| 李政道：科学的发展:从古代的中国到现在 |
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整个科学的发展与全人类的文化是分不开的，在西方是这样，在中国也是如此。可是科学的发展在西方与中国并不完全一样。在西方，尤其是如果把希腊文化也算作西方文化的话，可以说，近代西方科学的发展和古希腊有更密切的联系。在古希腊时也和现代的想法基本相似，即觉得要了解宇宙的构造，就要追问最后的元素是什么。大的物质是由小的元素构造，小的元素是由更小的粒子构造，所以是从大到小，小到更小。这个观念是希腊时就有的(atom就是希腊字)，一直到近代。可是中华民族的文化略有不同。我们是从开始时就感觉到，微观的元素与宏观的天体是分不开的，所以中国人从开始就把五行与天体联系起来。五行的一个很原始的看法，那时是金、木、水、火、土。金代表了所有物质的基本构造。可是同时，金、木、水、火、上又有另一层意义。金就是金星(Venus)，它代表所有的金属的东西；木就是木星(Jupiter)，它代表了所有的有机的构造；水是水星(Mercury)，它代表了所有的液体；火为火星(Mars)，代表了所有的气体，土星(Saturn)有双层意思，既是earth(土地)，又是土星。那时认为五行是微观的构造，所有的物质与天体是一二、二一的对照看法，这当然是古时候哲学的看法。可是在很早的时候，中国就有相当重要的科学观测结果，在全世界恐怕最早的即是超新星(supernova)的观察。nova是什么?nova是指突然有一颗星，普通的一颗星，如太阳，它的光亮忽然就增加了10000至100000倍，然后就持续下去，可能几天，可能几个月。超新星又比新星(nova)的光亮增加了10000倍，即比普通的太阳增加了1亿至10亿倍，它可能是几天，几个月甚至一年。全世界最早的有关新星的记录，是甲骨文，是根据甲骨文翻译的，原件在台湾中央研究院，在商朝(2300年以前)。nova新星，这个名词是中国人定的，这是公元前1300年全世界最早的记录。我们很难知道这是新星还是新大星。另外一篇甲骨文也在中央研究院，它可能是新星，也可能是超新星。世界上有名的supernova(超新星)，也是世界上最早最全面的超新星记录，是在宋朝1054年发现的。记录上说，有一天(农历7月14日)，突然一颗星长大了，大如鸡蛋，连续两年，可以推出来这是超新星，亮度开始时达10亿个太阳的亮度。这些都是实验结果，有精密记载，是全世界最早的。中国当时就有科学的仪器，商朝的璇机，大概是玉做成的。把它的中间架在一个架子上，当中一头对北极，而天是在转的，北极是不动的，因此这个星体正好是北斗。公元1540年的，17世纪的……基本原理都一样，但是我们造的这类仪器在商朝时就有了，那是公元前1100—1200年，相差至少二千七百多年。汉朝时张衡设计的浑天仪，图纸是宋朝时重绘的。浑天仪代表了所有行星、恒星等天体运动。第谷·布赖(TychoBrahe，1546～1601)在1598年设计了浑天仪，张衡的是公元125年，在汉朝。在第谷·布敕以前的欧洲，代表天体的是一个圆。如同现在的球面几何，球面几何需要两个坐标(角度)。所以在第谷·布赖以前，欧洲所有的浑天仪只有两个角度。第谷·布赖设计的第一次有三个角度，它有赤道和黄道。赤道是地球自转，黄道是地球绕太阳转。第谷那时认为，光知道黄道还不够，因为月亮还在动。天体的运动不能光以一个球面来表示，这里有六道数。在西方，在第谷·布赖以前，所有浑天仪只有两道，第谷·布敕是一个很大的进步，做了三个道，即把地球自转与绕太阳转基本上分别开来。