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030318物理学百年的回顾-周光召-第章

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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。
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