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物理的挑战
李政道
我一生是从事物理的研究，我觉得生命的活力，就是来自“物理的挑战”。我想跟各位谈一下，20世纪的物理，人才的培养，讲一下中国古代的物理，对称与不对称，然后从过去再展望到将来。
二十世纪的物理
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19世纪末20世纪初，物理学有两个大的改变。
一个重要的是在19世纪，1887年，美国的两位科学家迈克逊和莫雷，他们做了一个实验。他们那个实验就是量光的速度，顺着地球走有多快，背着地球走有多快。简单地想，当然顺着地球走快，背着地球走的速度就慢一些。他们的实验结果表明两者完全一样。这个实验当时觉得有点稀奇，但又觉得跟我们的生活没什么关系。
在1900年，汤姆，德国的理论物理学家，想出了一个普朗克方程式。我们知道不论什么东西它都会发光，温度不固定，光的颜色是不完全一样的。就是温度固定，能量也分布得不一样。怎么分布呢？这是经典物理不能解决的。普朗克就大胆地做了个光量子假设，这是1900年。光的能量是怎么按温度分布的?1905年，爱因斯坦根据迈克逊一莫雷实验产生了狭义相对论；因为有了普朗克方程式的量子假设，到1925年就产生了量力学。
从那时．狭义相对论和量子力学诞生了。而原子结构，分子物理，核能．半导体，超导体，超计算机，几乎20世纪绝大部分的科技文明，都是从狭义相对论、量子力学来的，都是从研究光和地球转动之间的关系、地球热的发光能力而来的。没有狭义相对论、量子力学，就没有这些东西。
19世纪的人很难想象我们现在用的激光、半导体、超导体、超计算机。但没有这些基础科学，也不会有20世纪这样的科技成果。
同样，我们要了解现在的物理学、现在的21世纪将会发生什么?现在和将来的发展也可能是上个世纪的人类想不出来的。为什么这些看起来跟我们没有太大关系的发现，会对我们的生活产生这么大的影响呢?这样的研究叫基础研究，这样的发展叫科技应用，然后是市场的开发：基础跟开发的关系，举个例子是水跟鱼、鱼跟鱼市场的关系。没有水，就没有鱼，也就没有鱼的市场。没有基础科学，就没有人类的应用科学，也就没有相应的开发研究，这个规律不会变。
怎样才能产生划时代的基础科学成果，爱因斯坦和费米是两位大师。让我们看他们及其他杰出科学家在什么年代、什么年纪做了什么事情。
1905年，爱因斯坦提出狭义相对论时，才25岁。1912年，玻尔从量子解释的普朗克公式，变成量子论，那时候，他才27岁。1925年到1926年，量子力学、量子统计学发展，薛定鄂37岁，海森堡24岁，费米25岁，泡利25岁。1927年，狄拉克25岁，完成了相对论性量子力学。1935年汤川秀树28岁创立了介子理论，建立了核力基础理论。1946年，费米做成了第一个核反应堆。
第二次世界大战以后，新一代的年轻科学家向量子电动力学挑战。t945年许温格费曼29岁，朝永振一郎39岁，完成了电动力学的理论基础；—代新人才，一片新开始。
人才的培养
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新人才是必要条件，并不是青年人就是人才。我想归纳一下科学成功的必要条件，不光是青年，还有怎么培养人才，怎么认清方向，怎么制造环境，怎么抓紧时间。
