物理学面临的机遇和挑战.pdf

2 0 0 3 年1 0 月绵阳师范学院学报o c t 2 0 0 3 苎丝堂篁 塑 竺 竺苎竺坠 坚 竖些 型坠 堡堡兰堂 墼堕 新世纪物理学面临的机遇和挑战 陶才德 西华师范大学物理与电子信息系 四川南克6 3 7 0 2 摘要 回顾了2 0 世纪物理学取得的进展与成就 指出了目前物理学在微观领域 宇观领域厦传统领域所遇 到的主要困难 并对新世纪物理学的机遇和发展方向做出一些展望 关键词 物理学 成就 难题 发展前景 中图法分类号 一1 3文献标识码 A文章编号 1 6 7 2 6 1 2 x 2 0 0 3 0 5 0 0 0 2 0 4 站在2 l 世纪的门槛上 回顾一下上个世纪物理学所取得的进展和成就 同时指出目前它所面临的难题 并对在新世纪中物理学的发展前景作些思考 将是一件有意义的事情 12 0 世纪物理学的进展与成就 百年前物理学中所发生的重大革命产生了两个革命性的理论 量子力学和相对论 这两个理论的建立 不仅标志着整个近代物理学的诞生 促进了其后一个世纪物理学的飞速发展 而且也带动了化学 生物学 医 学和天文学等自然科学的发展 引发了一场新的技术革命 这场革命使人类由电气时代进入了全新的信息时 代 如果说 没有相对论就不会有原子弹 不会有核电站 大家都容易理解的话 我们说 没有量子力学就没 有全球经济 也一点不夸张 因为 没有量子力学就没有半导体 没有半导体就没有晶体管 没有晶体管就没 有集成电路 大规模集成电路 超大规模集成电路 等 从而也就没有现代的计算机技术和信息技术 没有 这样的微电子信息技术 全球经济从何谈起呢 2 0 世纪物理学理论的发展成就 还体现在微观领域和字观领域里两个 标准模型理论 的建立 2 0 世纪 7 0 年代到8 0 年代 在微观领域所建立起来的 标准模型理论 是以夸克 轻子作为基本粒子 以弱作用和电 磁作用统一理论及描述夸克之间的强相互作用的量子色动力学为框架的一种规范场理论 这个模型已取得 了极大的成功 其中特别是由温伯格和萨拉姆所建立的弱电统一理论 被认为是2 0 世纪物理学最完美的理 论 从这个模型看来 宇宙同及自然界的万事万物都是由六种夸克 u 夸克 d 夸克 s 夸克 c 夸克 b 夸克和 t 夸克 和六种轻子 电子 子 r 子及电子中微子 子中微子和r 子中微子 通过四种相互作用 电磁作用 弱作用 强作用和引力作用 铸成 而在字观领域的 标准模型理论 则是2 0 世纪4 0 年代由伽奠夫在哈勃定 律的基础上 运用物理学理论建立起来的 大爆炸宇宙论 这个理论后经G u l h 等人补充完善 并得到宇宙 微波背景辐射发现和宇宙氦丰度测量的证实 它也被认为是目前描述宇宙起源和演化的最好的宇宙学理论 2 0 世纪的物理学在微观 宏观和宇观领域大步迈进的同时 其成果运用到各个技术领域 大大促进了激 光技术 微电子技术 空间技术 核技术 生物技术 材料技术和信息技术的发展 从而促进了人类社会物质文 明飞跃性的进步 所以 我们可以恰如其分地说 2 0 世纪是一个物理学的世纪 收稿日期 0 0 0 3 0 4 3 0 作者简介 陶才德 1 9 4 I 用 教授 j 哽上生导师 主要从事理论物理 天体物理厦早期宇宙等学科的教学和科研工作 主研和骞研国家 和省级科研及教改研究项目五项 先后在国内外著名学术刊物上发表论文三十余篇 其中被s c I 收录三篇 并在量子宇宙及宇宙波西数的 二次量于化等方面做了一系列有刨见性的工作 1 9 9 1 年起被 中国物理快报 英文版 聘为特约审稿人 1 9 9 2 年当进为中目引力与相对 论天体物理学会理事 1 9 9 4 年起任四川省物理学会理事 2 0 0 3 年被聘为绵阳师范学院院客座教授 一2 一 万方数据 瀵鬻麟 戆露黪蘩黪鹈雾黪嚣鬟鹱鬻 囊瘩蓐黪缓 爨黪臻劳瓣 嬲鞘獭黝鳓灞赠嬲 2 物理学面临的难题 回顾大约一百年前世纪之交物理学的处境 那时 经典物理学 包括牛顿力学 经典热力学与统计物理 学以及麦克斯韦电磁理论 大厦已经建成 并经受了科学实验和生产实践的验证 但是 在物理学晴朗天空 的远处 还漂浮着几朵小小的乌云 