基础科学和现代物理的前景_李政道

1、科学 基础科学和现代物理的前景 P ros Pe ets fo r Ba sic S cienee and M ode rn Physies 李政道 (诺贝尔物理奖获得 者) 本 文是 李政道教授 在 清华大学的演讲 。 一编者一 现在全国都知道 , 科学技术 是第一生产力 。 科 学技术分为几部分 , 一是基础科学 , 一是应用 , 然后 再到生产 , 它们是相互关联的 。 从基础科学发展到 科技应用 , 从 科技应用再发展到大 量生产 , 最终进 入人民的 日常生活 。 完全可以这么说 , 没有今天的 基础科学 就没有明日的科技应用 。 在1 9世纪 , 法拉第在实验的基础上发现了电 磁感应规律 , 麦克思 韦在理论上把电 、 磁规律 统一 于方程组 。 由 电磁规律的研究 , 产生了电 动机 、 电 话 、 电报 、 电视 、 传真 、 雷达等 。 现代通信技术的发展 完全归功于电磁理论这一基础研究 。 这些科技成果 的应用 , 大大改善了人类的 生活 。 再看 19 世纪末到2 0世纪 初 , 在 18 87 年 , 米切 尔森(Mic h e l s o n )和莫利(Mo

2、r ley ) 在 美国做了一个 很 简单的 实验 。 他们 测量了光顺着地球转和逆着 地球转的速度 。 简单一想 , 顺着地球转速度应当快 一点 , 因为还有地 球转动的速度 ; 背着地球转应当 慢一点 。 可是他测出来的结果 , 两个速 度完全一样 。 这就推翻了牛顿当初确立的绝对性的惯 性系统 (absolutein ertia lfram e ) 。 另一个实验是 , 发现每 个东西热了都要发射 , 那么发射的光谱又意 味着什 么?这个实验在理 论上很难解释 。 1900 年 普兰克 ( P !o n ck )解释了这个实验 , 他用了很大胆的一个理 论设想 , 这就是关于黑体辐射的普兰克公式 。 这两 个实验好像是和我们 日常生活没有什么大的关系 。 不然 ! 从第 一个实验就产生了相对论 , 从第二个 实 验就 产生了量子力学 。 这些 基础理论在 1 9 2 5 年相 继完成 。 19 25 年以来 , 这些理论的应用产生了原 子构 造 、 分子物理 、 核能 、 激光 、 半 导体 、 超导体 、 X 光 技 术以及超级计算机 , 等等 。 所有2 0世纪的科学文明 从

3、哪儿来的 ? 假如没有相对论 、 量子力学 , 它们都根 本不会有 ! 而这个发展过程很快 , 到2 0世纪 5 0年 代初 , 这些技术基本都有了 , 现在已得到广泛应用 。 我们说 , 没有 今天的基础科学 , 就没有明 日的 科技应用 , 这是不可违背的科学规律 。 从我们物理 的 角度看 , 整个宇宙(包括从小的粒子 、 核子 、 原子 、 分子到人 、 树 、 地球 、 整个星云) , 都是依照一组相当 简单的基本原理演变着 的 。 在空间上 , 一切物质都 受一些基本规律的制 约 ; 时间上 , 从宇宙 开始到现 在 , 还是这些基本规律起作用 。 而研究基础科学 , 就 是去研究这些基本规律到底 怎样掌握宇宙 。 等于说 基础科学是一个 “ 总机关 ”, 先掌握住科学的基础规 律 , 就掌握住了这个总机关 , 它一动才发生了所有 的科 技应用 , 从 科技 应用再大 量影响人类社 会文 明 。 刚 才我举了1 9世纪和2 0 世纪的例子 。 今天我 要讲一 下 , 从接近2 0世纪末的现在 , 向前面看 , 我 们会有 什么问题?我们都清楚 , 电 、 磁和 弱作用三者

