21世紀(jì)科學(xué)發(fā)展前景

在19世紀(jì)末至20世紀(jì)初，物理科學(xué)中有兩個(gè)相當(dāng)重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)：一個(gè)是邁克爾遜-莫雷（Michelson-Morley）實(shí)驗(yàn)，它表明，光順著地球轉(zhuǎn)動(dòng)和逆著地球轉(zhuǎn)動(dòng)的速度是完全一樣的；另外一個(gè)是普朗克（Planck）提出的黑體輻射實(shí)驗(yàn)，它表明，熱的東西放光時(shí)，會(huì)有不同的波長(zhǎng)，普朗克對(duì)波長(zhǎng)的分布公式提出了一個(gè)猜想，這與實(shí)驗(yàn)符合得很好，這個(gè)問題用經(jīng)典的方法是無法解決的。這兩個(gè)發(fā)現(xiàn)，即光順著地球轉(zhuǎn)動(dòng)和逆著地球轉(zhuǎn)動(dòng)的速度一樣和熱的東西放光的光譜，都很稀奇，當(dāng)時(shí)它們同日常生活并沒有什么關(guān)系。可是，從第一個(gè)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了狹義相對(duì)論，從第二個(gè)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了量子力學(xué)。到1925年，人們對(duì)這兩個(gè)重大科學(xué)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(dǎo)體、超導(dǎo)體、X光、超級(jí)計(jì)算機(jī)，等等。假如沒有狹義相對(duì)論和量子力學(xué)，這些都不會(huì)有。從1925年之后，幾乎所有的20世紀(jì)的物質(zhì)文明都是從這兩個(gè)物理基礎(chǔ)科學(xué)發(fā)展衍生的。現(xiàn)在，不光是應(yīng)用，還在廣泛地開發(fā)。

關(guān)于21世紀(jì)的科學(xué)發(fā)展，我主要想講講物理科學(xué)的前景，我不敢講其他的科學(xué)，就是物理科學(xué)的前景也是我個(gè)人的看法。我認(rèn)為，物理科學(xué)的發(fā)展前景是很好的。為什么呢？因?yàn)槟壳暗那闆r正像20世紀(jì)初出現(xiàn)的情況一樣。20世紀(jì)初的兩個(gè)著名的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，提出了兩個(gè)科學(xué)疑問：即光順地球轉(zhuǎn)動(dòng)和逆地球轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)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(gè)疑問：第一，目前我們的物理理論都是對(duì)稱的，而實(shí)驗(yàn)表明有些對(duì)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(shí)驗(yàn)的40周年紀(jì)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(gè)疑問是一半基本粒子是永遠(yuǎn)獨(dú)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。可是這6種夸克，每一個(gè)都不能單獨(dú)自由行動(dòng)，從來沒有人觀察到它們可以自由地存在。我們現(xiàn)在認(rèn)為，理論是對(duì)稱的而實(shí)驗(yàn)表明對(duì)稱被破壞這個(gè)疑問被解答為這個(gè)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(duì)稱的。為什么夸克走不出來呢？這和超導(dǎo)類似。超導(dǎo)是抗磁場(chǎng)的，假如有一塊材料沒有變成超導(dǎo)前有磁場(chǎng)通過，一變成超導(dǎo)，磁場(chǎng)就被排出來了。假如有一個(gè)圓圈，里面有磁場(chǎng)，沒變成超導(dǎo)前磁場(chǎng)可以任意進(jìn)出，一旦變成超導(dǎo)，磁場(chǎng)就走不出來了。我們認(rèn)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(dòng)力學(xué)的場(chǎng)。我們認(rèn)為，真空是物理的相對(duì)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(duì)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(dòng)。這個(gè)方面正在研究，這臺(tái)對(duì)撞機(jī)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(gè)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(gè)類星體的能量可以是太陽的1015倍，這是很大很大的。估計(jì)在宇宙里約有100萬個(gè)類星體，其中有1000個(gè)我們?cè)谧屑?xì)研究。這個(gè)能量絕對(duì)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(gè)。最早發(fā)現(xiàn)的兩個(gè)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(gè)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(gè)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(jiǎn)單，拿一個(gè)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(yuǎn)。如果M（r）不繼續(xù)增加，u應(yīng)該越來越小，可是事實(shí)上不然。拿任何一個(gè)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(dú)的一個(gè)例子，現(xiàn)在已測(cè)量的有967個(gè)星系，所有的都是這樣，沒有一個(gè)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(gè)問題的方法是想制造一個(gè)狀態(tài)，它和當(dāng)初宇宙開始大爆炸的情況相似。大爆炸開始就是一個(gè)激發(fā)的真空，制造出這個(gè)狀態(tài)也許可以使我們測(cè)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(jì)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(gè)思想不僅影響到物理，還影響到本世紀(jì)生物的發(fā)展，要知道生命就應(yīng)研究它的基因（gene），知道基因就可能會(huì)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(fù)雜，是個(gè)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(gè)必須同時(shí)處理。知道基本粒子就知道真空的觀念是不對(duì)的。從這個(gè)簡(jiǎn)單化的觀點(diǎn)出發(fā)不會(huì)有暗物質(zhì)，也不會(huì)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(jì)的文明是微觀的。我認(rèn)為，21世紀(jì)微觀和宏觀應(yīng)結(jié)合成一體。

就如造計(jì)算機(jī)，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(duì)氫原子完全懂，這里不可能再有什么信息。可能21世紀(jì)的計(jì)算機(jī)要的是較大的，是個(gè)凝聚態(tài)的單位，這里的信息才更多。20世紀(jì)是越微小越好，我們覺得小的是操縱一切的，而我猜測(cè)，21世紀(jì)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(huì)影響到生命的發(fā)展。微觀和宏觀必須要結(jié)合起來，這個(gè)結(jié)合對(duì)應(yīng)用科技可能會(huì)有極大的影響。這些20世紀(jì)的科學(xué)文化發(fā)明在19世紀(jì)末都是很難想象的！沒有20世紀(jì)初基礎(chǔ)科學(xué)的發(fā)展，本世紀(jì)的科技應(yīng)用和開發(fā)也沒法產(chǎn)生出來。21世紀(jì)也許會(huì)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(gè)不能解決另一個(gè)，把它們聯(lián)系起來會(huì)有一些突破。這個(gè)突破會(huì)影響科學(xué)的將來。

讓我看21世紀(jì)的物理學(xué)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(duì)稱的原理。什么是CP不對(duì)稱呢？粒子和反粒子，左和右不對(duì)稱，就是CP不對(duì)稱。因?yàn)镃P不對(duì)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(yīng)該是一樣的，所以CP不對(duì)稱也是一個(gè)很重要的問題。