漫談物理學(xué)

2005年中國發(fā)生了一件了不起的大事，那就是神舟六號(hào)飛船的升空。“神六”的成功不僅是中國的驕傲，而且是全世界華人的驕傲。同時(shí)，“神六”的成功也再一次證明了基礎(chǔ)研究的重要性。如果沒有上一世紀(jì)科學(xué)發(fā)展的積累，沒有狹義相對(duì)論，沒有量子力學(xué)，要成就今天類似“神六”等一大批科技成果，是難以想像的。

我們先來回顧一下20世紀(jì)的科學(xué)革命、科技發(fā)明是從哪里來的。

一百多年前，科學(xué)最大的謎是太陽能的來源。20世紀(jì)中葉前人類所用的能量都源于太陽。可是太陽能是如何產(chǎn)生的？這是一個(gè)大謎。太陽能是經(jīng)過光傳播到地球，太陽能發(fā)熱，所以研究光和熱的性能是當(dāng)初物理學(xué)界的兩大重點(diǎn)。

1887年，美國的兩位科學(xué)家邁克耳遜（Michelson）和莫雷（Morley）測量光的速度，看看順地球自轉(zhuǎn)的方向走的光有多快，逆著地球自轉(zhuǎn)的方向走的光又有多快。簡單地想，當(dāng)然順著地球自轉(zhuǎn)的方向的光走得快一點(diǎn)，因?yàn)檫€要加上地球自轉(zhuǎn)的速度。逆著地球自轉(zhuǎn)的方向的光的速度就慢一些。

可是，他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明兩者完全一樣。無論朝哪個(gè)方向走，光的速度都是一樣的。

20世紀(jì)初的另一個(gè)重要工作是，1900年德國理論物理學(xué)家普朗克（Planck）提出的普朗克方程。

普朗克方程講的是什么呢？

我們知道，不論什么物體，當(dāng)它具有溫度的時(shí)候都會(huì)發(fā)光。一個(gè)物體所具有的溫度不同，發(fā)出的光的顏色就不同。也就是說，一定的溫度發(fā)出的光就有一定的輻射能量。熱和輻射的變化之間具有怎樣的函數(shù)關(guān)系呢？這是經(jīng)典物理學(xué)不能解決的。

普朗克提出的方程式與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精確地吻合，很好地解決了這個(gè)問題。可是，他的公式和經(jīng)典物理學(xué)的基本觀念是矛盾的：因?yàn)槿绻@個(gè)公式成立，那么必須假定能量在發(fā)射和吸收時(shí)，不是連續(xù)不斷的，而是分成一份一份的。這個(gè)最小的基本單位，普朗克稱之為“量子”。

很多人當(dāng)時(shí)并不覺得這些會(huì)與我們的生活有什么關(guān)系。一般人很難想像，整個(gè)20世紀(jì)的人類生活就因?yàn)檫~克耳遜-莫雷的實(shí)驗(yàn)和普朗克方程式而完全改變。

正是邁克耳遜-莫雷的重要實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致1905年愛因斯坦提出狹義相對(duì)論。

因?yàn)橛辛似绽士朔匠痰牧孔蛹僭O(shè)，1925年，海森伯（Heisenberg）、薛定諤（Shrodinger）、狄拉克（Dirac）、費(fèi)米（Fermi）等創(chuàng)建了量子力學(xué)和量子統(tǒng)計(jì)學(xué)。

1930年，物理學(xué)家通過相對(duì)論和量子力學(xué)，認(rèn)識(shí)到太陽能是核能。

1942年，我的老師費(fèi)米教授帶領(lǐng)的科學(xué)團(tuán)隊(duì)第一次獲得了人類可以控制的核能。此前人類所有的能源都是直接或間接地來源于太陽能，而這次是人類第一次不通過太陽取得能源。我相信這種核反應(yīng)堆對(duì)人類的影響足以與火對(duì)人類的影響相媲美。

從狹義相對(duì)論和量子力學(xué)這些基礎(chǔ)理論，產(chǎn)生了原子結(jié)構(gòu)、分子物理、核能、激光、半導(dǎo)體、超導(dǎo)體、超計(jì)算機(jī)等理論及其應(yīng)用。幾乎20世紀(jì)絕大部分的科技文明都是從狹義相對(duì)論、量子力學(xué)來的，都是從研究光和熱的基本規(guī)律產(chǎn)生的。

為什么這些看起來似乎與我們生活無關(guān)的東西會(huì)對(duì)我們生活發(fā)生這樣大的影響？

我們整個(gè)自然界林林總總很復(fù)雜的現(xiàn)象實(shí)際上是由一些很基本的原理操縱的，我們的工作就是要找到控制這些原理的總機(jī)關(guān)。總機(jī)關(guān)找到了，其他問題就迎刃而解了。

20世紀(jì)物理學(xué)的發(fā)展基本上循著一條簡化、歸納的道路。找到最基本的粒子，就會(huì)了解大物質(zhì)體的構(gòu)造。從19世紀(jì)末湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子、盧瑟福發(fā)現(xiàn)核子，一直到現(xiàn)在人類有了精密的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和精密的理論———相對(duì)論、量子力學(xué)，創(chuàng)造了整個(gè)20世紀(jì)的物理學(xué)。

