原载:http://forums.chinatimes.com.tw/tech/techforum/030105a1.htm

本世紀物理的挑戰

李政道

§ 前言 §

 假如我們能解決,很可能會把21世紀科學的發展整個改變……。如何能成功地整體統一?這個問題是基本的、重要的、是挑戰性的。把微觀的基本粒子和宏觀的真空態一塊研究。世紀的物理發展,我相信是向「整體統一」的方向發展.......


PART1.〈從上世紀兩大物理之謎說起〉科學界英雄出少年

 19世紀末、20世紀初,物理學有兩個大的謎 。一個是在1887年,由美國兩位物理學家邁克 爾遜( Michelson)與莫雷(Morley)做的重 要實驗。他們的實驗是在測量光的速度,看看 順地球自轉的方向走的光有多快,逆著地球自 轉的方向走的光有多快。簡單地想,當然順著 地球自轉的方向走的光走得快些,因為還要加 上地球自轉的速度。可是,實驗結果表明兩者 完全一樣;當時覺得這個實驗的結果有點稀奇 ,但一般人可能會覺得跟我們的生活不會有什 麼重要關係。

 另一個謎是關於1900年德國物理學家普朗克 提出的普朗克方程。我們知道,不論什麼物體 ,具有溫度都會發光。一定的溫度,發出的光 的顏色有一定的分佈。怎樣分佈呢?普朗克大 膽的做了量子假設,做出了普朗克方程,說明 了物體在不同溫度時,發出的光的能量以何方 式分佈。可是,量子假設與當時大家熟悉的 牛頓力學(或稱經典力學)的原理是矛盾的。

 邁克爾遜和莫雷的實驗,普朗克的方程,也 許讀者覺得都很有意思,但一般人很難想像, 由於這兩者,人類的生活隨之發生了極大的改 變。1905年,愛因斯坦根據邁克爾遜─莫雷實 驗提出了狹義相對論。因為有了普朗克方程的 量子假設,1925年海森堡、薛定格、狄拉克、 費米等就提出了量子力學和量子統計學。

 從那時起,狹義相對論、量子力學和量子統 計學這些理論的應用,產生了原子結構、分子 物理、核能、雷射、半導體、超導體、超速電 腦等等理論和應用,幾乎20世紀大部分的科技 文明,都與相對論、量子力學和量子統計學的 發展密切關連。19世紀的人很難想像我們現有 的雷射、半導體、超導體等新科技,同樣地, 我們相信21世紀的物理學發展也將產生類似的 影響,帶來21世紀新的科學與技術,而未來將 產生的新技術也可能如百年前,我們目前是無 法完全預知和想像的。  今天我們生活中用到的科技工具、產品,都 是20世紀初的研究所打下的基礎而發展出來的 。這樣的研究叫基礎研究,它的發展是科學應 用,然後才是產品的市場開發,沒有今天的基 礎科學,就沒有明天的應用科學,也就沒有相 應的開發研究,這個規律永遠不會改變,要掌握住創新。

→可是創新是怎樣來的?
怎樣才能產生劃時代的基礎科學成果?不光 是創新,而是要劃時代的創新,要把劃時代的 基礎科學成果轉變到應用、開發。這整個過程 ,最主要是人才的培育。

 談到人才培育首先讓我們列出上一世紀的傑出物理學家在什麼年代、什麼年齡,做了些什麼貢獻。

 1905年愛因斯坦提出狹義相對論時才25歲。 1912年玻爾從普朗克的量子假設出發,提出量子論,那時候,他才27歲。1925年到1926年,量子力學、量子統計學建立時,薛定格37歲,海森堡24歲,費米25歲,包利(Pauli)25歲。那時候愛因斯坦是45歲,玻爾是40歲,均係中年,他們兩位也充分了解當時物理學發展中的重大問題,但是創造量子力學和量子統計學的卻是一批新的年輕人。1927年狄拉克25歲,提出了狄拉克方程,完成相對論性量子力學。然後就是量子力學理論基礎的推廣和應用研究的發展。1935年湯川秀樹(Yukawa)28歲創立了介子理論,建立了核力基礎理論。1942年費米41歲建成了第一個核反應堆。