不能只依靠课堂教育，不能只依靠高科技的教育工具，现在这个世界是信息世界、情报世界，靠很多的计算机、网络就可以：高科技的工具可以很快地传达信息，可是信息并不是理解。这点很重要。你的仪器很新，信息都有了，一点就点出来了，可理解它有个过程，这个过程就是怎么样培养。创新的科学人才，需要很好的导师，需要很密切的老师跟学生共同研究的过程。基础科学很深的研究方法是一对一的，不能就买个机器，不能就看个屏幕。他们是人跟人，一天两天，一星期两星期，一年两年累计起来：我在这里讲一下我自己的经历。
我记得在40年代，我是研究生，费米那个时候在研究电子和中子，他的学生是非常非常少的，那时就我一个。他每个星期要花半天儿的时间跟我讨论，是一对一的在讲，在讨论。他第一要训练让学生对一切物理问题都要自己独立思考，找到答案。我现在讲的是他的训练方法。那个时候，我自己在研究粒子的问题。费米每半天的讨论，就问问题，让我回答。他有一天问起我太阳中心的温度，我说大概是一千万度绝对温度。他说你怎么知道的，我说从文献上看来的。他说，你自己有没有演算过，我说没有，因为这个计算比较复杂，文献讲他们算出是一千万度，我觉得很合理。他说不行，你一定要通过自己的思考和估计，才能接受别人的结论。
为了做成这个演算，要根据两个公式，但过程非常复杂。费米就说，我们要想一个办法，做一个大的计算尺。年轻的朋友可能不知道，计算器具有三种：中国的算盘，在19世纪20世纪上半叶是计算尺，现在是计算机。计算尺是这样的，它是一种尺子，它有三行，一行是母数字，另一行是数字对数，另外也是一个对数，它用对数乘法、除法变成加法、减法。费米说：你去做大计算尺，这计算尺一面是18乘对数，一面是6.5乘对数。我不会做，他说他可以自己做。他说你能不能照相，我说照相还可以；费米说：你去照相，放大，放普通计算尺，一个放18倍，一个放6.5倍，所以这大计算尺实际上是费米做的，上面的号码是我做的。
一个小时运作以后，就很简单地算出太阳的温度差不多是一千万度。费米请我做这个，合作全世界惟一的专门的大计算尺，花了两天。他自己在做的实验跟这个工作一点没有关系，是在做电子和中子很重要的实验；我自己也不是研究这个；他要达到这个目的：你不能接受别人的计算结果，而且你必须想新的方法。他给我脚踏实地、克服困难的办法，也启发了我对研究解决问题的兴趣。这使我一生受益非常深，后来我自己带学生也是这样，也是每星期花半天儿跟他们聊，跟他们讨论，什么问题都可以讨论。培养创新的科学人才，必须要有好的导师和密切的师生共同研究过程，这个省不了，不能用网络、程序代替的。人是人，还是跟学徒、老师这个关系，是需要一年，两年，那么这个人就可以一生独立思考。所以这个我想和各位讲一下，如何培育人才。
光培养人才还是不够的，还要认识方向，制造研究的环境，抓紧时间跟机遇，这是需要上一代的科学家跟政府政策的支持。我很简单地讲了，20世纪的科学猛进，是因为把基础科学的重要性抓住，同时他们也在贝尔研究室，在丹麦玻尔研究室，在芝加哥大学普林斯顿大学研究所就这样一对一训练出来。所以这一大批科学家实际上都有一定的规律，而且有认识方向、制造环境、紧抓时间跟机遇的能力，这也很重要。
中国古代的物理
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我们知道科技在中国古代很发达，物理的记录也相当早。物理几个字音是杜甫的诗，是在唐朝，公元758年，杜甫写：“细推物理须行乐，何用浮名绊此身。”我们来看：细，什么细，仔细观察；什么推，精密推理。“细”讲怎么做实验，“推”讲怎么做理论．怎么研究科学、实验跟理论。“须行乐”，人要高兴。“何用浮名绊此身”，不要想能不能得诺贝尔奖，你做物理，不要想得奖，你必须本身要有一种乐趣。你成绩好，可能你能得到很多。我们中国古代，科学跟艺术是很联合的，要不杜甫怎么了解物理呢?
