁共振的研究提供機遇。50年代初，首先在微波頻段實現(xiàn)了受激發(fā)射，隨后轉移到光學頻段，導致激光器的問世。激光技術引起了光學和光譜學的一場革命，導致量子光學的誕生，影響十分深遠。應該指出，早在1917年，愛因斯坦就提出了受激發(fā)射的理論，而實驗室中的實現(xiàn)卻延遲到40年之后。激光技術引入物理實驗室，為小型精巧的實驗研究提供了機會。

X射線和由之衍生的電子衍射與中子衍射，導致了晶體結構分析的發(fā)展。它為凝聚態(tài)物理和材料科學奠定基礎，而且大大地促進了化學、生物學和礦物學的研究。出自這一領域的科學家獲得了諾貝爾獎多達十幾次。電子顯微術超越了光學顯微術的分辨極限，并實現(xiàn)了原子尺度的成像。80年代以后，掃描隧道顯微術發(fā)展成為花樣繁多的顯微探針技術，不僅實現(xiàn)了原子尺度的成像，還實現(xiàn)了多種原子尺度的測量和操縱技術，充分顯示了小規(guī)模精巧創(chuàng)新的實驗技術仍然富有生命力。

為了消除熱運動對固體中許多現(xiàn)象的干擾，將試樣冷卻到低溫下進行研究成為重要的手段?，F(xiàn)代低溫技術始于氦的液化(4.2 K)，進一步采取稀釋致冷機可以達到mK的溫度，再進行核退磁致冷，可以達到μK的量級。近年來發(fā)展起來的激光冷卻，再加上蒸發(fā)致冷，可以使原子氣體達到μK以下的溫度。低溫物性的研究取得許多重要的成果：金屬與合金的超導電性，4He液體的超流動性，3He液體的超流動性，多種非常規(guī)的超導性(如有機化合物、重費米子、銅氧化物超導電性，其中最后一種已經(jīng)超出低溫的范圍)。1995年起，又在μK溫度以下觀測到堿金屬氣體的玻色—愛因斯坦凝聚，隨后，相位相干的原子束得到了實驗演示，即所謂原子波激射(atomic laser)。

晶體純度和完整性對物性有重要的影響，促使固體制備技術有了較大的發(fā)展：單晶拉制、區(qū)熔提純、控制摻雜等技術成功地應用于半導體的制備。1947年，晶體管的發(fā)明也許是 20世紀中物理學家所作出的取得最大經(jīng)濟與社會效益的一項成就。70年代后，超高真空技術成為實驗室中的常規(guī)手段，在超高真空下的結構與能譜測試手段相繼問世，開拓了表面物理的新領域。以分子束外延為代表的當代薄膜與異質結制備技術的開發(fā)，引起量子納米結構(量子阱、量子線與量子點等)的熱潮，并向磁性材料(巨磁阻效應)和超導電體方面延伸。許多新的物理效應的發(fā)現(xiàn)，諸如整數(shù)與分數(shù)量子霍爾效應、介觀量子輸運等，顯示了凝聚態(tài)物理尚有可為。

2.2 理論與計算

在量子力學建立之后，理論發(fā)展就分道揚鑣，其中一條道路是深入到更加微小尺度的微觀世界中去。首先發(fā)展的是原子核結構與動力學理論。雖然核子之間存在強相互作用，但基于平均勢場中作有效單粒子運動的殼模型也取得成功。還有強調核的集體行為的液滴模型和復合核模型，也有將單粒子運動和集體運動結合起來的綜合模型，核子配對的相互作用玻色子模型等，頗成功地說明原子核的某些性質。

進入更深層次的物質結構就到達了粒子物理學的研究領域。50和60年代，除核子以外，又發(fā)現(xiàn)大量的強子(具有強相互作用的粒子)，其中多數(shù)是不穩(wěn)定的。1964年，蓋爾曼(M. GellMann)等提出了強子的夸克模型，認為強子并非基本粒子，而是由具有分數(shù)電荷(1/3或2/3電子電荷) 、還具有色荷(紅、藍、綠三種顏色之一)的夸克所構成的。質子的夸克結構已為實驗所證實。理論所預言三色六味的各種夸克，一一被實驗所揭示，最后一種頂夸克是到1995年才發(fā)現(xiàn)的?？淇穗m然存在于強子結構中，但獨立存在的自由夸克卻一直沒有觀測到?？茖W家又提出夸克禁閉模型來說明這一事實。