迈克尔逊一莫雷实验和黑体辐射实验就是其中的两朵 这些实验无法 在经典物理学的框架内获得解释 作为2 0 世纪物理学基础的狭义相对沦和量子力学 正是在克服经典物理 学所遇到的这些困难的过程中诞生的 因此 科学难题的提出和解决必将极大地推动科学的进步 并给人类 带来巨大的益处 今天 我们刚跨入2 l 世纪 2 0 世纪风光辉煌的物理学给我们留下一些什么科学难题呢 揭示这些难题 的本质并寻找解决它们的途径将是新世纪物理学家面临的艰巨任务 这很可能会导致物理学中的新的动力 学规律的出现 并深刻地影响2 l 世纪科学技术的发展 首先 在微观物理学领域的一个难题是 对称性破缺的本质是什么 对称性破缺是自然界的一个基本规 律 1 9 6 7 年温伯格和萨拉姆提出弱电统一理论 预言了传递弱相互作用的中闻玻色子的质量 这一预言在 1 9 8 3 年得到了实验的证实 其相一致的程度是惊人的 这一预言的基础就是对称性破缺 破缺的机制叫希 格斯机制 或称为真空对称性自发破缺机制 然而弱电统一理论在精确预言了中间玻色子质量的同时 也预 言了一种中性标量粒子 叫作希格斯粒子的存在 但理论上无法预言它的质量 自弱电统一模型提出以后 二十多年来 人们一直在实验上寻找它 从几个M e v 到几十个G e v 都没有发现它 希格斯粒子在哪里 如果 希格斯粒子不存在 那么对称性破缺的机制又是什么 与此同时 在标准模型中 夸克和轻子的质量也是通 过引入希格斯机制破缺对称性给出的 然而轻子和夸克的质量谱从m 的几个M e v 到帆的1 7 5 G e v 相差了 1 1 个数量级 即使同一层次的夸克 也丛n 一4 M e v 到1 1 1 t 一1 8 0 G e v 相差了4 5 个数量级 希格斯机制能产 生这样广阔的质量谱吗 也许这正反映出夸克和轻子不一定是最基本的 可能还有更深层次的物质结构 粒子物理中的 标准模型理论 是建立在夸克模翻的基础上的 夸克模型认为所有强子都是夸克构成 其 中重子是三个夸克的束缚态 q q q 而介子则是夸克 反夸克的束缚态 q q 在强子内部束缚夸克的力就 是强作用力 解释强子物质结构和描述强相互作用的理论是量子色动力学 自从上个世纪6 0 年代盖尔曼提 出夸克模型后 物理学家们一直为实验上找不到自由夸克而困惑 在量子色动力学的框架里 也只能定性地 给出夸克囚禁在强子内部的结构图像 渐近自由 和 远程奴役 要定量解释夸克囚禁疑难和描述强子结 构图像仍是微观物理学 高能物理 面临的又一重大难题 几十年来 人们对于这一难题的解决已经作过不 少尝试 一个普遍的看法是认为 夸克囚禁是由量子色动力学的物理真空性质决定的 也许进一步揭示真空 的本质将会在理论上导致夸克囚禁疑难的解决 当然 在实验上建造新的超高能量和更高精度的粒子对撞 机和探测器 也会促进微观物理学在探索物质微观结构所面临的这两大难题的解决 在宇观物理学方面 大爆炸宇宙模型告诉我们 现在我们的宇宙正在膨胀着 然而 决定我们宇宙将来 演化前景 是永远膨胀下去 还是膨胀到一定时候会重新收缩 和宇宙空间的性质 是无边无限开放的 还是 无边无限封闭的 的是现在宇宙物质密度m 的大小 数十年来 科学家们在测量宇宙物质密度方面做了大 量工作 观测表明 在我们宇宙中大多数物质是不发光的和透明的 我们把它叫做暗物质 在宇宙的物质总 量中 发光物质 恒星和星系物质 的质量占到不足1 0 而暗物质却占到9 0 以上 对宇宙的进一步观测 表明 这些暗物质不是星际或星际系间稀薄的中性气体 带电离子或尘埃 也不是大量的死星 白矮星 中子 星和黑洞 或暗星 行星和小行星 总之 暗物质不是由重子 质子和中子 所构成的常规物质 暗物质是 什么 也是当今物理学面临的难题 目前研究的进展表明 暗物质的候选者可能是有很小静质量的中微子 或者是一些只参与弱作用的大质量粒子 w I M P s 然而 由于中微子和 w I M P s 都只参与弱作用 实验上很 难探测到它们 故很难确定它们的质量和数密度 现在的问题还不只是暗物质的问题 因为不管是暗物质 还是可视物质 也不管它们所提供的宇宙物质密度是大还是小 它们的引力都只会对宇宙膨胀起到减速作 用 然而最新的观测表明 