物理学百年的回顾

龙哥
龙哥
龙哥
1123
文章
35
评论
2010年12月26日07:20:07 评论 130 9380字阅读31分16秒

今天我要向大家讲的是物理学百年的回顾和展望。物理学在这一百年中间,有了极大的发展,即使作为一个终生研究物理的人,我想也很难有一个人能够对它全面地了解。为了说明这一百年来的物理学的发展,我们先看看物理学研究的范围,有些什么样的进展?用时间来作为例子,物理学最近研究的顶夸克,它的寿命,只有四乘十的负二十五次方秒,这是个非常短的时间。同时物理学现在研究的宇宙的起源,现在我们知道大约是在一百到一百五十亿年的样子,可能在是一百三十亿年附近,这个相当于四乘十的十七次方秒,所以物理学研究的时间范围是横跨了四十二个数量级。我们讲每十倍就是一个数量级,所以一百就是两个数量级,一千就是三个数量级,我们现在差别有四十二个数量级,这么大的范围,都是物理学研究的对象。
??? 物理学研究的对象的种类也日益增多,同时在研究物理宇宙中间,多层次的复杂而且差异非常巨大的各种物质的形态和结构。前不久我们测量出来中微子的质量,只有一乘十的负三十五克重,这是非常非常之轻的。当然我们举个例子,我们经常在研究太阳,太阳的质量是二乘十的三十次方公斤,所以可见我们研究的对象,光是从它质量的范围来看,差距就是极为巨大。
??? 二十世纪是研究原子的世纪,在原子内部尺度的范围,差别也是非常之大的。我们一个原子大约是一百亿米分之一。可是原子下面是由原子核构成的,原子核比它小一万倍,原子核又是由质子和中子所组成的,质子和中子又是由夸克所组成的,这样又要相差一万倍。所以即使一个原子内部的结构,它的空间的尺度就相差了八个数量级。同时从物理学中间这一百年也分化出了大量的学科,到二十世纪,力学、热学、光学、声学、无线电、微电子,像激光、原子能现在都已经形成了独立学科,我们在学校里边有的还可以看到这样的系。这些学科支持了机械、冶金、建筑、电力、原子能、航空航天、计算机、通讯等等工程科学的发展。物理学进入化学、生物、天文、地学、数学、技术科学,就出现了所谓的化学物理、生物物理、天体物理、地球物理、计算物理、技术物理等等新兴的交叉学科。那么到底是什么动力使得物理学在这百年中间能够得到飞速的发展呢?我想首先是因为物理学是先进生产力的开拓者。二十世纪物理学的广泛的应用,不断提高国家和企业的竞争力,不断地开辟新的消费需求和市场。反过来呢!市场和国家的需求又推动物理学迅猛快速地发展。举例子,譬如雷达和原子弹,这个主要是物理学家在二战中间所做的工作,它在战争中间的作用促使美欧各国在战后就大量增加了对物理学的投资,设立了集中的研究机构,建造了巨型的加速器、核反应堆,来从事有潜在的军事价值和市场价值的研究。
??? 在2000年美国工程院选择了二十项二十世纪最伟大的工程,其中采用的技术大部分都直接或间接跟过去三百年物理学的发现有关系。这二十项工程是首先是电气化、汽车、飞机、自来水系统、微电子、无线电广播和电视,我在这些项目的后边都打上了星号,这个星号越多的,表示它和物理学的关系越密切。以下是农业机械化、计算机、电话、空调和冰箱、高速公路、卫星、因特网、摄影。然后是家用电器,医疗技术,石油和石油化工,激光和光纤,核技术,高性能材料,大家可以看出来其中大多数都打了星号都跟物理学直接或间接有关。
??? 物理学在半导体、集成电路、激光、磁性、超导等方面的发现,这都是二十世纪所发现的,奠定了信息革命的科学基础。在市场推动下边,由物理学延伸的高技术产业应运而生,这些高技术产业,在二十世纪下半叶的全球经济中扮演了重要的角色。它为家庭开发了从微波炉到液晶电视等多种的家用电器,引导了以微电子、光电子、网络和微光机电技术为核心的第三次工业革命,为信息社会的到来奠定了技术基础。由物理学研究带来的新技术和新产品层出不穷,从根本上改变了人们的生产方式和生活方式。