4、是 联系起来的 。 可是这里面有几个缺点 : 一个是它 们需要总共1 7个参 数 , 好像太多了一点 。 另外 , 同 上 面讲的上世纪末 、 本世纪初的两大难题一样 , 我 们发现这里面也有两个很大的谜 。 一个谜是 , 这些 理论都是建立在对 称的基础上的 , 可是 几乎对称的 量子数都不守恒 。 对 称应 该守 J恒, 不守恒应当不对 称 。 怎么把这两个好像很相反的 现象统一起来?第 二个谜是 , 一切强子(即强作用 的粒子 )都是由夸克 构成的 , 可是单独的夸克却看不见 ! 这也是一个谜 。 我先来解 释 第一个谜 , 叫 “ 失 去的对称 (mis sin g s丫m metr ,e s ) 。”我 们现在一均理论都是对称 的 , 而我们现在看这个 世界是不对称的 。 对称的量 子数不守恒 , 那显然是有一个新的作用把对称破坏 了 。 这个新作用到底是什么 , 我们不知道 , 可它存在 是绝 无问题的 。 我们还 认为 , 不对 称的道理是因为 物质的真空不对称 。 还 有一点很重要 , 就是所有的 质量 , 电子的质量也好 , 质子的质量也好 , 我们 的质 量也好 .

5、 所有质量都破坏了对 称 。 要了解质量怎样 可以破坏对称 , 就要了解 这个质量的起源在什么地 科技导报 11/19 93 7 方 。 现在美国有几个大的加速器正在 研究这 个问 题 , 我后面要说到 。 我们还是先来集中看这个谜 。 既 然不对称是因为真空出了毛病 , 那么什么是真空 ? 真空是一个没有物质的 态 , 可真空是有作用的态 。 好比把这个房间完全封闭起 来 , 然后 抽真空 , 把原 子拿掉 , 把空气拿掉 , 把物质都拿掉 。 可是 , 拿掉了 物质 , 你没法把作用拿掉 , 所以真空是没有物质 , 但 真空还是充满了 “ 虚物质 ” 。 为什么会有虚物质?量 子力学叫 “ 测不准关系 ”, 就是说每一个时候 , 随便 哪个时间 , 它都可以发生一个能量的涨落 。 有能量 的涨落 , 就可以有虚物质 。 真空并不是经典物理的 “ 以太 ” , 真空是可以激发 的 。 这一点最为重要 。 这个 观点是我和另 一位学者在1 9 74 年提出来的 。 真空 可以激发 , 这可以做实验 , 激发真空是一个很 重要 的事情 。 激发真空要用高技术的重离子对 撞机和 加速 器

6、。 世界上正在建造的有两个 , 一个叫 R日!C , 将在 1 99 6 年建 成 ; 另一个是 S SC , 估 计 1999 年可以建 成 。 S SC 是历史上空前的一个加速 器 , SSC的第一 届亚太合作 会议是 1 9 9 2 年 5 月2 1 日至 2 4 日在 北 京召开的 , 清华是参加工作的主要的单位之一 。 我们现在看 第 二个谜 , 叫 “ 看不 见的夸克 (u ns e en q u arks ) ”。 我们 充分地了解到 , 一个介子是 一个夸克和反夸克 组成的 , 重 子是三 个夸克组成 的 , 这没有 什么稀 奇 。 稀奇的是 , 你用高能 量撞击 它 , 撞出来的不会是单 独的夸克 , 它 永远还 是一些 强子 。 假如说在越高的能量 下它内部作用越强 , 你 可以解释为什么 “撞”不 出来 ; 可是有充分的实验证 明 , 能量 越高 , 它的作用越弱 , 可 你就是 “ 撞 ” 不出 来 。 这个现象越想越神奇 。 请注意 , 一切重子(包括 质子 、 中子 、 原子核等)都是由夸克组成的 , 你 们各 位每个身体里也有无数的夸克 , 可它们就是 “

7、 走 ”不 出来 , 都 “ 禁闭 ”在 你身上 。 所以 , 这 是一个普遍性 的 、 很基础的 谜 。 我们解释的方法是这样的 。 我们说 , 这是因为 量子色 动 力学的真空出了毛病 。 我们都知道 , 在超 导体中不可能有磁场存在 , 也就是说 B一。 。 我们认 为 , 量子色动 力学的真空中色电场等于 。 , 即 E一。 , 就是说它不能容忍 任何色电场存在 。 可是如果有夸 克 , 夸克一 定要发 射色电场 , 这 个电场 不能走进真 空 , 这就要被真空 “挤”住 , 所以夸克就走不出来 。 要 做这个研究 , 也有几个方法 。 可以加高温 , 也可以加 压 力 。 这是一个物理现象 。 假如这个现象是对的 , 我 们就可以激发真空 。 在理论上研究激发真空 , 要很精密地计算它的 相变 , 用 的 办法是格点规范场论 。 由于计算非常复 杂 , 就需要用很快很快的计算机 。 实验上 , 就是方才讲的 , 除了 SSC 这个质子对 撞机以外 , 最快要做成的是 R 日l C 。 SS C 的建造要 8 0 亿 美元 ;R H IC若是现在造差不多要1 0 亿美元 , 好