我们宇宙却在加速膨胀 如果这个结果被肯定 那一定会对字宙学 粒子物理学 乃至整个物理学都带来一次真正的革命 因为这意味着宇宙中还有 暗能量 存在 暗能量 是一种真空能 一3 一 万方数据 量 它可以对应于爱因斯坦在他的宇宙论中引入的宇宙学常数 看来 对真空物理性质的探索和研究 不仅 会促进微观物理学难题的解决 而且由于真空能量会主宰我们宇宙的结构和演化 因而真空的研究也许亦有 助于我们对宇宙难题的解决 2 0 世纪留给宇宙物理学的另一个难题是 类星体的本质和机制是什么 类星体是上个世纪6 0 年代 天文学上发现的一种奇异天体 它离我们非常遥远 比一般星系小得多 致密得多 直径只有几光年 甚至几 光天 光度却非常大 为普通恒星的l O t O 倍 为银河系光度的5 0 5 0 0 0 倍 红移也很大 类星体的产 能机制不可能用一般核聚变反应来解释 维持类星体辐射所必须的能量远远超出恒星在允许总质量下核反 应所释放的能量 目前的研究表明 类星体可能是一种活动星系核 在其中心区域存在有一个巨大的能源 区 例如 一种解释是这些星系中心存在着巨大的黑洞 约太阳质量的1 0 6 1 0 9 倍 黑洞的强大引力会不断 吸引和捕获其周围物质 星际气体和尘埃 邻近恒星表面物质 或被黑洞潮汐力完全撕裂的恒星碎片 这些 物质在向大黑洞坠落的途中会不断释放出引力势能 释能效率高达1 0 即有l O 的质量转化为能量 这 比一般恒星中核聚变反应的释能效率O 7 大得多 类星体之谜也需要靠物理理论的发展和对天体的观测 太空望远镜和探测器 来共同揭示 此外 在传统的物理学领域 也存在着一些基本性的难题 例如时间方 向性问题 众所周知 物理学中绝大部分基础理论 如牛顿力学 麦克斯韦电动力学 量子力学及广义相对论 等均具有时间反演不变性 也就是说在它们所描述的物理过程中 时间是没有方向性的 只有热力学第二定 律 熵增原理除外 然而在客观物质世界中 宇宙的演化 生命现象 心理 经验 过程等时间的方向性却 非常明显 如何由作为自然界微观基础的投有时间箭头的理论过渡到处处都有时间箭头的宏观自然现象 这 是物理学又一难题 最后 传统物理学在复杂系统中也遇到了困难 例如 牛顿力学只能精确求解单体和二体问题 连只有 三个质点的系统都是一个根本不可积的系统 何况一个简单的气体系统有成万上亿个分子 一个复杂系统 如N 个气体分子的系统 其气体的状态与每个分子的初始条件和运动经历有关 是极不稳定的 因而具有 不可预测的无数个可能性 这样的系统叫作 混沌式系统 在存在动力学混沌的情况下 系统状态随时间演 化对初始条件极为敏感 然而从数学上讲 初始数据不可能绝对精确 必须作近似处理 因而每个分子的初 始位置和动量的知识总有细小的不确定性 何况要以无穷高的精确度给出这成万上亿个分子的初始条件 这样的工作即使原则上能做 也不是任何人脑或任何容量有限的计算机所能做到的 可见牛顿运动方程所 描述的经典系统是不稳定的 这也是牛顿式机械决定论及传统物理学因果关系的困难 物理学一个新的发 展方向是对复杂性系统建立起一种新的理论叫作复杂性科学或非线性物理学 这个新理论和传统理论二者 不是矛盾的 而是共存和互补的关系 即复杂 混沌 系统与简单 理想化 系统并存 机遇 概率 与必然 决定 论 同在 线性 不可逆 时间与循环 可逆 时间相容 简并论 还原论 与层创论 互补 一旦这样的新理论 建成 我们就可将物理学理论进一步应用到与生命现象 人类社会乃至经济领域中 产生更大的社会效益和 经济效益 3 新世纪物理学的机遇和发展方向 以上物理学难题的提出和解决必将大大推动物理学理论的发展 甚至导致新的革命性理论的发现和建 立 然而2 1 世纪物理学面临的机遇和发展前景远不局限在自身领域 2 0 世纪物理学的进步与突破丰富了 整个科学 开辟了科学技术的新时代 物理学几乎已经渗透到人类社会的各个方面 特别是它把我们引人了 信息时代 刺激了技术和经济发展 物理学已经进入机遇迅速膨胀韵新时代 2 0 0 1 年6 月 美国国家科学 院出版社出版了P S O c 美国国家研究委员会的物理学审查评议委员会 的 新时代的物理学 纵览 的报告 纵览 评估了物理学的整体状态 