??? 我们看看所有这些是由哪些物理学的发现所导致的。当然有很多是与二十世纪以前的物理学有关系。在二十世纪以前,以牛顿力学、热力学和麦克斯韦电动力学为代表的古典物理学,到十九世纪末已经形成了完整的理论体系,并且在工业革命中间起了重要的作用。这些物理学的成就反映在工业上,就是发明了电话、电灯、汽车等等,并且开始了社会的电气化进程。十九世纪末还相继发现了X光、放射性、电子,测定了光速和部分物质的光谱,这些都为人类在二十世纪进入微观世界奠定了基石。
二十世纪以古典物理学为基础,还有很多重要的发明。譬如说1901年马可尼成功地发射了无线电波,进行了跨越大西洋的无线电接收,那么无线电广播和通讯就得到了大规模的推广应用。火箭技术在二十世纪开始发展,提出了克服地球引力进入太空的设想,这是俄国人提出来的。然后1930年首次提出了火箭发动机的专利,1926年开始了第一次电视图像的传输;1928年第一次完成了跨大西洋的图象无线的传输;1938年发现了硒在光照底下变成良导体,当时的XEROX公司就应用它造成了第一台复印机;1936年又发明了磁带录音;1937年发明了雷达;1939年开始调频广播;1949年用X光分析了盘尼西林的晶体结构;1958年超声技术开始在医疗中间应用;1967年家用微波炉上市。而这些都是和二十世纪以前的物理学的发明相关的。到二次世界大战以前,在二十世纪物理学家深入研究了物质的各种形态,又发现了一系列新的现象。譬如说1911年发现超导;1911到1912年通过X光衍射,发现了晶体原子的对称排列;1932年发现了中子;1934发现了人工放射性元素;1938年发现超流;1939年发现了裂变现象。像战后那就有更多的发明,比如1947年发现了晶体管;1954年发明太阳能的光伏电池;1955年制造了第一根光纤;1959年发明了集成电路,集成电路是刚刚获得诺贝尔物理学奖的;1960年发现了红宝石激光器;1966年提出了能够实用的光纤的设想;1971年发明了微处理器;1975年液晶显示用于计算器;1982年激光唱盘问世。物理学还为所有其他的科学提供了强有力的研究工具,比如中子衍射可以确定原子核的位置和运动,可以探测物体内应力的分布,是判定物质结构有力的工具。像加速器产生的同步辐射强光源,已经广泛用于研究材料的性能和结构,化学反应过程,生物细胞的活动等等。1989年在欧洲核物理研究中心工作的Berners-Lee他为了在网络上传输高能物理的数据,就提出了超文本协议,这个协议现在已经成为全球万维网信息传输的标准。
??? 物理学还提供了强有力的探测和医疗设备,像五十年代就已经把X光用于生物分子的结构分析,最重要的是它在五十年代首次分析了DNA的双螺旋结构。而克利克和华生正是看到了这个照片以后,才提出了他们有名的双螺旋结构。像Rosalyn? Sussman? Yalow发明了核放射分析的技术,成功地应用于生物学的研究,超导SQUID器件用在地质探矿或者研究生物体磁性的变化。而CT、核磁共振、正电子CT、PET、基因芯片、激光、超声、微波等等都广泛用于医疗和生物的研究。用现代物理学开发出来的显微镜,我们已经可以清楚地看到细胞的活动。这里是一个巨噬细胞在吞噬一个外来的细菌,这是我们拍摄出来真实的DNA长链,打开了的DNA.这是我们从核磁共振拍摄到的脑的图象。