到上世紀中葉，已經(jīng)明確了自然界只有4種基本相互作用，即引力、電磁力、弱力與強力。其中引力和電磁力是長程的，而弱力與強力是短程的，限于原子核的范圍之內。愛因斯坦晚年致力于統(tǒng)一場論，試圖將引力和電磁力統(tǒng)一起來，未取得成功。量子力學建立之后，處理量子體系與相互作用場的理論(量子場論) 得到了發(fā)展，首先發(fā)展的是處理電磁相互作用的量子場論，即量子電動力學。在40年代末，利用重正化消除了發(fā)散的困難，使量子電動力學的理論預言得到了高精確度的實驗證實(有效數(shù)字高達十幾位)。隨后，處理強相互作用的量子場論、量子色動力學得到了發(fā)展。弱相互作用的理論始于費米的β衰變理論，60年代末，溫伯格(S.Weinbeng)與薩拉姆(A. Salam)成功地將電磁相互作用與弱相互作用統(tǒng)一起來。在量子場論中，一些粒子被理解為場的激發(fā)態(tài)，而另一些粒子則成為傳遞相互作用的玻色子。

進一步探索各種相互作用的統(tǒng)一理論尚在進行之中。大統(tǒng)一理論企圖將統(tǒng)一的范圍包括強相互作用，尚有待實驗的證實。進而將引力包括在內的超大統(tǒng)一理論的設想也被提出。

三代夸克與輕子的粒子模型，量子色動力學與電—弱統(tǒng)一理論，被統(tǒng)稱為粒子物理學的標準模型，在概括和預言實驗事實取得了非凡的成功。它預言了62種基本粒子，其中60種已被發(fā)現(xiàn)，只剩下希格斯玻色子與引力子尚待發(fā)現(xiàn)。

但標準模型仍帶有唯象性質，它包含十幾個參量，而且對粒子的質量不提供理論解釋。如何超越標準模型，并從更根本的微觀模型來解釋粒子物理，就成為對理論物理學家的重大挑戰(zhàn)。在這方面的努力以超弦理論最引人注目。這一理論極其精巧，也推動了相關數(shù)學問題的研究。但最終如何評價這一理論尚有待于實踐來檢驗。

當代天文學研究總結出來的大爆炸理論被稱為宇宙論的標準模型。按此理論設想，宇宙起源于一百數(shù)十億年前的一次大爆炸：原先是時空奇點(密度和曲率卻無限大)，各種相互作用統(tǒng)一在一起。到10-44s，發(fā)生了引力與其他相互作用分離的對稱破缺，到10-36s，發(fā)生強力與其他相互作用分離，到10-10s又發(fā)生弱力與電磁力的分離，成為如今四種相互作用并存的世界。到10-6s時，開始合成強子，到3 min后形成原子核，再逐步形成各種原子及各種星體與星系。大爆炸宇宙論是建立在若干天文學觀測的結果上的：哈勃定律所描述的宇宙膨脹，3 K宇宙背景輻射的發(fā)現(xiàn)，星體一些元素的豐度數(shù)據(jù)，是一種持之有效的物理學理論，當然還有許多問題尚有待于澄清。值得注意的是，早期的宇宙(3 min之前)是粒子物理學的天下。著名物理學家溫伯格的有名科普著作《最初三分鐘》即以此而命名的。