 第二次世界大戰以後,更年輕的新一代科學家向量子電動力學挑戰。1945施溫格(Schwin ger)29歲,費因曼(Feynman)29歲,朝永振一郎(Tomonaga)39歲,完成了量子電動力學的理論基礎。  20世紀50年代和60年代,在宇宙線和高能加速器的實驗中發現了許多新的粒子。在研究它們的相互作用和規律等新的現象時,又產生了新一代的科學家。1956年我自己是29歲,楊振寧33歲,我們創立了宇稱不守恆的理論。1957 年吳健雄44歲作了驗證宇稱不守恆實驗。之後的重要問題還有強子是什麼構成的,蓋爾曼( Gell-Mann)35歲時提出夸克理論。1961年葛拉蕭(Glashow)29歲,1967年溫伯格(Weinb erg)34歲完成了統一電磁作用和弱作用的電弱作用(Electroweakinteraction)理論。19 72-1973年霍夫特(G.′t Hooft)26歲,包里策(Polizer)28歲建立量子色動力學,完成強作用(Strong interaction)的基礎理論,強作用和電弱作用兩大理論,加上愛因斯坦的廣義相對論,是我們對於整個宇宙基礎理論的綜合。

 20世紀的科學成就,不僅產生在物理學領域,在生物學領域也有很大的發展。其中的一個重大突破是1955年克里克(Crick)39歲,華生(Watson)27歲發現了DNA的雙螺旋結構。

 從以上例子我們可以相信,青年新人才是發展新科學的必要條件,但並不是青年就是人才,出人才要有一個過程。歸納科學成功的必要條件,不僅是青年,還有怎樣選拔青年人才,怎樣培養人才,怎樣認清方向,怎樣製造環境,怎樣抓緊時間。

 目前的世界是訊息世界,情報世界,但是,信息並不就是理解,這一點很重要。對於培養創新高科技人才要特別注意這一點,信息並不是消化,也並不就能產生創新。

PART2〈我與費米的一段故事〉 我們做了一個大計算尺

 光有完整的信息,並不就等於理解,理解有 它的過程,這個過程是怎樣培養的?培養創新 的科學人才,需要很好的導師,需要很密切的 老師和學生共同進行研究的過程。這裡學生是 指研究生,尤其是博士研究生。以下講一段我 自己的經歷。

 費米是理論和實驗兩方面的大師,記得在40 年代我在芝加哥大學作研究生時,費米那時候正在測量電子和中子的作用。他的學生是比較少的,那時他的理論研究生就我一個,雖然他忙著做實驗研究,但他還是每星期花上半天的時間跟我討論理論物理,是一對一的在討論。他訓練學生,首先讓學生對一切物理問題,不管什麼問題都能自己獨立思考,找到答案。

 我現在用一個實際例子來說明他的訓練方法。那個時候,我自己最有興趣的是粒子的結構問題,可是和費米老師每周半天所討論的問題是極廣泛的,是多方面的。常常是他提出問題,讓我回答。有一天他問起我太陽中心的溫度,我說大概是一千萬度絕對溫度左右。他說你怎麼知道的,我說從文獻上看來的。他說,你自己有沒有演算過。我說沒有,因為這個計算比較複雜。文獻上講,計算的結果是一千萬度,我覺得也很合理。他說不行,你一定要通過自己的思考和估計,才能接受別人的結論。