可是张衡有六个道，不仅如此，张衡的浑天仪是自动的，它由水源来推动，用齿轮的方法，自己会动，整个是自动的。第谷·布赖是1598年，张衡是125年，之间又差了一千四百多年。可是紧跟着，从明末清初开始，中国科学下降了。伽利略这个望远镜是在17世纪初，即明末清初时做成的。在西方，望远镜是帮助文艺复兴的第一步，它是崭新的科学仪器。我们没有跟上这—步。第二步，西方抓住了基础物理和应用物理的关系。在19世纪，经过法拉第的试验，麦克斯韦在1864年创建了电磁理论概念，即把磺生电、电动生磁这两个现象完全用精密的麦克斯韦方程组表示出来。此后很快就产生了19世纪末的发电机、电动马达，一直到20世纪的电报、电视、雷达，所有的现代通讯设备都是从这两个东西里出来的，因为经过麦克斯韦的电磁两门，所有的总关键都抓住了。一切与电、磁有关的东西都是受麦克斯韦方程组规律控制的。 再看19世纪末、20世纪初。1887年，美国两个实验物理学家迈克耳孙和莫雷，他俩做了相当简单的实验。我们知道地球在转，按当时的想法，太阳光的速度顺地球转与背地球转，当然顺地球转比背地球转快一点。可他们在1887年测量的结果，两者完全一样，即光速与地球的转动并无关系。当然这些实验看来与我们人类日常生活关系似乎不很大。而在1900年，普朗克建立一个方程式，这个方程式是讲，如大家知道的，假如每一个东西发热的话，它就有发射光谱，这些发射谱线的能量与波长之间的关系，是经典物理无法解释的，普朗克作了一个大胆假设，建立了一个方程式。有人会说，这两件事，如光顺地球转、背地球转，其速度一样，东西发热当然要发光，发光的光谱与波长的关系，当然很有意思，但也没这么了不起。其实不然，很快的在20世纪初，从迈克耳孙和莫雷的实验就产生了相对论，从普朗克的公式就产生了量子力学。到了1925年，整个基础科学的了解被人们完全操纵住了，之间还有第二次世界大战，到1950年初，原子结构、分子物理、原子核能、半导体、超导体、计算机，这一切20世纪的文化都已产生了。 如果没有量子力学，没有相对论，就没有20世纪的文化。再过了二十年，到了70年代末80年代初，这些理论已达到顶点。回顾以上一段科学史，可知必须了解基础科学、应用科学与我们的物质文化的关系是何等紧紧相扣、不能分割的。我们现在是处于20世纪末，当我们面向21世纪时，不禁要问，什么是21世纪的科学文明呢?什么是现在面临的最重要的问题呢?这是今天我要讲的主要问题。 中国从商朝到汉朝，科学文明一直是走在前列的，为什么到明末清初(17世纪)中国的科学落后了，文艺复兴完全在西方发展?道理之一是因为在物理上，在科学上，我们觉得所有的物质的动因、它的原理是由一些很基本、很简单的理论操纵的，我们能找出这些原理，就可以知道一切东西的原理，如19世纪的电磁理论和20世纪的相对论和量子力学。18世纪很难了解19世纪的文化，在19世纪根本无法想象20世纪的文化。同样，我们20世纪也很难猜测到21世纪的科学文化是什么。所以我说，如何恢复中华民族在科技界的领导地位，在19世纪前，无疑中国是处于领导地位，今天不是。这里的主题至少有两个，第一个是要了解基础科学和应用科学的机制关系；第二个是当我们展望21世纪时，我们必须要了解当代科学的大问题，了解了这些大问题，才有可能突破。处理大问题并不比处理小问题复杂，像爱因斯坦方程式是十分简单的，一旦抓住了大问题，其他问题就迎刃而解。复杂性是在于应用。了解当代的大问题对于了解21世纪的科学发展无疑是有帮助的，当然，这只能是猜测。 我们现在要回到本来，对世界的看法，五行和天体，当时中国古代的看法是太简单化。一切的物质都是由分子构造，分子中有原子构造，原子又有电子与核子，电子由轻子构造，核子是由夸克构造。