??? 在量子力学和相对论的指导下面,上个世纪的下半叶,物理学在凝聚态、激光、表面等离子体等等方向上面,又发现了很多种有广泛应用前景的现象。有新的集体振荡的模式,新的相变和宏观量子态等等,像量子霍尔效应、分数电荷、稀土永磁、高温超导、量子点、量子计算和信息传输,玻色- 爱因斯坦的凝结态,相干原子束等等。同时也创造了崭新的探测和控制原子的手段,像同步辐射光源,快中子束和离子束,微光机电器件,功能核磁共振,隧道扫描显微镜,原子力显微镜,激光镊子等等,为开创纳米科技的研究提供了有力的工具。这是我们观察到一个在温度不断下降的时候所形成的玻色-爱因斯坦的一个凝结,这是用的铷原子做成的。纳米技术在上世纪末已经开始蓬勃地发展,这里面应用了大量的物理的新的思想和技术,它本身也是由一位有名的物理学家费尔曼所提出来的。这是用光刻技术所做出来的微机械,这里是移动单个的原子所做出来的一个算盘和写的字,这是世界上最小的字之一了。同时在量子场论还发展出一些新的计算的方法。譬如说重整化群的方法,这个对研究处于临界状态附近的各种自相似的结构非常之有用,已经广泛应用于各种不同的物质组成的复杂系统或者远离热平衡的开放的系统。在二十世纪企业已经成为物理学的应用研究开发的一个主力。在市场力量的推动下,我们看到有几项获得诺贝尔物理奖的重要的发现。譬如说晶体管、集成电路、电子隧穿效应、激光、隧道扫描显微镜、高温超导,这些都是获得诺贝尔物理学奖的。它们都在大工业的中央研究室里边完成的,所以在二十世纪有眼光的企业家,已经认识到基础研究在发展企业技术上的重要作用,从市场长远发展的需求,制定了他们研究的目标。他们不仅为大学基础研究提供了很多的资金,而且有组织地在企业内部开展了多学科的基础研究。企业的中央研究所,在世界上已经成为像物理学应用基础研究中间的非常重要的力量。
??? 物理学在发展到历史过程中间,始终是先进文化的创造者,它始终激励一批科学家,在物理学的前沿去进行执着的追求。二十世纪物理学家在多层次变化无常而又丰富多彩的现象中间,去寻求宇宙所表现的真善美,寻求万物运动内在的统一规律,和理解外在显现的多样性,对人类的思维方式和世界观的进步做出了多方面的重要贡献。重要的我想有,一个是对宇宙观和认识论的贡献。相对论、量子力学和它们相结合产生的量子场论是从根本上改变了人类对物质运动、时空和相互作用的看法,使得十九世纪占统治地位的、绝对的决定论的宇宙观衰退,转变为辩证的惟实的宇宙观。
??? 我们先看看古典物理学,从十七世纪开始,物理学一直处在科学研究的最前沿。到十九世纪末由牛顿力学、热力学和麦克斯韦电动力学构成的古典物理学,不仅已经发展成为一个完整的理论体系,而且形成了根深蒂固的机械唯物主义的思潮。应该说在十七世纪的时候,机械唯物主义是一个进步,因为当时人们是被神学所统治。在与此同时,将古典物理学应用于社会生产和技术,它也取得了非凡的成功。到十九世纪末从牛顿力学就发展出来分析动力学,同时这里边建立了非常多深刻的观念。像广义坐标和广义动量,对称性和守恒定理,最小作用量原理,拉格朗日作用量函数,哈密顿方程,雅可比括弧等等。这些都对以后的量子力学的发展做出了重要的贡献。而麦克斯韦方程又系统地展示了场的观念,预见了电磁波的存在,提出了光的本性就是电磁波。在麦克斯韦方程中间还隐含了和伽利略对称性不同的洛伦兹对称性。
??? 物理学家认为牛顿力学、热力学和麦克斯韦电动力学建立了完整的对宇宙的说明,并且在应用中间取得了极大的成功。当时人们认识的宇宙是一个机械的宇宙,一切都像一个机械一样动作,它是只要一开始有一个第一推动力,它就会永远按照同样的规律不停地运行下去。在十九世纪末有一系列的实验使得人们对以前的完整的物理学的说明产生了怀疑,首先就是发现了光的运动速度和地球的运动没有关系,这样就形成的电动力学和牛顿力学的矛盾,又发现了古典的黑体辐射理论会导致在频率很高的地方,辐射量越来越大,会发散,这个和试验也不符合。另外从电动力学的观点出发,像原子是由带电粒子所构成的,电子在原子里面不断地运动,如果它不断地运动,有加速度的话,它就要辐射出电磁波来,它的能量就会不断减少,所以这样的原子它不可能稳定。刚才发现原子发的光它的频率谱不是连续的,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。

继续阅读
匿名

发表评论

匿名网友 填写信息