8、 在它的土建已完成 , 现在动工造机器本身 , 需要 5 亿美元 , 它的规模比 S SC 小一点 , 但它可以激发到 重离 子 , 功能不完全一样 。 从上 面这些可以看出 , 基础 科学是科技应用 的 基础 , 可是在发展基础科学的过程中 , 要用到很多 高科技 。 你攻一个基础科学 , 到一个新的领域去 , 不 光是物理要有新的想法 , 对 高科技的应用也要有新 的想法 , 你不能仅靠一般性的东西 , 因为 我 们是走 在高科技 的前面 。 在这里我要再讲一点 , 在国内 , 基础科 学和高 科技也有创造 。 最近两年粒子物理最重要的发现是 在北京 , 是北京正负 电子 对撞机的 T 质量的测量 。 以前把全世界所有实验总结起来 , 测量的 r 质量 是 178 4 . 1士(2 . 7一5 . 6)兆电子伏 ; 现在新的是 1 77 6 . 9 士0 . S J匕电子伏 。 两者差别并不算大 , 为什么这样重 要呢?因为 二 的寿命是跟质量的 5 次方成反比 , 所以 质量差一点 , 寿命就差得相当多 。 从以前的 测量我 们认为 , 轻子和 拜 轻子不满足普适性 , 这是个很

9、重 要的观念 。 新的质量值推翻了 “ 不满足普适性 ” 的根 基 。 这是近两年粒子物理界最重要的工作 , 是世界 公认的 。 这个工作是北京正负电子对撞机完成的 。 北京正负 电子对撞机 是在 1 98 4 年1 0 月奠基 , 1 9 88 年 1 0 月对 撞成功 , 到 199 2 年 2 月测出 : 质 量 。 这里面所有的建筑和科研实验都是祖国科学家 在国内做的 ! 与世界上同样的设备比 , 它的水平很 高 。 依我看 , 它还有很多新的实验可做出来 ! 现在我来总结一下 , 没 有今天的基础 科学 , 就 不会有明日的科技应用 ; 而 在研究和发展基础科学 的过 程中 , 要用 到很多 的高科技项目 , 像超级计算 机 , 也要用到凝聚态的固体物理的概念 。 因为物理是 “ 唯一 ”的 物理 。 在粒子物理研究方 面 , 从这个世纪初 发现了电子以后 , 我们走的方向 是 : 大的是 小的东西组成的 , 小的是更小的 东西 组 成的 , 因而我们越来越要找更小 、 更小 、 更小的基本 的东西 。 而探测越小的空间 , 需要的 能量就越高 , 所 以我们就要造更大 、 更大 、 的加速器 。 可是我们忽然 发 现 , 这条路不完全对 ,“ 小 的 跟 “ 大的 ” 又连起来 了 。 真空是每个地方都有的 , 是宏观的物理 ; 粒子是 微观的世界 。 微观的物理把客观的世界连起来 , 而 且不光是连起来 , 我们还可以把它激发 。 假如我们 真正能够激发真空 , 那么 , 这就可以引导到 一个新 的领域去 。 我们相信这是非常基础 的 。 因为真空是 每个地方都有的 , 自古以来就有的 。 所以 , 很可能我 们的工作 , 对于科技应用 、 对于生产 、 对于 人类的社 会 、 对2 1世纪将会产生重要影响 , 可能就跟我们前 几代科学家所做的事情相仿佛 ! (原载中 国科学报1 993年9月6 日 , 紫光整理 。 责任编辑蔡 德诚) 8 Se 一ene ea nd Te ehn ologyRev lew 1 1/1 9 93

《基础科学和现代物理的前景_李政道》由会员w****i分享，可在线阅读，更多相关《基础科学和现代物理的前景_李政道》请在金锄头文库上搜索。