量子力學建立之后，另一條發(fā)展道路在于進入較大尺寸的物質體系。將量子力學應用于分子，建立了量子化學；將量子力學與統(tǒng)計物理學應用于固體，建立了固體物理學，隨后發(fā)展為凝聚態(tài)物理學。涉及了這些問題，就需要明確區(qū)分量子力學和經(jīng)典物理學的各自適用的范圍。通常的提法是量子力學適用于微觀體系，而經(jīng)典物理學適用于宏觀體系，這顯然不夠精確，因為也存在宏觀量子體系。對于特定粒子構成的系統(tǒng)，可以采用量子簡并溫度(即粒子的德布羅意波長等于粒子的平均間距對應的溫度)來區(qū)分。這里h是普朗克常數(shù)，m為質量，kB為玻爾茲曼常數(shù)，a為平均間距。如果溫度遠大于T0，則可以放心采取用于經(jīng)典物理學的理論方法來處理這一體系，否則，就得用量子力學的方法。至于T0的高低則取決于粒子的質量m和體系的平均間距a(或密度)。對于固體和液體，a約為0.3 nm，對電子系統(tǒng)而言，T0～105K，從而表明處理電子系統(tǒng)的問題，離不開量子力學。對于原子核或離子而言，T0～(50/A) K，A為原子質量數(shù)，對于輕元素(如氦與氫)，在低溫下要考慮量子力學的效應。因而在通常情況下處理大量原子核(或離子)與電子的混合體系，對于電子這一子系統(tǒng)，必須采用量子力學的理論方法，而對于原子核這一子系統(tǒng)，則不妨采用經(jīng)典物理學的理論方法。凝聚態(tài)物理學和量子化學由于大量采用這種混合的處理方案而取得了成效。但應該指出，這類的電子理論涉及了相互作用粒子的多體問題?；谟行鰡坞娮咏频墓腆w能帶理論顯然很有成效；引入適度的相互作用而發(fā)展起來的費米液體理論、巡游電子鐵磁性理論和BCS超導理論也成績斐然；但是強關聯(lián)電子體系(包括高溫超導體)仍然是一根硬骨頭，對理論物理學家提出了強有力的挑戰(zhàn)。

如果僅關注原子(或離子)與分子常溫下的位形與動力學問題，那么采用經(jīng)典物理學的方法是無可非議的，正如當代液體物理學和軟凝聚態(tài)物理學所作的那樣。當然，如果涉及鍵合的細節(jié)和電子的躍遷，還是需要量子力學。低溫下的量子流體(4He與3He)突出地體現(xiàn)了量子力學效應。在氣體中要體現(xiàn)這種效應，由于原子間距，簡并溫度要壓得很低。在進入90年代后，方始觀測到這類理論預期的效應，原子束光學和玻色—愛因斯坦凝聚都是例證。特高密度下的物質，如中子星，使簡并溫度高達1010K，可能使這些星體內部呈現(xiàn)超流性等量子力學效應。

應該指出，當代也是經(jīng)典物理學復興的時代。在相變與臨界現(xiàn)象領域，研究了具有長程漲落的經(jīng)典統(tǒng)計體系，呈現(xiàn)了普適性和標度律，發(fā)展了重正化群理論。經(jīng)典動力學系統(tǒng)理論和非線性物理學都取得了長足的進展，像混沌、分形、孤子等概念，在交叉科學中獲得了廣泛的應用，成為理解復雜性的鑰匙，也為解決湍流這個長期懸而未決的難題提供了有意義的線索。

電子計算機的突飛猛進，對于當代物理學產(chǎn)生了異乎尋常的影響。量子化學與凝聚態(tài)電子理論的從頭(ab initio)計算方案變得切實可行，從而促進了計算材料科學這門新的交叉學科的發(fā)展。分子動力學、蒙特卡羅方法，乃至于元胞自動機為物理學的各個分支提供了鮮明生動的物理圖像和信息。以至于有些科學家認為計算和計算機模擬已成為可與實驗和理論并立的科學研究的第三個支柱。

南京大學校領導為馮端院士頒獎

盡管由于物質結構層次化的結果，使得當今的物理學家很難精通、也不必要精通物理學的各個分支。但是物質結構在概念上是有其統(tǒng)一性的。相同的概念會在不同的層次上出現(xiàn)。著名物理學家巴丁(J. Bardeen)的一段話很有啟發(fā)性：“處在這日益專業(yè)化的時代之中，得以認識到基本物理概念可能應用于一大批看起來五花八門的問題，是令人欣慰的。在理解某一領域所獲得的進展常?？梢詰糜谄渌I域。這不僅對材料科學的眾多領域是確實的，對廣義而言的物質結構亦復如此。作為闡述的例證，為理解磁性、超流性和超導性所發(fā)展的概念也被推廣應用于眾多的領域，如核物質，弱與電磁相互作用，高能物理學的夸克結構與眾多的液晶相”。這值得我們深思。

(未完待續(xù))