李政道:科學的發展——從古代中國到現在

李政道(1926——),美國華裔物理學家。生於上海。1946年移居美國,進入芝加哥大學物理學研究院。1953年任哥倫比亞大學物理學副教授,1960年任物理學教授。1956年與美國華裔物理學家楊振寧共同發現,在基本粒子的弱相互作用下宇稱不是守恆的,揭示了宇稱守恆定律並不普遍適用。他們的重大發現,是具有卓越的開創性的成果,並於1957年共獲諾貝爾物理學獎。

整個科學的發展與全人類的文化是分不開的,在西方是如此,在中國也是如此。 
可是科學的發展在西方與中國並不完全一樣。在西方,尤其是如果把希臘文化也算作西方文化的話,可以說,近代西方科學的發展和古希臘有更密切的聯繫。古希臘時也和現代的想法基本相似,即覺得要瞭解宇宙的構造,就追問最後的元素是什麼。大的物質是由小的元素構造的,小的元素是由更小的粒子構造的,所以是從大到小,小到更小。這個觀念是古希臘時就有的(Atom就是希臘字),一直到近代。可是中華民族的文化略有不同。我們是從開始就感覺到,微觀的元素與宏觀的天體是分不開的,所以中國人從開始就把五行與天體聯繫起來。五行的一個很原始的看法,那就是金、木、水、火、士。 
可是在很早的時候,中國就有相當重要的科學觀察結果,在全世界恐怕最早的即是超新星的觀察。全世界最早的有關新星的記錄,是甲骨文,原件在台灣中央研究院。Nova這個名詞是中國人定的,這是在公元前1300年,是全世界最早的記錄。世界上最早最全面的超新星記錄,是在宋朝1054年發現的。 
中國很早的時候就有科學的儀器。這是商朝的懸機,大概是玉做成的。把它的中間架在一個架子上,當中一頭對北極,而天是在轉的,北極是不動的,因此這個星體正好是北斗。張衡的渾天儀是自動的,它有水源來推動,用齒輪的方法,自己會動,整個是自動的。第谷·布賴的觀天儀器是1598年,張衡是125年,之間相差了1400多年。 
可是緊跟著從明末清初開始,中國科學下降了。(李教授指著伽利略自己使用的1642年時的望遠鏡圖片)這個望遠鏡是在17世紀初,即明末清初時做成的。在西方,望遠鏡是幫助文藝復興的第一步,它是嶄新的科學儀器。我們沒有跟上這一步。第二步,西方抓住了基礎物理和應用物理的關係。在19世紀,經過法拉第的試驗,麥克斯韋在1864年創建了電磁理論概念,即把磁生電、電動生磁這兩個現象完全用精密的麥克斯韋方程組表示出來。此後很快就產生了19世紀末的發電機、電動馬達,一直到20世紀的電報、電視、雷達,所有的現代通訊設備都是從這兩個東西裡出來的,因為經過麥克斯韋電磁學說,所有的總關鍵都抓住了。一切與電、磁有關的東西都是受麥克斯韋方程組規律控制的。 
從邁克爾遜和莫利的實驗就產生了相對論,從普朗克的公式就產生了量子力學。到了1925年,整個基礎科學的瞭解被人們完全操縱住了,之間還有第二次世界大戰,到了1950年初,原子結構、分子物理、原子核能、半導體、超導體、計算機,這些20世紀的文化都已產生了。 
如果沒有量子力學,沒有相對論,就沒有20世紀的文件。再過了20年,70年代末,80年代初,這些理論已達到頂點。回顧以上一段科學史,可知基礎科學、應用科學與我們的物質文化的關係是何等緊緊相扣、不可分割。我們現在正處在20世紀末,當我們面向21世紀時,不禁要問,什麼是21世紀的科學文明呢?什麼是現在面臨的最重要的問題呢?這是今天我要講的主要問題。 
