物理学百年的回顾 -周光召-第2章

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谱不是连续的，而且其中有分离的一条一条分开的这种线谱，这个也和麦克斯韦的理论是不相符合的。
　　最后在上个世纪末又发现了放射性，这样就改变了根深蒂固的原子是不可破坏的一种稳定结构的这种观念。那么要扬弃古典物理学的过时的概念，消除牛顿力学和麦克斯韦电磁场这两大理论之间的不自洽，就成为二十世纪物理学发展的前提。二十世纪物理学是起始于两位伟大的科学家的伟大的发现。十九世纪末尽管存在很多古典理论不能解释的现象，但是大多数物理学家他们都相信古典理论，敢于对古典理论说不的是两位当时还不知名的年轻科学家，普郎克和爱因斯坦。这个就是普郎克，当时四十来岁，这是爱因斯坦只有二十六岁。1900年四十二岁的普郎克，为了解释黑体辐射谱提出量子论。他当时已经在大学教书，四十来岁了嘛。但是他的想法仍然不为他的同事特别是一些知名科学家所接受，甚至于他自己，虽然做了正确的工作，但是他也怀疑自己做得对不对，他多次还试图回到用古典的理论去解释黑体辐射谱，但是一直都不能成功，所以他后来就写了以下的几段很有趣的文字。第一段他说他做这个工作的整个过程是一个绝望的尝试，他说因为不论代价有多高都要找到理论的解释，所以他是付出了要扬弃古典理论的某些假定的代价，这个代价是很高的。他另外还讲了一段更有意思的话，他说一个重要的发现，能够逐渐地获得反对者的承认，这个是一件很少有的事情，实际出现的情况呢，是当时这些反对的人他们一个一个都去世了，所以就没人反对了，所以可见他当时受到的反对有多么地严重。1905年爱因斯坦不仅提出了狭义相对论，同时他也支持普郎克的理论，用光量子去解释了光电效应。同年爱因斯坦还提出了布朗运动的统计理论，这些都得到了实验的证明，这样就使各界再不怀疑原子的存在。爱因斯坦在做出这几样重要发现的时候，年仅二十六岁，而且是一个瑞士专利局的职员，因为他在大学里头这些老师都不大看得起他，不愿意把他留下来做助教，他几次去请求，人家也不要他，他甚至于有几次几乎要失业了，几次在中学里面求职，还变更了好几次，最后在专利局里面找到一个职位，他每个星期要在专利局工作大概要四十几个小时。但尽管如此，这一年是他最辉煌的时期，因为他做出了二十世纪物理学史上最辉煌的几项贡献，就是刚才讲的这三项。狭义相对论当然现在知道是非凡的贡献，但这个贡献长期地不被人所重视，以至于没有给他诺贝尔奖金，而光电效应呢！是第一次明确地指出光的既是波动又是粒子的性质，这个得到了诺贝尔奖金委员会的认可，所以爱因斯坦得到诺贝尔奖金是光电效应，其中没有相对论。同时他还证明了原子的存在。所以这三项工作能够在他在专利局作为业余工作做出来，这个好像是物理学史上的奇迹，直到现在还是物理学史家所研究为什么会这样的一个很重要的一个课题。
　　相对论和量子力学这两大发现，从根本上突破了古典物理学的局限，相对论建立了新的时空观，时空再不是脱离物质和运动的独立的存在。牛顿就认为时空是脱离物质而存在的，物质在时空里边运动，时空跟运动没关系。相对论不是这样的，相对论认定这个时空不再是脱离物质和运动的独立的存在，同时相对论还确定了物质和能量的等价，为原子能的开发利用奠定了理论的基础。1916年爱因斯坦又提出了广义相对论，计算了水星绕日的进动，得到了和试验一致的结果，并且在1919年全日蚀的条件底下，观察到光经过太阳边缘由重力产生的偏转而得到了证实，这样时空和重力在广义相对论中间就得到了完美的统一。广义相对论对二十世纪理论物理和天体物理产生了巨大的影响，爱因斯坦的基本的思想，追求自然规律的统一性，他要通过局域对称性来实现物理运动规律的几何化，这个一直是以后理论物理学家追寻的方向。但是经过80多年的努力，爱因斯坦的梦想到今天还没有完全实现，当然也取得了很多重要的进展。相对论和以后发展的规范场论对人类的认识论产生了巨大的影响，这个理论认为物质、运动、时空和相互作用是紧密联系在一起的，是不可分割的，是互为因果的。它们统一在某种变换群的局域对称性中间，对称性和它的自发破缺确定了物质的基本构成和它们之间的相互作用，体现了宇宙的真和美，形成了宇宙万物内在本质鲜明的统一性和外在现象绚丽的多样性。