这些就是我们现在了解的物质，所有的宇宙都是这样构造的。整个宇宙，我们了解有三个作用，第一是引力场，一切物质都有引力场作用；现在我们能把电磁与弱作用统起来，所有物质都有电弱作用；在核于里、夸克里另有强作用。这三个作用就代表了目前为止我们对宇宙一切物质的了解。 当代的科学大问题，可以与19世纪末相当的大问题，在宇宙学里有两个：一个是类星体(quasar)，一个是暗物质(darkmatter)；粒子物理学里有两个：一个是对称破缺(miss—lngsymmetry)，一个是看不见的夸克(unseen quark)。若能了解这些问题，将对21世纪的科学发展产生重大作用。 我先来解释宇宙学里的大问题。类星体是什么?新星忽然一下子亮度超出太阻1—10万倍，超新星又比新星亮l～10万倍，寿命从几天到1—2年。类星体更厉害，其亮度是l000个银河系的亮度总和，而每个银河系里有l000亿个太阳，类星体本身很小，与太阳系差不多。我先解释一下银河系，银河系里有1000亿个太阳，每个太阳几乎可以生存100亿年。最早发现的类星体，编号3C273，其亮度超出l000个银河系，其寿命推断可有1000万年，比超新星长107倍，瞬发能量也大得多。总能量就比超新星高1011?~1012。这个能量绝不是普通的核能，那么什么东西产生类星体能量?核能是普通的太阳能，它与核能之比相当于核能与油灯之比。我们尚不知道其能量来自何处。我们宇宙里至少有l00万个类星体，其中仔细研究了近1000个。类星体3C273是在1961年发现的，到了1988年2月的一天，忽然发现它的亮度增加一倍，一天之间突然产生那么多能量。我们宇宙间有一种我们尚不了解的发能方式，它远远超过核能，远远不是我们所能想象的。而这种现象离我们并不十分遥远，例如，平均每10个银河系有一个银河中心，它所含有的能量比类星体暗了100倍，但仍很厉害。而我们地球所在的银河系里就有这样的中心，这说明我们的宇宙有很普遍的发能量方法，这并不是核能，与核能无关，而且普遍存在，我们有详细记载。 下面谈一下暗物质。所谓看得见的物质是指用光学、红外、放射等手段，即凡是用仪器能推出能量的物质。然而，我们发现，在银河系里，有个叫做星系群(local group)的圆球，里面有20个像银河系那样的星体，通过研究整个local group里每个星云的运动可以推出地心引力，从地心引力里求出来，就发现在星系群里有四分之三的物质是我们看不见的，这就是暗物质。暗物质占了我们宇宙中的绝大多数质量，可我们不知道其为何物。暗物质有很高的能量产生，有相当的普遍性。但我们不知道其原因何在，来源如何。以上两个就是当代天体研究上的大问题。研究这两个大问题的方法，一是继续天体上的观测，另一个是我们自己来制造宇宙的开始。宇宙开始于何时，这是很难知道的。但我们能用现有的物理原理退回去，退回去可以相当准确地求出宇宙的开始。我们可以用SSC(超导超级对撞机)形成相当早的时候，至少150亿年前的宇宙(暗物质、类星体的构造晚得多)，至少我们可以求出早期宇宙的开始，在一刹那地方推出去，可以了解到底是什么原理可以制造暗物质、类星体。SSC是美国的，它有两个轨道，一个轨道是质子，另一个轨道也是质子，但相反走，在两点对撞，在这两点就放两个探测器。对撞时的能量为20万亿伏。对撞产生就相当于早期宇宙的开始，整个对撞主要靠两个探测器测量，造这台机器需要82．5亿美元。每台探测器都相当贵重，每台5亿美元。 以上是宇宙学上的两个大问题，那么粒子物理上的两个谜是什么?我们现在讨论的问题是整个的宇宙、所有的物质，不是单个物质。