摘選
除新星外，還有超新星（supernova）。超新星的亮度是太陽的1010倍。像太陽這樣的星，當它的氫核完全變成氦核時，就變成中子星，這個中子星直徑只有幾千米。所以像太陽這樣大的星一下子變成幾千米大，就要變成超新星了。關于超新星，全世界最早、最完整的記錄也在中國，是1056年宋朝時發(fā)現(xiàn)的。宋朝的天文記錄已經(jīng)很詳細，每天有記錄,記錄中說，當超新星剛出現(xiàn)的時候，大如雞蛋，然后它的亮度一天天慢慢變小。從記錄中可以推出現(xiàn)在的蟹狀星云是哪個時候哪顆超新星演變產(chǎn)生的。這顆超新星的壽命差不多是一年。
我想介紹一下中國古代對于天體構造的看法。中國很早就推測地是圓的，天也是圓的。這是詩人屈原推測的。屈原在他的《天問》里寫著：
九天之際，安放安屬？
隅隈多有，誰知其數(shù)？
東西南北，其修孰多？
南北順橢，其衍幾何？
屈原用解析推理的方法，也就是“細推”了地是圓的。當時沒有實驗的證明，是推理出來的。屈原充分運用了詩人的想象力和解析思考能力，那是公元前5世紀。得到了這樣重要的結論：天像蛋殼，地像蛋黃，兩者都可以轉(zhuǎn)，所以中國從古代開始，天體的運行軌道就有黃道、赤道兩個道。屈原接著推測，地的形狀可能偏離完美的球形，可能是橢球形。他問：“東西南北，其修孰多？南北順橢，其衍幾何？”屈原問，赤道圓周比通過南北兩極的圓周，哪個更長。南北順橢圓的長度到底多長。但是屈原并沒有回答這個問題，因為他那時不知道，我們現(xiàn)在才知道地球的赤道直徑和極直徑差得很小，可是那個時候他問這個問題是相當了不起的。
在中國的古書上有一個很重要的觀點，“以蒼璧禮天,以黃琮禮地”。中國古代有天壇、地壇，現(xiàn)在又多了世紀壇。在中國天地觀念很深，可是為什么是以蒼璧禮天，以黃琮禮地呢？這個問題在文獻上討論繁多，李約瑟書上也講，璧和琮與中國的古文化有很密切的關系。中國商代的璧是圓的，直徑20．4厘米，以這個禮天，直覺上也許有道理。琮的結構比較奇特，外邊是方的，中間是圓的、空的，其長度為48.9厘米。為什么琮代表地呢？下面談一下我個人的見解，為什么古人用璧和琮來代表天地。
璇璣基本是圓形的，比璧稍復雜一點，樣子與璧很像，大小也差不多，但周邊有凹槽，中間有圓孔。按照西漢的文獻《書堯典（疏）》記載：
璇美玉也。璣轉(zhuǎn)運，徑八尺，圓周二丈五尺強，
是王者正天文之器。漢世以來，謂之渾天儀。
璇璣是一種“徑八尺，圓周二丈五尺強”的圓盤，是“王者正天文之器”。自漢朝以來，很多人認為它是渾天儀的前身——璇璣玉衡中的一個部件。為什么它是天文儀器？我根據(jù)它的結構假設它的作用，璧和琮合成象征同一件古代天文儀器，璧本身是璇璣的簡化品。
我們祖先的初始文化跟其他地方的古文化不同，她產(chǎn)生于中原，而其他古文化都是在河流入海處產(chǎn)生的。埃及文化產(chǎn)生在尼羅河，美索不達米亞文化也產(chǎn)生在河流入海處，而中國是中原文化，她的發(fā)達和繁榮特別需要天文來確定四季。
假如拍攝夜空的話，就會發(fā)現(xiàn)一晚上每顆星都是沿圓弧運行的，但是作為一個整體,它們之間的相對位置是不變的。當然地球在轉(zhuǎn)，所以我們看天都在動，所有星的轉(zhuǎn)圈都是繞著一根不動的軸。我們的祖先也會發(fā)現(xiàn)天空的球面有一點是不動的，顯然這一點有它的重要性。設想當時的天文儀器可能就是要固定這個不動點的位置，這樣一個儀器顯然也要轉(zhuǎn)，此外還有一個必要條件是，把軸心固定，使之對著不動的這一點（稱為正極）。
如何固定直徑八尺的大圓盤呢？也許可以用琮，我考慮固定直徑八尺的璧，圓心一定要對準那個正極，最好是用一個大的盤子——璇璣。盤子邊上有三個凹槽，每個凹槽對著一顆比較亮的星。晚上天上星體是動的，使盤子隨著這三顆星轉(zhuǎn)，再用軸心把正極定出來。