中國從商朝到漢朝,科學文明一直是走在前列的,為什麼到明末清初(17世紀)中國的科學卻落後了,文藝復興完全在西方發展?道理之一是在物理上、在科學上。我們覺得所有的物質的動因、它的原理是由一些根基本、很簡單的理論操縱的,我們能找出這些原理,就可以知道一切東西的原理,如19世紀的電磁理論和20世紀的相對論和量子力學。18世紀很難瞭解19世紀的文化,在19世紀根本無法想像20世紀的文化。同樣,我們20世紀也很難猜測到21世紀的科學文化是什麼。所以我提出,如何恢復中華民族在科技界的地位。在19世紀前,無疑中國是處於領導地位,今天不是。這裡的主題至少有兩個,第一個是要瞭解基礎科學和應用科學的機制關係;第二個是當我們展望21世紀時,我們必須要瞭解當代科學的大問題,瞭解了這些大問題,才有可能突破,其他問題才迎刃而解。瞭解當代的大問題對於瞭解21世紀的科學發展無疑是有幫助的,當然,這只能是猜測。 
當代的科學大問題,可以與19世紀末相當的大問題。在宇宙學裡有兩個:一個是類星體,一個是暗物質;粒子物質學裡有兩個:一個是對稱破缺,一個是不可見夸克。若能瞭解這些問題,將對21世紀的科學發展產生重大作用。 
我先來解釋宇宙學裡的大問題。類星體是什麼,新星忽然一下子亮度超過太陽1至10萬倍,超新星又比新星亮1至10萬倍,壽命從幾天到1至2年。類星體更厲害,其亮度是1000個銀河系的亮度總和,而每個銀河系裡有1000億個太陽,每個太陽幾乎可以生存100億年。那麼,什麼東西產生類星體能量?核能是普通的太陽能,它與核能之比相當與核與油燈之比。我們尚不知道其能量來自何處。我們宇宙裡至少有100萬個類星體,其中仔細研究了近1000個。我們宇宙間有一種我們尚不瞭解的發能方式,它遠遠超過核能,遠遠不是我們所能想像的。 
下面談一下暗物質。所謂看得見的物質是指用光學、紅外、放射等手段,即凡是用儀器能推出有能量的物質。然而,我們發現,在銀河系裡,有個叫作星系群的圓球,裡面有20個像銀河系那樣的星體,通過研究整個星系群裡每個星雲的運動可以推出地心引力,從地心引力裡求出來,就發現在星系群裡,有3/4的物質是我們看不見的,這就是暗物質。暗物質有很高的能量產生,有相當的普遍性。但我們不知道其原因何在,來源如何。以上兩個就是當代天體研究上的大問題。 
我們瞭解的理論,如量子色動力學、愛因斯坦的普遍相對論,所有這些理論有17個參數,都是對稱出來的,可是在我們的宇宙裡,對稱的量子數是不守恆的。其中第一個重要發現就是宇稱不守恆,現在還有不少東西不守恆。這就很奇怪,我們的很多理論是根據對稱產生的,可是為什麼我們的世界又是不對稱的,這是非常奇怪的。那麼是否我們相信對稱就是錯誤的呢?不然,我們有很充分的實驗證據表明,我們這個宇宙、我們這個世界是不對稱的,這兩個是非常奇怪的現象。這表明現有的全部知識是很不全面的,一定另外有一個力,這個力是推翻對稱的。這個力是什麼?我們不瞭解,它的存在我們知道。現在我們認為,真空在裡面起作用。真空與以太不同,它是洛倫茲不變的,可它有很複雜的性質,真空很可能是可以變化,如果我們瞭解了不對稱的來源,很可能我們可以瞭解質量的來源,包括暗物質。 
第二個謎即看不見的夸克。所有的強子、核子是由夸克來的,有強作用。所有的強子都是由夸克構造的,但單獨的夸克是看不見的,從來沒有人看見過,這也是很稀奇的。但若你據此說夸克觀念是錯誤的,那就不然。我們有充分的實驗證據表明夸克是存在的。我們知道其質量不大,但就是看不見。所以,為什麼一切強作用的物質是由夸克組成,而為何夸克又看不見,這是當代的一個很大的奇怪的事情。 
現在我們猜不到21世紀的文化是什麼,就如同在19世紀我們猜不到20世紀的文化將是怎樣一樣。同樣,若我們真能激發真空的話,很可能我們對宇宙的瞭解要遠遠超過20世紀。將來的歷史會寫上:是在我們這個時代,把微觀的世界和宏觀的世界用科學的方法連結起來。 
最後送給復旦青年兩句話:復興文化,旦旦生光。 

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