现在的理论中，所有的物质甚至天体，到原子、轻子、夸克，有三个作用我们是了解的，一是引力场，一是电弱力，一是强力。这三种力包括了我们现今对宇宙整体的了解。当然还有些东西我们不了解(如类星体、暗物质)。可是我们了解的理论，如量子色动力学、爱因斯坦的广义相对论，所有这些理论有17个参数，都是对称出来的，可是在我们的宇宙里，对称的量子数是不守恒的。其中第一个重要发现就是宇称不守恒，现在还有不少东西不守恒。这就很奇怪，我们的很多理论是根据对称产生的，可是为什么我们的世界又是不对称的，这是非常奇怪的。那么是否我们相信对称就是错误的呢?不然，我们有很充分的实验证据证明，这些理论是对称的，但是我们也有很充分的实验证据表明，我们这个宇宙、我们这个世界是不对称的，这两个是非常奇怪的现象。这表明现有的全部的知识是很不全面的，一定另外有一个力，这个力是推翻对称的。这个力是什么?我们不了解，它的存在我们知道。现在我们认为，很可能真空在里面起作用。真空与以太不同，它是洛伦兹不变的，可它有很复杂的性质，真空很可能是可以起变化的。如果我们了解了不对称性的来源，很可能我们可以了解质量的来源，包括暗物质。 第二个谜即看不见的夸克。所有的强子、核子于是由夸克来的，有强作用。所有的强子都是由夸克构造的，但单独的夸克是看不见的，从来没有人看见过，这也是很稀奇的。但若你据此说夸克观念是错误的，那就不然。我们有充分的实验证据证明夸克是存在的。我们知道其质量不大，但就是看不见。所以为什么一切强作用的物质是由夸克构成，而为何夸克又看不见，这是当代的一个很大的奇怪的事情。介于怎样解释呢?我们说介于是夸克和反夸克构成的，中于是由三个夸克构成的。所以看不见的道理，是因为“真空”在作怪。真空和超导一样，它对于色电场就如同超导体对磁场那样，超导体是一个完整的抗磁体。我们现在的理论，真空是一个全部的抗色电场体，色电场在其中不能生存。因此假如有夸克和反夸克的话，按高斯定理，必定有色电场，可色电场无法在真空区存在，所以它只能屏蔽下来。 我们现在就发现很奇怪的事情，两个很大的谜，我们认为不对称是真空不对称，真空是凝聚态量子体，因此我们看不见夸克。什么是真空，假如我把这个房间里的东西，包括分子、原子全部抽出去，拼命地抽，里面越来越没有物质，越来越近于真空，所以真空是一个没有物质的态，可是没有物质是可以的，但你无法没有作用。所有这些物质有这些作用，但是没有了这些物质，它还是有作用的，你无法把作用拿掉。所以没有物质可以有虚物质。虚物质里还是有作用，所以真空里的态是有作用的态。因为它是有作用的态，它可以相当复杂，因为相当复杂，它就可以产生种种情形。真空里充满了虚的物质。真空是洛伦兹不变的，所以它并不是以太。正因为如此，所以真空是一个物质的媒介。我在1974年同维克(Wick)就讨论了，当时觉得比较新奇。现在理论上大家已经一致公认这—点了，当然这还有待于实验的进一步证明。这是量子色动力学里的真空，它里面是一个抗电磁场的凝聚态。可就在超导液里，你如增加温度、增加能量或加压可以改变其性质，而若能改变其性质，那就可以知道失去的对称是否到真空里去了，到底夸克看不见是不是因为真空之故。这就是当代的问题。 讲到激发真空问题。真空激发第一步要激发QC运动，真空是可以受激发的。美国布鲁克海文在1996年底将建成的Relativity Heavy lon Collider(相对论重离子对撞机)，它能使每个核子具有1000亿电子伏，如果一个原子核内有几百个核子，每个核子有1000亿电子伏，总能量就是几百×1000亿电子伏。我们让两个这样的原子核对撞。