假定就是這樣一個構造，那么必需要有三個凹槽，璇璣有好幾個凹槽，但其中有三個凹槽跟其他凹槽不同，每個都成正方形，而且相互間的位置近似一個正三角形的三個頂角位置。所以把這三個凹槽對著三顆比較亮的星，當晚上天上星在轉(zhuǎn)時，璇璣跟著轉(zhuǎn)。用很長的管子穿過璇璣中間的圓孔，管子中間是空的，它的軸心對準正極，用石基來固定長管。盤的凹槽對準三顆星，隨天而轉(zhuǎn)。長管子是竹頭做的，中間空，這樣就確定了正極的位置。這個竹做的長管子當然不太結實，要在其外面包以大石塊，才能跟地固定，“與地永恒”，所以就呈琮的樣子。天和地由此連起來了。
古代這樣的儀器有多大準確性呢？假定竹管長十五尺，竹管的微孔直徑為二毫米，大圓盤璇璣直徑為八尺，可估計出正極的角位能定準到0.012度。近代的實驗比這個還準確一點，但這樣一個古儀器的準確度也至少可到1％度左右。這個儀器，就解釋了璧代表天，琮代表地，也解釋了它們的形狀，后來就演變成現(xiàn)在的璧和琮。中國的古文化是很值得驕傲的，它跟天文有密切關系。
使用這個天文儀器需要有幾個條件，正極需要有一顆星，并且另外還要在三個最好的位置有成等角三角形的亮星。現(xiàn)在的星座，北極星在正極的位置，周圍也有三顆亮星，可是，這個正極本身有一個軌道，正極的軌道每25000年走一圈，在商朝時，北極星不在正極的位置，正極位置沒有星。
那么更早在什么時候正極恰好有顆星呢？公元前2700年，紫微星座剛好有一顆星，右樞在正極的位置，比現(xiàn)在北極星離正極更近一點。周圍剛好還有三顆星，對著凹槽，它們是紫微星座的少宰和上輔，北斗星座的搖光。所以說，假如這個假定是對的，那就是在公元前2700年。也就可以比較準確地定出中國文化的起始年代。
我常想一個問題：中華民族的文化為什么是連續(xù)的？這是有道理的。中國文化發(fā)源于中原，而且中華民族沒有一個系統(tǒng)性的宗教，沒有其他文化的宗教束縛?？赡苌鲜鲫P于“璧、琮”假設和其他推理是對的，中國的天文在公元前2700年已經(jīng)相當發(fā)達，對星的定位已準確到1％度，因而也可以確定耕種農(nóng)時。如果到故宮去參觀，可以看到很多銅器，其中大的鼎、尊等都跟吃喝有關。中國的文化一直延續(xù)至今是因為她以科技為基礎，以民生為目的，所以比較容易延續(xù)。今天來慶祝中國科學院成立50周年，是要在我們老祖宗給我們打好的基礎上，使中國文化更加發(fā)揚光大。
20世紀物理學的成就
下面我想講一下20世紀物理學的成就。1897年，湯姆孫發(fā)現(xiàn)了電子。這個發(fā)現(xiàn)對于物理學的影響非常之大，從那時起，我們遵循了這樣一條原則，就是大的由小的組成，小的由更小的組成，所以我們的目的是找出所有物質(zhì)的最基本的粒子。我們相信，只要把基本粒子找出來，就可以了解其他大的物質(zhì)。由于量子力學的不確定性原理，研究愈來愈小的東西，一定需要愈來愈高的能量，這就是要造愈來愈大的加速器的道理?，F(xiàn)在已成功地歸納出所有物質(zhì)是由6種輕子和6種夸克組成的。丁肇中先生1974年發(fā)現(xiàn)了一種夸克，即粲夸克，緊接著就發(fā)現(xiàn)了τ輕子。北京正負電子對撞機也為τ輕子質(zhì)量的測量做了很重要的貢獻。
此外，19世紀末20世紀初期有兩項重要的進展，邁克耳孫－莫雷實驗和普朗克建立的方程式。邁克耳遜和莫雷的實驗是1887年在美國做的，他們測量順地球轉(zhuǎn)動方向的光速和背著地球轉(zhuǎn)動方向的光速。簡單的想法是，順地球轉(zhuǎn)動方向光要走的快一點，反之就要慢一點。但實驗結果是兩個方向的光速相同。
普朗克方程式是針對熱的物體如何發(fā)光的問題的，物體的溫度不同有不同的光譜，不同波長的光有不同的能量的分配，普朗克推測了這個能量分配，提出了量子概念，得到的普朗克方程式與實驗符合，而經(jīng)典的物理學是不能求得這個方程式的。
