漫談物理學

2005年中國發生了一件了不起的大事，那就是神舟六號飛船的升空。“神六”的成功不僅是中國的驕傲，而且是全世界華人的驕傲。同時，“神六”的成功也再一次證明了基礎研究的重要性。如果沒有上一世紀科學發展的積累，沒有狹義相對論，沒有量子力學，要成就今天類似“神六”等一大批科技成果，是難以想像的。

我們先來回顧一下20世紀的科學革命、科技發明是從哪里來的。

一百多年前，科學最大的謎是太陽能的來源。20世紀中葉前人類所用的能量都源于太陽。可是太陽能是如何產生的？這是一個大謎。太陽能是經過光傳播到地球，太陽能發熱，所以研究光和熱的性能是當初物理學界的兩大重點。

1887年，美國的兩位科學家邁克耳遜（Michelson）和莫雷（Morley）測量光的速度，看看順地球自轉的方向走的光有多快，逆著地球自轉的方向走的光又有多快。簡單地想，當然順著地球自轉的方向的光走得快一點，因為還要加上地球自轉的速度。逆著地球自轉的方向的光的速度就慢一些。

可是，他們的實驗結果表明兩者完全一樣。無論朝哪個方向走，光的速度都是一樣的。

20世紀初的另一個重要工作是，1900年德國理論物理學家普朗克（Planck）提出的普朗克方程。

普朗克方程講的是什么呢？

我們知道，不論什么物體，當它具有溫度的時候都會發光。一個物體所具有的溫度不同，發出的光的顏色就不同。也就是說，一定的溫度發出的光就有一定的輻射能量。熱和輻射的變化之間具有怎樣的函數關系呢？這是經典物理學不能解決的。

普朗克提出的方程式與實驗數據精確地吻合，很好地解決了這個問題。可是，他的公式和經典物理學的基本觀念是矛盾的：因為如果這個公式成立，那么必須假定能量在發射和吸收時，不是連續不斷的，而是分成一份一份的。這個最小的基本單位，普朗克稱之為“量子”。

很多人當時并不覺得這些會與我們的生活有什么關系。一般人很難想像，整個20世紀的人類生活就因為邁克耳遜-莫雷的實驗和普朗克方程式而完全改變。

正是邁克耳遜-莫雷的重要實驗，導致1905年愛因斯坦提出狹義相對論。

因為有了普朗克方程的量子假設，1925年，海森伯（Heisenberg）、薛定諤（Shrodinger）、狄拉克（Dirac）、費米（Fermi）等創建了量子力學和量子統計學。

1930年，物理學家通過相對論和量子力學，認識到太陽能是核能。

1942年，我的老師費米教授帶領的科學團隊第一次獲得了人類可以控制的核能。此前人類所有的能源都是直接或間接地來源于太陽能，而這次是人類第一次不通過太陽取得能源。我相信這種核反應堆對人類的影響足以與火對人類的影響相媲美。

從狹義相對論和量子力學這些基礎理論，產生了原子結構、分子物理、核能、激光、半導體、超導體、超計算機等理論及其應用。幾乎20世紀絕大部分的科技文明都是從狹義相對論、量子力學來的，都是從研究光和熱的基本規律產生的。

為什么這些看起來似乎與我們生活無關的東西會對我們生活發生這樣大的影響？

我們整個自然界林林總總很復雜的現象實際上是由一些很基本的原理操縱的，我們的工作就是要找到控制這些原理的總機關。總機關找到了，其他問題就迎刃而解了。

20世紀物理學的發展基本上循著一條簡化、歸納的道路。找到最基本的粒子，就會了解大物質體的構造。從19世紀末湯姆孫發現電子、盧瑟福發現核子，一直到現在人類有了精密的實驗設備和精密的理論———相對論、量子力學，創造了整個20世紀的物理學。

物理學的這一套思路在20世紀中葉就影響了生物學。克里克是英國的物理學家，他就想到物理學的這一套方法可以用于研究生物，后來就發現DNA，接下來又發展到基因研究——也是按照簡化的規律走的。

如果沒有上述20世紀的基礎研究成果，也就沒有這些科技成就，那么，今天我們的生活也不可能有這些翻天覆地的變化。我曾經說過，基礎研究、應用研究和市場開發的關系就像水、魚和魚市場的關系。沒有水，就沒有魚，也就沒有魚市場。同樣的，沒有今日的基礎研究，就沒有明日的應用研究，也就沒有將來的應用開發。這個規律是不會變的。

同樣我們也深信，21世紀的物理學也會使現在已經開始的21世紀產生重要的新科技。將來21世紀的新發展也可能是20世紀的人類想像不出來的。

今天，當人們追問21世紀初科學發展面臨的最大的謎時，我們遇到了與20世紀初完全相似的情況。

通過天文觀察，科學家已經知道，我們已知的物質的能量僅占整個宇宙總能量的極小部分，約5%。約25%是暗物質的能量，約70%是暗能量。

可什么是暗物質，什么是暗能量，至今沒有搞清楚，我們既看不見，也不知道它們是什么東西。已知物質是由電子、質子、中子……和極少量的正電子、反質子……構成的。從引力場，我們知道暗物質的存在，但暗物質不是由我們知道的這類物質構成的，已知物質的能量約為暗物質能量的1/5。暗能量更是奇怪，它是一種負的壓力。在裂變和聚變反應中，反應前后物質的質量有少量的差異。按照愛因斯坦的著名質能公式E=mc²，這些少量的質量差異能夠轉化為巨大的能量。但暗能量卻可以使物質質量全部消失，完全轉化為能量！愛因斯坦在20世紀早期就曾假設過負壓力（暗能量）的存在。他在一篇物理學文章中提出了這個觀點的相關公式。后來，因為沒有實驗的支持，愛因斯坦就放棄了這一方向。最近幾年，通過哈勃太空望遠鏡，我們發現，我們的宇宙不僅是在膨脹而且是在“加速地”膨脹。從宇宙膨脹的加速度可以推算出，已知物質的能量約為暗能量的1/14。

我前不久寫了一篇《暗能量的可能來源》的文章，探討暗物質的存在，我的觀點是“天外有天”：因為暗能量，我們的宇宙之外可能有很多宇宙。我最近還寫了另一篇文章，試探和解釋最近美國高能核物理的新發現和暗能量的關系。我的觀念是“核天相連”：核能也許可以和宇宙中的暗能量相變相連。

了解暗物質和暗能量是21世紀科學界的大挑戰，我相信我們會勝利的。

但我畢竟已經年屆八十，更多的希望要寄托在年輕的科學家身上。讓我們列出上一世紀的杰出的物理學家在什么年代、什么年齡，做了些什么科學貢獻（見下表）。

代代出新人，科學在少年。暗物質和暗能量的存在向全世界年輕的科學家提出了新的挑戰。中國的年輕人，你們一定要勇于接受這個挑戰。

作者簡介：李政道博士，1926年生于上海，1946年赴美國芝加哥大學攻讀博士學位，師從費米教授。因發現宇稱不守恒現象而與楊振寧教授共獲1957年諾貝爾物理獎，至今一直活躍在物理學前沿。現為美國哥倫比亞大學教授，美國科學院院士，中國科學院外籍院士，意大利科學院院士。