太阳是一个庞大的氢的核反应堆。它是把氢烧成碳，在烧的过程中间，可能出现比碳重的一些元素，像钛这些处于周期表中间比较稳定的一些元素产生出来。
瞬间在周边发生爆炸的星，我们叫新星。它亮度比太阳要大几万倍。
如果太阳到最后氢都烧完了，太阳会面临死亡。死亡到一个阶段会发生爆发，产生相当大的亮度，那叫超新星，亮度一下子比太阳亮100万倍。新星的寿命一般一个星期两个星期，超新星的寿命差不多两年。全世界最早关于新星的记录是商朝，这是在一篇甲骨文中记录的。这个甲骨文存在台湾中央研究院，记录了公元前1300年，就是3000多年前的一个新的大星。
关于这颗星，商朝的甲骨文中是这样写的：左边这个偏旁就是指鹞鹰的星子，就是商朝的地斤、地心了，在这个星指鹞鹰，这个斤，它这个图你看像不像英文。
所以这一点我觉得非常有价值，这是全世界最早的新星的记录，实际上中央研究院有两片甲骨，一片反映在7号发现了新大星，另外一片说这个星没有了。它的记录有新的大星在星座出现，10天以后没有于，星的亮度怎么样变化，基本的事实跟寿命都记录了。这是全世界最早第一个完备记录，是在3000年以前。
那么超新星，全世界最早的记录也是中国，是在北宋的宋仁宗期间，即1054年8月27日发现的。它的记录是这样：突然间在白天出来一个很大的星，大如鸡蛋；它每天有多大多大，一直记到1056年7月。这是到目前为止全世界对超新星最长时间的记录，差不多记录了两年内它的变化，记录了它的寿命。你可以画一个亮度表，就可以简单了解它，现在我们知道它是蟹状的星云生成，在它中间有一个中间星，也叫脉冲星，它发出信号，非常准确，所以新星跟超新星的最早最完整记录，都是我们老祖宗做的。
我们老祖宗一向尊崇天圆地圆，黄道赤道。我们知道公元前5世纪，应该是2500年，屈原有17个文卷现在留下来了，里面有一卷是天文，天文里边他说天是圆的，地也是圆的。我想解释一下屈原的说法，他说“九天之际，安放安属，其修孰多，谁知其数”。我解释一下，这个九天是做标，九天就是昊天、阳天、赤天、朱天、成天、幽天、玄天、鸾天、钧天，它的坐标就是天，是圆的。屈原是大诗人，想像力丰富：天是圆的，地假如是平的话，就会相交，相交显然不合理；既然天是圆的，地肯定也是圆的；所以中国是黄道、赤道，是两个转儿。今天结婚人很多，所以一定是黄道吉日。
它底下再问：天地都是圆的，还是椭圆的?他说“南北顺椭，其衍几何”。他说东西是经度，南北是纬度，他这样，一下子变成这样的圆了，这样子长一点，还是纬度这边长一点儿。我们赤道是6378公里，南北是6356公里，相差22公里，所以屈原没有求出来。不过你想，这个充分解释的能力跟天圆地圆有关联，这在公元前5世纪，真是了不起，同时屈原文章也写得好。
《周礼》说，以苍璧礼天，以黄琮礼地。为什么以苍璧礼天呢，为什么以黄琮礼地呢。这一直从周，从殷商开始，商周一直是这样。我们来看看璧是什么样子：
这是一个璧，直径是20．4厘米，它的外面是圆的，中间有洞，这个洞影响了中国的钱，一直所有的钱都是洞，到民国才学外国把这个洞没有了，这个定型就是璧定出来的，它是代表天。
琮是更奇怪了，琮是这样的造型：外面是方的，高是47厘米，也不太高，中间也是一个洞穿过去。那么方的一个一个是为什么?这是代表天，这是代表地。
另外还有一个叫璇玑，璇玑的造型很像璧。璇，美玉也；玑为转远，径八尺，圆周二丈五尺强。玉者，天文之器。