　　1954年杨振宁和Mills提出了非Abel规范场的理论，局域对称性就成了相互作用力和基本粒子结构的本原。1964年Higgs借鉴凝聚态相变的观念，引进了真空相变和对称性自发破缺的概念，真空并不是空的，这样使得统一性和多样性就得以结合，对称性原本相同的粒子在对称性自发破缺以后可以获得不同的质量，造就了今天千姿百态的世界。在这个基础之上，Glashou　Weieberg　和Salam用SU（2）XU（1）群的对称性和规范场统一了弱相互作用和电磁相互作用，形成了由三代夸克和轻子，三种相互作用力的携带者胶子、光子，W和Z粒子组成的标准模型。标准模型和实验符合得很好，遗憾的是引发对称性自发破缺的Higgs粒子可能质量太大。在目前的加速器实验中间还没有观察到。这个弱电统一的理论成功，为进一步统一四种相互作用力提供了希望和动力。
　　这是我们现在已经知道最基本的一些粒子，上边是夸克，下边是轻子，还有就是它的右边是携带作用力的几个粒子，像最上面是光子，然后是重粒子，然后还有Z粒子W粒子等等。目前正在欧洲通过国际合作建造世界上最大的加速器，耗资是几十亿美金，建成以后，如果能够发现Higgs粒子和各种超对称的粒子，就会对统一的理论有所推进。
　　研究世界的统一性和多样性是我们物理学基础的物理学所追求的一个目标，也是人类认识世界所追求的一个重要的目标。我们一方面要在世界的统一性中间，看到世界所遵循的共同的这个规律，又要从它的多样性中间来看到这个世界的绚丽多彩。物理学能不能够最终地把所有我们知道的作用力和这些基本粒子能够统一在一起，从实验的角度来看，它可能反映在最早的天体演化的这个状态中间，这是我们现在着力研究的一个方面。
　　这个是在日内瓦建造的世界最大的加速器，它的环半径是4。3公里，周长大概有32公里，能够达到很高的能量。使得质子和反质子能够在里边对撞，能够造出世界各种所有的，在一定能量范围之内的这种粒子，也希望在这里边能够找到形成统一的Higgs粒子。除了我们在实验上来看的话，那就是天然的实验室，除了人造的实验室，天然实验室呢，现在因为能量需要很高了，所以就要依靠天体自然的现象。天体现象在牛顿力学和广义相对论的发展中间都起了决定性的作用。反过来呢！物理学的发展，像力学、核物理、等离子体物理、量子力学、相对论都对理解天体的物理现象起了重要的作用。我们现在观察到的有些现象我们还不理解。譬如说我们在天体里面，现在发现有很远处的星体，它发生强烈的伽马射线的爆发，这个能量是非常非常之强的，远远超出我们的想象。它是怎么能够发生。同时我们也发现不断还有新星在产生，但是同时也有很多星球在消亡。我们在银河系中间现在也观察到了黑洞。在爱因斯坦广义相对论中间预言，在弯曲的时空中间光是有偏转的。这个图是用空间望远镜拍摄的重力透镜聚焦的一个现象，这个旁边有四个新星，实际上一个星体在远的地方，它的光线被偏转了，被中间的物质所吸引而产生了偏转，造成了四个影像。从这里边可以推断在这个空间中间还存在很多的物质我们没有看见，叫做暗物质，可以达到世界物质的百分之九十那么多，那么到底是些什么东西。所以在今后天体物理学会在物理学的基本理论的发展中间，会要再一次起到重要的作用。