上述兩項似乎跟日常生活沒有太大關系的發(fā)現(xiàn)，卻在20世紀產(chǎn)生了很大的影響。
邁克耳孫和莫雷實驗引出了愛因斯坦的狹義相對論，普朗克方程式引出了量子力學。因而到1925年，近代物理的理論基礎被人們了解了。隨后，原子結構、分子物理、核能、半導體、超導體、計算機、雷達、激光等等都產(chǎn)生了。沒有量子力學，沒有狹義相對論，就沒有這些20世紀的科學文明?？雌饋砀覀?nèi)粘Ｉ畈惶嘘P的這兩個基本的發(fā)現(xiàn)，引起了大批我們現(xiàn)在可以享受的應用。其中基礎與應用的關系是在短短的二三十年發(fā)展起來的。同樣可以說，20世紀末到21世紀也會有類似的發(fā)展。
我在電視臺接受采訪時，被問及許多人才培養(yǎng)方面的問題，什么樣的人才才能有所發(fā)明、有所發(fā)現(xiàn)等等。這個過程是怎樣的？這個過程當然很復雜，我從科學家做出重大發(fā)明、發(fā)現(xiàn)時的年齡來說明一下。
1905年愛因斯坦提出狹義相對論時才25歲；1912年玻爾提出量子論時27歲；1925年薛定諤、海森伯和泡利建立量子力學時分別是37歲、24歲、25歲；1927年狄拉克25歲完成了相對論性量子力學；1935年湯川秀樹提出介子理論,28歲建立了核力基礎理論。
我在這里要著重提一下，創(chuàng)建量子力學時，很多從事這方面工作的科學家都訪問過玻爾的研究所，那時玻爾年紀也不大，40歲不到，愛因斯坦年紀也不大，按照中國現(xiàn)在的說法是中年和中青年?？墒墙⒘孔恿W的不是玻爾、愛因斯坦，而是一批更年輕的科學家。到第二次世界大戰(zhàn)以后，又是一批年輕的科學家，36歲的朝永振一郎、28歲的施溫格、29歲的費恩曼完成了量子電動力學的理論基礎。
到1950年代，新的基本粒子被發(fā)現(xiàn)了，這些新問題的解答，是由另一代年輕的科學家作出的。蓋爾曼提出奇異量子數(shù)時才24歲。楊振寧和我，分別是33歲、29歲發(fā)現(xiàn)宇稱不守恒。吳健雄44歲實驗證明了宇稱不守恒。1960年代，29歲的格拉肖和34歲的溫伯格統(tǒng)一了電磁作用與弱作用。1999年得諾貝爾獎的霍夫特（G.'t Hooft）和費爾特曼（M.J.G.Veltman），也都是更年輕的一代。物理學這些重要成就的創(chuàng)造在于青年。
關于生物學，DNA的分子結構是由39歲的克里克和27歲的沃森發(fā)現(xiàn)的。我相信科學的成就屬于青年，這個規(guī)律不會變。
人才的成功有四個必要條件：要培養(yǎng)年輕人；要選準方向；要創(chuàng)造環(huán)境使得能夠?qū)Ｐ淖鲅芯浚煌瑫r要抓住時間和機遇。怎樣才能認識方向，創(chuàng)造環(huán)境，緊抓時間和機遇，需要上一代的科學家、政策和領導的支持。我想中國在這方面國家政策是正確的，上一代科學家也是很關心的，所以將來的成績會很大，21世紀，我們可以看到中國科學的發(fā)展。
21世紀物理學前景
——當代科學的重大問題
大的發(fā)展一定是從大問題上引發(fā)出來的。我提出四個問題，當然重要的問題比這四個多得多。
第一個問題，宇宙有三種作用：強作用、電弱作用、引力場。這三種作用的基礎都是建立在對稱的理論上的。可是實驗不斷發(fā)現(xiàn)對稱不守恒，為什么我們的理論，尤其是在1950年代發(fā)現(xiàn)宇稱不守恒以后似乎應越來越不對稱，但實際不然，理論越來越對稱，而實驗越來越多地發(fā)現(xiàn)不對稱，使人覺得理論不行。
第二個問題，現(xiàn)在所知道的基本粒子有6種輕子、6種夸克，但是夸克不能單獨存在，是看不見的，這很奇怪。