我们想象，我们老祖宗在商朝以前，晚上天儿好的话，能看见天上的星，要是用照相机对着天，放三个小时左右，你就会发现每颗恒星和行星，都要转两圈，都沿着一个圆在走，有一点是不动的，就是地球的轴。我们老祖宗那时候看天比较方便，没有污染，所以比较清楚一点，而且晚上没有别的事情去做，没有电视去捣乱，看天的时间可以长一点儿。每天所有的星星都这样转，就有一点不动，这一点不管怎么样，它一定是有道理，就想法子，要把这点定得准确一点。假如把这点定得准确一点，我们可以想像，璧、琮跟璇玑它们都是一个螺旋式天文仪器，目的就是把轴心给定准。我们想像假如要定正极，一定要有孔子，假如转的是80°，那孔要转一倍也许160°左右，那么这个管子对着正极，对着正极最好的材料是直简的罐子。我们想像在商朝的时候，几千年以前有竹筒，你很容易开洞。假如你开了一个很小的洞，大的盘子像璇玑一样，那一个盘子有三个凹口，最好是凹口的地方有一个恒星在上面，一个盘子有三个地方对称性地对着星。星晚上在转，一个盘子随着它转，星主板是不动的。要定正极的位置，它必须有管子定着正极，然后有盘子随天而动。盘子动，最好把三颗星能扣住，只要能扣住，那它就随着转。
假如我讲的这个想法是对的，那么这主管子就不够结实。它要和地固定，要用大石头把它绑起来，大石头每一个一尺长。这样就有两种：一种跟璇玑这样，用扣子扣好．的星随天而转，代表天；一个是这个石头跟主管一样，跟地永恒。所以这样一个构造，就是跟天而动，跟地是不动，中间都是空的，空的是主管子。所以从琮到这里面去，这个比较合理。我算了一下，假如它把微孔用很细的杆子支起来，也许能够支到两个毫米，假如两个毫米10到15度左右，它可以精确到点零一三度。
我们再检查一下，假如这个想法包括这个璇玑，进八尺这个观念是对的，那么我们就说我们看到这个天(就我们现在看的天)它是这样的：我们现在看上去在正极的位置有一颗星是北极星，这是北斗星座，可是现在地球这个轴并不是不动的。我不知道现在同学们还玩不玩陀螺，只要你把它一打它就转。可是陀螺这个轴有径转，轴自己也转，蛇螺转得很快，可轴转得慢。现在有北极星，在商朝根本没有北极星，北极星不在我们现在所看到的位置上。假如这个想法是对的话，那就是说什么时候在现在北极星的位置上有一颗星，同时正好在三角等边上另外有三颗星，这三颗星扣住这个位置，让你正对那个时候的北极星，那么你顺着正极轨道走，它惟一的点是这个地方，这是在公元前2700年。
北斗，这是紫薇星座的中间，旁边有三颗星，北斗星座。这个想法是对的，就表示说在公元前2700年，我们老祖宗已经有天文仪器把星定位到点上，而且这颗星的名字就是紫薇星座的幕府，有三颗星摇光、北斗、上浮。紫薇星座自古以来跟帝王非常有关系。你看紫薇星座，现在它边上一点重要性都没有，但很可能当初有重要性，是在公元前2700年，离开现在4700年。所以这是一个假设。我这个也是解释，可能是到商朝那个时候已经没有这个星，可是他为了纪念天文的成功，所以把璇玑变得很简单，变成璧，轴变成琮，就变得以苍璧礼天，以黄琮礼地。我们老祖宗在差不多5000年以前天文已经非常发达，星座位置计算可以非常精确。为什么其他国家如埃及、希腊的古老文化都没有了。现代的埃及人人形就跟当初埃及古代文化人形不一样，现在在希腊住的人就跟希腊雕像的脸型不一样，古代文化都没有了。
我们很骄傲地说，我们炎黄文化一直传到了现在。为什么黄土文化能够不断创新、富有生命，我觉得很可能黄土文化跟其他文化不同的地方，是它发展在黄土高原而不在沿海，这很重要。其他古代文化都在沿海发展，埃及文化为什么在沿海发展，因为尼罗河每年泛滥，给了它一个季节的掌握，所以它才能耕种。我们在5000年前已经有很好的天文仪器了，而仪器做起来不太复杂，一下子可以传出去。我们中原文化的发展，农作物也好，有精密的天文仪器定位，广泛应用，操作农耕，炎黄文化是科学为主，无宗教控制，科学早就发达了，所以能够延伸到现在继续发展。
现在基本上是科学为主，民主为本的，这里面有一个代表是大汶口，日月山石雕。公元前3500年，上面是太阳、月亮，这是山。这是5500年以前的，它整个造型把日月跟山，自然与人整个连接起来，这是中国炎黄文化的，因为它把自然跟人连接起来了，所以能够延长发扬到现在技术的生命。这个从古至今都是一样的。