认为物理学取得的成就 物理学仪器不断增加的能力以及它对其它学科的 渗透产生了前所未有的机遇 他们确定了六个高优先级的研究领域 覆盖了物理学及相关的交叉学科和工 程 它们是 发展中子技术 创造新材料 了解复杂体系 统一自然界的各种相互作用力 揭示宇宙 把物理学 用到生物学 每个领域在不久的将来所能看得到的前景 既取决于理论的进步 更取决于高精度和更高能量 的仪器以及强有力计算能力的出现 一正 万方数据 灞麟戮瀚鹱鬻鬻籀蘩黪嚣鬻霪缓鬻鬻夔缓囊缓夔黪骥骥绻嚣绻鬻缀爨麟躲耱绻糍蕤鬓蘸鞴韵獭镶濑 酾燃 由扫描隧道显微镜和扫描探针技术带来的操作单个愿子和分子的能力将导致一种新的量子技术 这种 技术可用于发展新材料到分析人类基因的广泛领域 这方面的研究将会建立起 种全部在量子水平上的建 造和操作的新一代技术 超凡灵敏的测量本领 量子计算 量子密码以及可控量子化学也都可能出现 新材料将被发展 了解和广泛运用到科学技术中 其中包括由越来越多元素组成的复合材料的合成 处 理和了解 仿自聚生物过程的材料合成新技术的发展 从原子尺度至宏观范围内影响物理性质的非平衡过程 的各种控制 例如 湍流 破裂和黏附 理论进步和大型计算机的模拟技术将使诸如星体爆炸死亡 地球磁场反转以及复杂物质的性质可以模 拟复现 并使其获得更深入的了解 其它可以去模拟和预言的复杂和非线性现象有 强核力湍流以及在流体 和等离子体中的非线性现象 宇宙大尺度结构的起源 以及各种在凝聚态 核的 原子的和生物系统中的量子 多体问题 理论和实践的结合还可以对物质基本结构提供新的了解 新一代高能对撞机将揭示当今还不清楚的微 观物理之谜 如粒子质最的起源和各种各样粒子的性质 新物理学的目标之一就是要发现一种可以描述自 然界所有基本作用力 强核力 电弱力和引力的统一理论 标准模型已经成功地将强力和电弱力统一起 来 但迄今引力尚未结合到统一的框架中 最有希望和激动人心的能把引力和其他力统一到一起的一种概 念性架构提出了这样的建议 在极小的距离下 基本粒子的行为不像一个点 而是像弦和膜那样的高维表面 工作在这个架构下的理论家在物理学和纯数学之间创造了新的和震撼人心的交叉点 用来揭示恒星 星系 暗物质和大爆炸的新的探测仪器 将以前所未有的翔实 使我们对宇宙的起源和演 化的了解产生革命性的变化 现在 宇宙本身就是一个基本物理研究的实验室 暗物质和暗能量的成份 类 星体之谜 引力波的探测 黑洞预言的检验 化学元素的起源 极高能宇宙加速器的本质等许多宇宙学难题将 取得更深人的了解 寻求对宇宙的了解产生了物理学和天文学之间丰富的 新的相互推动 在物理学和生物学之间也存在丰富的新的互动 所有的基本生物力学最终依赖于分子之间的物理相互 作用 所以物理学是对许多生物学深入观察的理论工具 现时的阃蕊包括成为神经 循环和呼吸系统基础的 细胞电活性的生物物理学 负责生物运动的运动肌的生物力学 D N A 和对细胞分裂及细胞加工十分重要的 酶的力学和电学性质等 在不久的将来 由分子链折叠使蛋白质产生特殊生物性质的方式这类生物学中晟 重要问题有望通过基本物理规律的分析来理解 复杂系统物理学的进展对于所以这些领域的进步是极端重 要的 理论物理方法同样也是重要的 并正在运用于生物信息学 生物化学 遗传网络以及大脑计算的研究 科学技术前进的步伐越来越快 要发展物理学单靠自身的力量已显得有些力不从心 因此 需要各门学 科互相交叉结合 综合发展 2 I 世纪的物理学家不仅要潜心研究物理理论 还要更新思想 适应多种学科融 合 科学技术相互交叉的趋势 此文系陶才德教授2 0 0 3 年4 月4 日在绵阳师院学术厅作学术报告的讲稿 0 p p o l l 姗i t i 髂釉dC h a U e n g e s 助y s i c sF a c e dj n 也eN e wC 蛐t u r y T h oC a i d e D 印8 r t m e n t0 fP h y s i c sa n dE l e c t 啪i cl n f o 咖a t m c h i n aw e s fN o H n a lu n i v e r s 时 N a l l c h o n