 關於太陽內部的溫度和亮度的分布,這裡有兩個公式;dL/drαT18;dT/drαL/T6.5;L是亮度,T是溫度,r是半徑。太陽內部是在「燒」氫核;氫核合成氦核,放出核能,化為光能,光的亮度與半徑r的微分關係是溫度T的18次方。熱量向外傳播,太陽是氣體,溫度T跟r的微分關係反比於T的6.5次方。這些關係不是很複雜。但是計算卻不簡單。費米說,沒有關係,我們來想一個辦法。我問,想什麼辦法?他說我們一塊兒來做一個大計算尺。計算尺的結構是這樣的:有三行刻度,一行刻的是標尺數字,另一行是數字的對數,另外一行也是數字的對數。用算尺來做乘法,除法運算。由於是對數運算就變成加法、減法。費米說,你去做一個大計算尺,這計算尺的一行是 18對數,另一行是6.5對數。我說不會做。他說他會木工,可以去做尺子。他問我能不能照相,我說照相還可以。費米說,你去照相,把普通計算尺的標尺照下來,然後放大,一個放大18倍,一個放大6.5倍,做為貼在新尺子上的標尺,這個大計算尺實際上是費米做的,上面的標尺是我做的。

 計算尺做成後,經過一個多小時的運算,很簡單的就推算出了太陽中心的溫度大約是一千萬度。我花了一天的時間,沿半徑算出一百多個位置的數據。費米和我合作,做成全世界唯一的專用的大計算尺。他就是要訓練我達到這一個目的:你不能接受別人的計算結果,必須依靠自己獨立思考,而且你必須想新的方法,求出結論。

費米的啟示

他花了兩天幫我做了這一把世界上唯一的大計算尺。讓我花一兩個小時就可以算出來,增加興趣。他以身作則教我想辦法,教我走腳踏實地、克服困難的道路,也啟發了我對研究解決問題的興趣。這使我一生受益非常深。後來我自己帶學生也是這樣,也是每星期花半天跟他們單獨聊天、討論。培養創新的科學人才,必須要有好的導師和密切的師生共同研究的過程。這是省不了的,不能用網路、程式代替的。


PART3.〈21世紀物理學的發展〉目前仍有極大的問題未解

 培養人才只這樣做還是不夠的,還要認識方 向,製造研究的環境,抓緊時間和機遇。這需 要上一代的科學家和政府政策的支持。

 整個自然界有很多很複雜的現象,但是這些現象,它們是由一組基本原理操縱的。我從事物理研究,其目的就是要找這個操縱一切物質的總機關。如果我們把這總機關找著了,其他一切就會跟著來。但是,怎麼才能找到這個極重要的總機關呢?

 我們可以回頭來問,19和20世紀的科學發展,是不是找到了這總機關的一些重要部門?是的。而且這些科學發展和對稱有密切的關係。雖然當初很難預料,為什麼對稱定律會如此重要?粗看一下,也許覺得對稱和我們不會有什麼大關係,那是因為我們沒掌握住對稱的規律。當我們掌握住了,就發現宇宙的演變和對稱、不對稱間的規律是分不開的,影響了我們20 世紀科技文化的高速發展,這就是基礎。我們不能先問,基礎有什麼用,我們要問的是,是否整個宇宙都按照這組基礎規律演變。如果整個宇宙都是這樣,顯然這組基礎規律是極重要的。

 20世紀的物理發展是「簡化歸納」。什麼是簡化歸納?我們以為大的是由小的造成的。把最小的找著,研究清楚,我們就了解了最大的。這個想法就是簡化歸納。以19世紀末,湯姆遜發現電子,20世紀初盧瑟福發現原子核之後,這是一個大方向。一直到現在,我們有了很精密的儀器─科學設備,深刻的基礎理論─相對論、量子力學,這些就創造了整個20世紀物理的發展。

 物理學在這方向的成功,也影響了生物學的發展。在20世紀中葉,克里克本來是從事物理的,他主張將物理的方法應用在生物研究,結果他和華生發現了DNA雙螺結構,後來就引起基因學的大發展。這個越小越重要的觀念,引起了現在生物學的大成功,這也是簡化歸納。這是20世紀的經典方向,這個方向非常成功。但是我們應該了解,作科學研究很像海上的浪頭,一個浪一個浪地過去,當一個浪送到最高的位置,下一步必定下降。我們不能只跟著人家,浪在哪裡最高,就跟著人家跑過去,最高峰的浪頭一定要下降。我們必須觀察新的浪頭在哪裡開始。