当然，中国的古代文化是极为悠久的，可近代科学是在西方萌芽的，为什么?我想其中一个道理，很可能是没有太注意基础科学。
对称与不对称
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在近代基础科学里面，有很重要的一个观念，是对称不对称，很有意思。它跟我们生活有什么关系?我要说它跟我们21世纪的发展有着极为密切的作用。
1974年5月3日，我们住北京饭店，早晨六点钟电话响了，我很惊讶，有人说毛主席要在一个小时之内接见我。我就赶快准备，到中南海里面去。更惊讶的是我一见到毛主席，他第一句就问为什么对称重要。没想到他会问这个问题，我愣住了。他说对称是平衡，平衡是静止的。他的一生最重要的是动，不是静止的。他不感觉自然界跟人类有太大的区别，人类的重要性是动，自然界也是动的，静止、对称有什么重要性?我想，这怎么解释呢?毛主席有一个本子，我拿了一个本子，然后拿了一支笔，把笔放本上，使本子向毛主席那边斜，本子一动笔就掉下来，他弄了三次。最后我说：毛主席，我看你刚才这个动作，没有一个是静止的，可是对称的，对称的翻译是平衡，但对称是用在静止对动，是整个宇宙的规律，有极重要性。毛主席觉得挺有道理。谈完以后，毛主席最后说，他很可惜，在年轻的时候有其他事情，为科学花的时间不多，不过他念过四本汤普森写的《科学大纲》，那里面化学、物理、天文都有。
过了几年，我跟夫人回美国去。在上飞机前，他们说有个包是毛主席送的，我就打开了，是四本英文的《科学大纲》。所以对称是重要的。对称是静止，和动都是重要的。
现在开始讲对称和不对称。这是弘仁的画。弘仁是17世纪著名的山水画家。他的山水画是用几何方法画出来的，原画是在上海博物馆。他的画暗含了一种对称的意味在里面。自然界的事物绝对对称是很少的，微观的绝对对称比较多一点。微观宏观里面，绝对对称有例外，是晶体。
一个好的例子是苏州的窗格。这些窗格它是有对称的，这个对称我们叫P2。什么叫P2呢?P是元胞。你看那个图案，在360度中间你把它转一下，它有几次是重复的，转180度时回来了，可转180度时又回去了，这也是窗格。再看另外一种窗格，这是P6，转动的是像蜜蜂巢一样，60度一次重复，还有P4对称的窗格，是转90度回到原来圆形。P2和P6它都只有一个。
镜内和镜外的图形我们叫镜像反射，这会对21世纪的物理有极大关系。P2和P6都能看出它们有镜像反时。P4比较困难一点，它镜子的反射和转动的轴不是在一个地方转动的。有多少种对称?有17种，这个问题是在1924年由帕迪埃把它证明了。
世界上最全的是在西班牙的阿尔汉布拉宫，那里面所有的PCI7种早就有了。所以就是说有些数学的定理虽然证明比较难，但是做的时候，做这个窗框的人，建造王宫的人，他们了解，他们是实验过的，结果也是都达到的。
另外，还有一个非常重要的对称是标度对称。现在所有的地图，气候水利的分类，都和它有密切的关系。这个最早是巴斯汤姆发现的，螺丝的半径，跟它旋转的角度有很密切的关系。它旋转的角度(假如你用对数来做，这是支撑的角度，这是对数半径的对数)，是很准很准的直线。你知道它一部分的样子，你就会可以推断它全部的样子。这种对称叫标度对称。像飓风，这个能量分布是波长的3的5次方，也是标度对称的：长的波多，它能量大；短的波少，它能量小：近代的物理有三个比较重要的对称：一个是左右对称，就是守恒；一个是正反粒子对称，正粒子变成反粒子；一个是时间反射，过去与将来的对称。这三个是跟自然界、整个宇宙的演变有着极为密切的关系，跟我们的存在有极为密切的关系。