物理學(xué)的這一套思路在20世紀(jì)中葉就影響了生物學(xué)。克里克是英國的物理學(xué)家，他就想到物理學(xué)的這一套方法可以用于研究生物，后來就發(fā)現(xiàn)DNA，接下來又發(fā)展到基因研究——也是按照簡化的規(guī)律走的。

如果沒有上述20世紀(jì)的基礎(chǔ)研究成果，也就沒有這些科技成就，那么，今天我們的生活也不可能有這些翻天覆地的變化。我曾經(jīng)說過，基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究和市場開發(fā)的關(guān)系就像水、魚和魚市場的關(guān)系。沒有水，就沒有魚，也就沒有魚市場。同樣的，沒有今日的基礎(chǔ)研究，就沒有明日的應(yīng)用研究，也就沒有將來的應(yīng)用開發(fā)。這個(gè)規(guī)律是不會(huì)變的。

同樣我們也深信，21世紀(jì)的物理學(xué)也會(huì)使現(xiàn)在已經(jīng)開始的21世紀(jì)產(chǎn)生重要的新科技。將來21世紀(jì)的新發(fā)展也可能是20世紀(jì)的人類想像不出來的。

今天，當(dāng)人們追問21世紀(jì)初科學(xué)發(fā)展面臨的最大的謎時(shí)，我們遇到了與20世紀(jì)初完全相似的情況。

通過天文觀察，科學(xué)家已經(jīng)知道，我們已知的物質(zhì)的能量僅占整個(gè)宇宙總能量的極小部分，約5%。約25%是暗物質(zhì)的能量，約70%是暗能量。

可什么是暗物質(zhì)，什么是暗能量，至今沒有搞清楚，我們既看不見，也不知道它們是什么東西。已知物質(zhì)是由電子、質(zhì)子、中子……和極少量的正電子、反質(zhì)子……構(gòu)成的。從引力場，我們知道暗物質(zhì)的存在，但暗物質(zhì)不是由我們知道的這類物質(zhì)構(gòu)成的，已知物質(zhì)的能量約為暗物質(zhì)能量的1/5。暗能量更是奇怪，它是一種負(fù)的壓力。在裂變和聚變反應(yīng)中，反應(yīng)前后物質(zhì)的質(zhì)量有少量的差異。按照愛因斯坦的著名質(zhì)能公式E=mc²，這些少量的質(zhì)量差異能夠轉(zhuǎn)化為巨大的能量。但暗能量卻可以使物質(zhì)質(zhì)量全部消失，完全轉(zhuǎn)化為能量！愛因斯坦在20世紀(jì)早期就曾假設(shè)過負(fù)壓力（暗能量）的存在。他在一篇物理學(xué)文章中提出了這個(gè)觀點(diǎn)的相關(guān)公式。后來，因?yàn)闆]有實(shí)驗(yàn)的支持，愛因斯坦就放棄了這一方向。最近幾年，通過哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，我們發(fā)現(xiàn)，我們的宇宙不僅是在膨脹而且是在“加速地”膨脹。從宇宙膨脹的加速度可以推算出，已知物質(zhì)的能量約為暗能量的1/14。

我前不久寫了一篇《暗能量的可能來源》的文章，探討暗物質(zhì)的存在，我的觀點(diǎn)是“天外有天”：因?yàn)榘的芰浚覀兊挠钪嬷饪赡苡泻芏嘤钪妗Ｎ易罱€寫了另一篇文章，試探和解釋最近美國高能核物理的新發(fā)現(xiàn)和暗能量的關(guān)系。我的觀念是“核天相連”：核能也許可以和宇宙中的暗能量相變相連。

了解暗物質(zhì)和暗能量是21世紀(jì)科學(xué)界的大挑戰(zhàn)，我相信我們會(huì)勝利的。

但我畢竟已經(jīng)年屆八十，更多的希望要寄托在年輕的科學(xué)家身上。讓我們列出上一世紀(jì)的杰出的物理學(xué)家在什么年代、什么年齡，做了些什么科學(xué)貢獻(xiàn)（見下表）。

代代出新人，科學(xué)在少年。暗物質(zhì)和暗能量的存在向全世界年輕的科學(xué)家提出了新的挑戰(zhàn)。中國的年輕人，你們一定要勇于接受這個(gè)挑戰(zhàn)。

作者簡介：李政道博士，1926年生于上海，1946年赴美國芝加哥大學(xué)攻讀博士學(xué)位，師從費(fèi)米教授。因發(fā)現(xiàn)宇稱不守恒現(xiàn)象而與楊振寧教授共獲1957年諾貝爾物理獎(jiǎng)，至今一直活躍在物理學(xué)前沿。現(xiàn)為美國哥倫比亞大學(xué)教授，美國科學(xué)院院士，中國科學(xué)院外籍院士，意大利科學(xué)院院士。