文档介绍：21世纪物理科学发展展望
李政道
19世纪末20世纪初,物理科学中有两个相当重要的科学发现。一个是迈克耳孙莫雷实验。这个实验证明,光顺着地球运动和逆着地球运动的速度是完全一样的。另外一个是普朗克的一个公式,炽热的物体放光时,会有不同的波长,普朗克对波长的分布提出一个猜测公式,与实验很好地符合。这两个问题用经典的理论和方法是无法解决的。这两个发现虽然都很稀奇,但当时它们同日常生活并没有什么直接联系。
可是不久以后,即从第一个发现产生了狭义相对论,从第二个发现产生了量子力学。到1925年,人们对这两个领域(即狭义相对论和量子力学)已完全了解了。由此又发展出原子构造、分子构造、核能、激光、半导体、超导体、X光,以及超级计算机等理论和应用。1925年以后,几乎所有的物质文明,都是从这两个基础发现衍生出来的。
关于21世纪物理科学的发展前景,我认为是很好的,因为目前的情况与20世纪初很相似。
20世纪初的两大发现,导致两大科学疑问的提出,即光顺地球运动和逆地球运动时的速度为什么一样?如何解释炽热的物体发射的光谱?现在同样也面临两个疑问:其一,目前的物理理论都是对称的,而实验却发现了不少对称性的破缺(1997年是吴健雄博士做宇称不守恒实验的40周年纪念。她的文章是40年前的2月15日发表的,她于1997年2月16日去世);其二,有一半基本粒子是至今一点都独立不出来的。我们已经知道,所有的中子、质子、原子、分子,都是由两类基本粒子组成的:一类是夸克;另一类是轻子。一共有6种夸克,6种轻子。可是这6种夸克,每一个都不能单独自由行动,从来没有人观察到它们可以自由的存在。
关于理论上对称而实验上对称破缺这个问题,现在的认识是,这个对称的破缺来自于真空。什么是真空?真空是没有物质(粒子)的态,可它仍有作用,有作用就有能量的涨落。这种能量的涨落是可以破坏对称的。
为什么夸克走不出来呢?这和超导类似。超导是抗磁场的,假如有一块材料没变超导前有磁场通过,一变成超导,磁场就被排出来了。假如一个圆圈里面有磁场,这圆圈没变超导前,磁场可任意进出;而一旦变成超导,磁场就出不来了。在真空的涨落中,很可能有磁单极子和反磁单极子,它们是抗量子色动力学电场的。可以认为,真空是物理的相对论性凝聚态,它虽是没有物质(粒子)的态,但却是有作用的,也就有可能被激发。
根据相对论性重离子碰撞理论,两个高能量的金核(单个核子的能量为100吉电子伏)相互碰撞后,相互穿过对方,并在两核中间产生新的真空,在这样的真空中夸克可以自由行动。这方面的研究正在进行,相对论性重离子对撞机设在布鲁克黑文,1999年就可建成,总投资约10亿美元。
如果真空可以被激发,粒子的微观世界和宏观的真空就结合起来了。这将是一个新的发展。我们用对撞机来研究这个问题,是想人工模拟出一个状态,它和当初宇宙开始大爆炸的情景相似。大爆炸开始于一个激发的真空,人工制造出类似的状态,也许可测量得到大爆炸之初的若干特性。宇宙中有一种叫作类星体的东西,人们知道它不是普通的星,但对它知之甚少。对它的能量来源,就一直未搞清楚。太阳的能源是核能,而一个类星体的能量比太阳的能量要大得多,可以是太阳的1015倍,这绝对不可能来自核能。在宇宙中估计共有100万个类星体,其中正在仔细研究的有1000个。
类星体最早发现于1961年,那