天體物理學也有兩大問題。第一個問題，整個宇宙至少90％以上（很可能99％以上）是暗物質(zhì)，而不是已知的物質(zhì)。第二個問題是關于類星體，類星體的能量是太陽的1015倍，超新星的能量是太陽的1010倍?？墒浅滦莾H有約一年的壽命。而類星體一直還在發(fā)光，它如此巨大的能量來自何處，我們不知道。
我先講一下“對稱”與“不對稱”。為什么我們相信對稱，而我們生活的世界充滿了不對稱，這個矛盾怎樣理解？有一個理解方法，就是最多的非對稱的可能性是與完全的對稱一樣的，就是完全的對稱會產(chǎn)生最多的非對稱。這個提法，看來好像矛盾，但它不但不矛盾，很可能宇宙就是如此。
舉個簡單的棍子彎曲的例子。對棍子施以壓力，當壓力小時，棍子就被壓縮，壓力增大，超過一個極限，就彎曲，該極限由歐拉方程式?jīng)Q定，早在300多年前歐拉就給出了解。
可以用這個例子來解釋對稱和非對稱的關系。假如棍子截面是圓的，圓截面是最完全的對稱，而棍子可以向各個方向彎曲，可能彎曲的方向無窮多，每一個彎曲都是不對稱的。圓表示最對稱，可是截面是圓的棍子彎曲時，它有無窮多的非對稱的彎曲可能性。假如棍子的截面是長方形，它只有兩個方向可以彎曲，如果是半月形截面，那只有一個方向可以彎曲。所以非對稱的可能性與本質(zhì)的對稱有密切關系，本質(zhì)越對稱，非對稱的可能現(xiàn)象就越多，由此對稱和非對稱可以聯(lián)系起來。
再進一步討論，假如棍子彎曲了，已經(jīng)是非對稱了，不切開棍子的截面，怎樣可以知道它的截面是否為圓。如果棍子的截面是圓的，它可以向任意方向彎曲，朝任意方向彎曲的能量相同，推一下棍子，它可以轉(zhuǎn)變到另外的方向，這不需要能量，是可以測量的。第一，對稱的圓棍子能產(chǎn)生最多的不對稱彎曲的可能性，而且，不同的不對稱的彎曲方向可以通過轉(zhuǎn)動連接起來。所以，在不對稱的位置，測量有沒有不需要能量就可以激發(fā)這些的態(tài)，假如有，就可以知道截面的形狀。顯然不同的不對稱態(tài)是同一個能量級的，可以把這些能級歸到一個新的能帶，叫作戈德斯通玻色子。所以，在不對稱的形態(tài)下可以推出本來是否對稱。
上述例子對于粒子物理有什么意義呢？粒子物理不是棍子，什么態(tài)類似于棍子，是真空。真空的物理定義也許應該是對稱的，可是物理的世界是不對稱的，物理的真空很可能也是不對稱的。這也就解釋了當前的幾個重大問題。即為什么理論是對稱的，而實驗不對稱。
基本粒子并不代表所有的宇宙，基本粒子是在物理的真空界之內(nèi)的，物理的真空很可能不對稱，可以激發(fā)。真空是一個沒有物質(zhì)的態(tài)，可是，因為作用可以通過真空，所以真空的能量可以有漲落，真空由此很復雜，像超導體，可以有相變。也許可以破壞CP（正負粒子的對稱與左右的對稱）守恒與時間對過去和未來的對稱性。
激發(fā)真空是目前物理學研究的重要內(nèi)容，美國布魯克黑文國家實驗室剛剛完成的相對論性重離子對撞機（RHIC）就是用來激發(fā)真空的，這臺加速器投資10億美元，它能夠把金的每一個核子能量提高到1011電子伏，整個金核的能量達到20萬億電子伏。它的目的是讓兩個高能量金核對撞。由于能量很高，金核可以互相穿透再分離，但是將相互穿透的空間的真空改變了，這個改變可以延續(xù)一個短時間，由此可以研究真空在這短時期中是怎樣改變的。預測在這個真空中可以有自由夸克，而且它們可以凝聚，這是很熱門的問題。RHIC剛剛建成，2000年開始做實驗，探測器已經(jīng)完成，要研究真空怎么改變。假如我們能夠改造真空，很可能也會了解一些宇宙開始時的情形，這就聯(lián)系到21世紀物理學的前景。
要了解21世紀的物理學前景，就要面向現(xiàn)有的幾個重大問題，其中之一就是為什么夸克不能單獨存在。主因是真空跟超導體相似，現(xiàn)有的真空把夸克禁閉起來了。2000年可以開始進行改造真空的實驗。