　　通过计算机的帮助，如果我们应用古典物理的理论来讨论流体运动或者气象预报的时候，就发现在决定性的非线性力学方程中间，存在着偶然性起决定作用的混沌的状态。也存在通过自组织从无序的状态演化为有序的状态，由简单的规则形成自相似分形结构的这种可能。随后发现，这是普遍存在在有非线性相互作用，远离热平衡的开放的复杂系统中间的现象，即使是生命系统和社会系统也不例外。譬如对社会系统，开放的社会系统，当信息流通加快的时候，系统里边的长程的非线性相互作用就加强。现在世界上任何一个地方发生的任何一件事情，在世界的其他的地方都能知道而且立刻可能就发生影响。譬如说要来一次金融的危机，或者股票的大涨大落，在一个市场出现，在纽约的市场出现，很快就会波及到欧洲或者亚洲。当信息流通加快了以后，系统里边长程的非线性相互作用就加强了，系统的演化速度也就加快了，那么在进入混沌区的边缘的时候，系统对某些外界参数就变得非常之敏感，耗散和涨落的斗争，必然性和偶然性的相互转化，使得参数的小的变化或者偶然的变化就有可能或者激发自组织的过程，进行系统的内部结构的调整，形成新的一种有序的状态。或者呢！它会脱离稳定的轨道快速陷入一种混沌的漩涡，在竞争适应和选择的演化的过程中间，形成千变万化的结构或者千姿百态的现象。
　　下面我们看一下物理学发展带给我们的启示。物理学研究的是自然界的运动规律和物质的结构，判定物理学的发现和理论作为客观科学真理的惟一依据是科学的实践，也就是正确预见并为不同科学家在相同条件下所重复验证的实验事实。对微观现象的实验观察尽管出现很多出乎常情的结果，我们的看法必须依据真实可靠的实验结果加以修正，才能得到正确的认识，而不是相反，求真必须惟实，惟实才能创新。
　　物理学的发展不断开辟新的先进生产力，在外是受到社会经济需求的大力牵引。它又是人类先进文化的重要组成部分，在内部一直为人类强烈追求对宇宙运动规律的认识所推动。这两种动力都不会停止，在本世纪将继续推动物理学向前发展。物理学应用的领域将随着人类对物质结构和运动认识的深入，以及掌握的有力探测工具的增加而不断扩大。将在各种极端条件地下探索新的现象，将对不同层次的非线性复杂系统进行模拟和研究，将不断开拓新的研究领域。由于人类对单个原子操纵能力的增加，应用量子力学会设计和生产除越来越多按照人类的需要，具有特殊功能的微结构和宏观量子态、室温超导、相干原子束器械、细胞和基因的修复仪、速度达到每秒万亿次运算的的芯片，自组装的智能微机械、量子密码和量子计算等等，都是我们下一步奋斗的目标。
　　物理学会以新的思维方法和新的仪器设备进一步深入数学、化学、生物学、天文学、地学、材料科学、能源科学、信息科学甚至于社会科学。会在纳米科技和量子信息学之中大放异彩，会在新世纪继续对经济、军事、科技和社会发展作出重大的贡献。
　　在我们面前还有很多不解之谜，譬如说质量是怎么产生的？为什么存在三代的夸克和轻子？最基本的物质形态到底是什么？暗物质又是什么？四种相互作用力能不能够统一，怎么样统一真空的结构和对称性怎么样？相变和对称性的破缺是怎么发生的？量子力学的去相干过程又是怎么发生的？量子力学是不是最终的理论？宇宙的能量到底是从哪里来的？强烈的伽马线爆发是怎么产生的？黑洞的命运和结构又是怎么样？宇宙和时空是怎么起源的？是不是存在多个宇宙？宇宙的结构和发展的命运是惟一所决定的吗？数学将再为物理的理论的发展提供新的工具，而天体将再一次成为检验物理基本理论的场所。由于实验的困难进程也许不会很快，但是相信在本世纪这些问题都能得到明确的回答，人类对宇宙万物的认识将会进入一个全新的阶段。
　　在当前中国走向伟大民族复兴的二十一世纪；发展中国物理学的重任已经责无旁贷地落在了今后几代青年的肩上，中国具有世界最多的有为的青年，我相信他们一定能够不负重望。自强、自信、自立，在掌握世界最新知识的基础上创造出世界物理学最重要的新成果，为中国经济打下自主的基础，为中华文化谱写灿烂的篇章。