 20世紀的物理有極大的成功。1900─1925年,建立了相對論和量子力學,產生了大部份20 世紀的科技文化,原子構造、分子結構、核能、激光、半導體、超導體、超計算機等等。我們找到了構造所有核子、介子的基本粒子。我們知道的一切物質都是12種基本粒子構成的。這12種基本粒子分為夸克和輕子兩類,每類又分為六種。夸克分上、下、奇、粲、頂、底,質子是由它們組成的,中子也是由它們組成的,鈾也是由它們組成的,碳也是。夸克之外還有六種輕子:電子、μ子、τ子、電子中微子、μ中微子、τ中微子。這12種粒子就組成了現在所有我們了解的物質,這是一個極大的貢獻。

 質子、中子都是由夸克組成的。夸克和輕子之間的相互作用,又可以分為強作用、電弱作用和引力場作用三大作用。電弱作用包括電作用、磁作用和弱作用。強作用把核子中的夸克組合在一起。電弱作用把β衰變跟電磁作用連在一起。引力場是愛因斯坦提出的。這就是三大作用。

 可是目前我們還有極大的問題沒有解,這情況很像在20世紀初、19世紀末,前文提到的物理有兩個大的謎。我們不光要看到我們的成功,也要看到還存在什麼大問題。(請見右下方圓形圖框)

 21世紀的物理發展,我相信是向「整體統一」的方向發展,把微觀的基本粒子和宏觀的真空態一塊研究。如何能成功地整體統一?這個問題是基本的、重要的、是挑戰性的。假如我們能解決,很可能會把21世紀科學的發展整個改變。其重要性,可能和整個20世紀的科學進展是同一數量級。我們目前面對的問題是研究整個宇宙的能量、物質、對稱性,是極其基本的問題。

 我們第一步是要發展一些新的科技工具,從事新的物理研究。回頭看,20世紀的物理發展著重「簡化歸納」。我們依靠精密的理論和精確的實驗,取得了極大的成功。這套手法後來影響到生物學。20世紀中葉生物學中DNA和基因的發展就是跟蹤著物理的簡化歸納的路徑。我相信在21世紀,為了整體統一研究的發展,物理學家會創造新的手法和新的科技工具。這一套新的工具也會影響其他科學。基因是很重要的,DNA是很重要的,可是生命是宏觀的,不能光研究微觀的基因和DNA,要微觀宏觀一塊研究,所以要整體統一。我覺得21世紀的發展,物理學、生物學和其他科學要平行發展。為什麼呢?因為精密計算、精密測量這套手法和工具的發展仍須依靠物理。在20世紀,生物學隨著物理學,採納了簡化歸納的方向,取得成功。21世紀生物學會再隨著物理學,採納整體統一而取得新的和更大的成功。

我認為21世紀有四個大問題....

 對稱的理論基礎,不對稱的實驗結果:
 這是第一個大問題。三大作用的理論基礎都是 對稱的,可是我們的實驗結果很多是不對稱的 。也許各位會覺得這個問題可以很簡單的解決 ,把理論物理學家都趕走就完了。顯然這樣做 不合理,也不能解決物理問題。

 夸克單獨看不見:
 這是第二個大問題。12種基本粒子中,其中 占一半的夸克是單獨看不見的,所有的夸克都 是不能被單獨觀察到的,這是另一個大謎。

 暗物質:
 這是第三個大問題。宇宙中90%以上的物質 ,不是我們知道的物質,而是不能發光也不吸 收和反射光的暗物質。構造我們的物質和我們 所知道的物質在宇宙中是少數。這是第三個大 問題。


 類星體:
 這是第四個大問題。現在至少已知有一百多 萬個類星體,每一個類星體的能量,約是太陽 能量的10的15次方到16次方。太陽的能量來自 核能,核能比燒煤得到的能量大幾萬倍到10萬 倍左右。類星體的能量遠遠超過了太陽的能量 ,卻不是我們所知道的能量。這是第四個大問 題。


~全文完~