另外一個是暗物質(zhì)問題，暗物質(zhì)的存在有什么根據(jù)呢？看一個直徑約為20千秒差距的星系。在星云周邊，隨便哪個星，哪個灰塵，或者氣體云，都各以某一速度運動，離心力是速度的平方除以那一物體離中心的距離R，這個離心力應跟引力相平衡。引力是牛頓常數(shù)跟星云質(zhì)量相乘，除以R的平方。所以測量這個速度，如果已知它離星云中心的距離R，就可以算出在這個星云里有多少物質(zhì)存在。
以星系NGC3192為例，該星系發(fā)光的區(qū)域長約15千秒差距，但到距離中心30千秒差距處，星的速度還在增加，這表示除了看得見的物質(zhì)外還有絕大多數(shù)看不見的物質(zhì)?？吹靡姷奈镔|(zhì)包括用電磁波、紅外光可以測量?？床灰姷陌滴镔|(zhì)不發(fā)可見光、紅外光或電磁波，但有萬有引力。由于暗物質(zhì)的存在，遠離星系中心的物質(zhì)的速度不隨距離的增大而減小。這種現(xiàn)象并非個別，對967個星系測量的結果都如此，沒有一個例外，即所有的星系中極大多數(shù)的物質(zhì)都是暗物質(zhì)，暗物質(zhì)有引力，與看得見的物質(zhì)一樣，但其他性質(zhì)完全不同，不是我們熟悉的物質(zhì)，我們熟悉的物質(zhì)在宇宙中是少數(shù)。
再看類星體，它的能量是太陽能的1015倍。我們不知道這是什么能量。最早在1961年發(fā)現(xiàn)類星體3C273（3C是英國劍橋第三卷射電源表，273是它的順序號），1982年2月，它一天之中能量增加一倍?，F(xiàn)在已知像這樣的類星體大概有100萬個。
暗物質(zhì)是什么我們不了解，類星體的能源我們不知道，所以這個宇宙充滿了人類還沒有了解的東西，要年輕一代去深入研究。
總結20世紀的物理學發(fā)展，可以簡單地說，它著重簡化、歸納。另外，我們相信找到最基本的粒子，就會了解大物質(zhì)的構造。這個方向使我們獲得了很大的成功?？墒?，到20世紀中葉，我們發(fā)現(xiàn)，不是光知道基本粒子就能完全了解整個宇宙大問題的，對稱與不稱的矛盾、看不見的夸克、暗物質(zhì)、類星體都在基本粒子之外。我猜21世紀的方向要整體統(tǒng)一，微觀的基本粒子要跟宏觀的真空構造、大型的量子態(tài)結合起來，這些很可能是21世紀的研究目標。
物理學所處理的對象比生物學的要單純一點，所以我們?nèi)菀准心繕?。物理學的研究有一套手法，即極強的計算精密度、理論預測和實驗觀測。它們都應滿足高度的精密要求，就是杜甫說的“細推”。物理學的應用常引發(fā)科學廣泛的發(fā)展，像計算機因特網(wǎng)上常用的萬維網(wǎng)（WWW）和超大型文本（HTML），就是由研究高能物理的西歐核子中心的研究人員為了交換實驗數(shù)據(jù)而發(fā)明的，現(xiàn)在已經(jīng)應用于日常生活。物理學也影響生物學，1950年代克里克和沃森研究DNA的分子結構，后來基因研究大發(fā)展，也是沿著20世紀物理學的簡化、歸納方向展開的。物理學跟生物學以及其他學科有極密切的關系，20世紀物理學和生物學相輔相成，我相信21世紀也一樣，生物學不單基因研究很重要，也要了解什么是生命，這是整體。
物理學與生物學的合作又可以更進一步地發(fā)展21世紀的科學文明，也將產(chǎn)生21世紀新的應用。當然20世紀很難猜測21世紀將會怎樣，就像在19世紀很難猜測20世紀是怎么樣的。不過20世紀的科學文明是與19世紀的重要問題密切相關的，同樣，21世紀的科學文明也跟現(xiàn)在知道的一些重大問題會有密切關系。
最后我以此祝愿中國科學院的將來也具有這樣的大爆炸——科學的將來！
[ Last edited by lizhongzheng on 2005-12-21 at 14:09 ]
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