刚才讲的SSC，它是质子对质子，也可以激发里面的真空，也可以把RHIC加在里面，并不困难(RHIC在1996年可建成)。 RHIC的思想是把金和金的原于核加速到1000亿电子伏，让它对撞。在这个能量下，在对撞以前仍是物理真空，在这个能量下基本是透明的，可以穿过去，在碰撞中，达到真空激发，它与物理真空不一样。例如，刚才讲，在物理真空里，色电场不能在里面。这与普通超导一样，将温度增加，超导变为普通导体，磁场可以进去，同样，真空激发了，电场可以进去了。在这里，所有的夸克、反夸克、胶子都可以在里面自由行动。但有自由行动，你如何看得见?都可以自由行动，其行动度就远远超过这个。所以它的熵大了许多，因为熵大了许多，过了一会儿就要衰变，但熵不能减少，从熵密度高到熵密度低，整个熵要增加，其体积也一定随之增加。体积可以测量出。一下子就可测量出有没有相变。这个实验将于1997年在美国长岛布鲁克海文实验室里进行。 世界上有这么多问题，对称性破缺、夸克的不可见性、宇宙的开始怎么会产生暗物质、类星体。这些都是很大的问题。那么中国的科学家怎么来参加?怎么来发展这些工作?怎么来恢复在科学中的领导地位呢?1992年全世界粒子物理学领域中公认最重要的工作是北京正负电子对撞机对τ粒子的检测。北京正负电子对撞机是1988年建成的。为什么这一工作那么重要，是因为以前，的质量是1776．9（+2．7，－3．6）Mev，现在据测定是1776．9（+0．4，－0．5）Mev。虽然相差很少，但意义完全不一样。因为根据这个质量，我们就可以推测τ介子与μ介子的两个作用不一样，这就推翻了以前认为τ与μ之间的普适理论。这是中国科学家在北京正负电子对撞机的工作，可以说中国科学家已在高能物理方面获得了很重要的科学金牌。 再回到刚才讲的几个问题。请看19世纪末物理学家针对了两个当时未能解决的重要问题。第一是光速为何与地球转动无关?普朗克方程式有什么根据?这里就产生了一切的20世纪的文明。同样，我们现在也要问，一切的理论都是基于对称的，可是对称数在世界上是不守恒的；一切的强子是夸克构成的，可是单独的夸克是看不见的。所以我们认为，真空是可以激发的。若真空真是可激发的，那么由于真空在每个地方都有，且在宇宙开始时就有，所以不光在微观上它有很大影响，而且对宏观也能起同样作用。假若真空确可激发，且为凝聚态，那就表示，微观的世界与宏观的世界两者是分不开的。我们说2l世纪的科技如何，假如我们从古时候起西方的观念是大的由小的做的，小的是由更小的做的，因为这个道理，所以我们的精力从J．J．汤姆孙以后，在20世纪发现电子以后，我们就拼命研究，研究越来越小的东西。可是越来越小，因为有量子力学，Δx(距离)越小，ΔP(动量)越大，乘积大于h／2，动量越大，能量越高，所以我们的加速器越做越大。加之越来越小的研究，我们发现里面有个大毛病，小的到小的，又到更小的，这里有个漏洞，就是这些作用并不能代表我们世界所有的现象。从小的里面研究这个作用，那个作用，但我们忽然发现这里面有对称性破缺，有看不见的夸克。因此假定说真空可变的话，我们就真的能从中了解到微观与宏观是分不开的。这可能影响到对科技的看法。我们对做科技的看法也是这样，集成电路越小越好，到了一个极限就要停顿，也不一定越小越好了。 现在我们猜不到21世纪的文化是什么，就如同在19世纪我们猜不到20世纪的文化将是怎样一样。同样，若我们真能激发真空的话，很可能我们对宇宙的了解要远远超过20世纪。将来的历史会写上：是在我们这个时代，把微观的世界与宏观的世界用科学的方法连接起来。 相关链接：教师随笔
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