大家都知道，左和右当然不一样，可左、右是不是一样，这句话是什么意思。你看左右不一样，它的字现在就不一样，“左”是这样写的，“右”是这样写的。在几年以前，我去西安博物馆，看到竹简文，它的右不是像我们现在这样写的，他是左反过来为写。我看完了很有启发，就写了诗句：“汉代系镜中左，近日反而写为右，左右两字不对称，宇称守恒为不准”：汉代衣着是左右对称的，我们现在也是不对称的。我现在举个例子，请大家想像：假如有两个汽车，完全是一样的，一个在左面，一个在右面，它的司机坐在左面，油门用右脚去踩的，不能瞎踩，司机坐在右面，所以说两辆汽车完全是一样的，就是一个在左面，一个在右面。踩油门到一定高度后，以50里时速走，右面这辆车也踩油门到这个角度，你们说右边这辆车时速多少?回答当然也是50公里的，那表示你跟1956年时几乎所有人的想法是一样的。就是说假如左跟右两方，是一个镜子的镜像，其他的也是一样的。那么在任何传动之下，它们也一样行动。这有一个重要的实验，在1957年做的。
左右各有一个钴放射源，各有一个同样的数量使它们极化后，结果不一样。一个可能100％上去；一个可能100％下去。这说明左右不对称，证明自然界并不尊重这个规律，就是左右不一样，其他也不一样，所以宇宙不守恒，就是左右不对称。不对称是什么意思呢?就是开头的时候，左右不一样，以后除了左右不一样，都不一样，而且我们可以算出怎么不一样来、另外一个实验是发现正电子和负电子，不单是左右不一样，所以发现正粒子和反粒子不变左右也不一样。这个我们叫正粒子反粒子不对称。再进一步，一个是左右，一个是正粒子反粒子，第三个是时间，将来与过去。
左右不一样，其他的也不一样，这个很重要，所以左右不对称(而且我们可以算出来哪儿不一样)。不光是左右不一样，正粒子跟反粒子也是不对称的。第三个是时间，将来跟过去的样子。最重要的实验是1964年做的，他们实验结果电子的电荷是负的。电子的电荷为什么是负的?这次他们认为电子的电荷是正的，电荷是相反的，是向西出现的原子。需要证明的是正子的电荷是正的?电子的电荷是负的?那么你会说真正的电子的电荷为什么是负的呢?电子的电荷是负的，本来是在1956年以前，或者是1957年以前，他说不是负电极，他说负电极是一个相对的，他说左边是右，因为它们是对称的。后来我们发现并不是这样，正、负和左、右有绝对意义。正电子与负电子，它们也是不对称的，这个是非常重要的实验。
这个重要的实验是在1964年做的，两位科学家科蒙、菲史都得了诺贝尔奖。一般人说电子的电荷是负的，为什么呢?质子也有电，它的电荷是正的，因为电荷相反的相吸，所以负电子和质子的电荷相吸。成为一个原子，质子的电荷是正的，电子的电荷是正的，正电子变负电子，左跟右它也是不对称的，这是非常重要的实验。一个“圆圆”的粒子，它没有任何的电流，它是中性的，它本身不带电，它衰变到正电子和负电子的数目应该一样，但量出来则不然，它的正电子比它的负电子多了千分之六，多了一点。就是说，我们叫中性，长寿的K介子完全跟电子没有关系，但它衰变死亡的时候，它的下一代，带负电的跟带正电的不一样。这个规律是相当惊人的，它不光是正粒子和负粒子，我们叫CP，正粒子和反粒子，左和右一起不一样，，叫CP不对称，可以牵扯到将来与过去的对称。而把左变右，正粒子变成反粒子，将来变成过去，整个宇宙的规律是这样的。
在宇宙里面的90％的物质，不是我们通常含义下的物质。宇宙里有类星体，它瞬间释放的能量，远远超过了太阳释放的能。这些都是与宇宙的发展有关系的。这些都是跟P不对称，C不对称，CP不对称，跟T不对称，而跟CPT有着密切关系。什么样的关系，我们现在还不了解，这是现在研究的一个很大的课题。有三个基本的对称理论是很重要的。一个叫P，就是宇称，是左右。什么叫左右不对称呢?左右不对称是什么意思?有两个组织，在开始时是完全一样的，在发展时左跟右不一样，不光左跟右不一样，其他也不一样，而且这个不一样，我们可以操作，正负电子不对称，正电子跟负电子当然不对称了。你可以试想一个正电子跟一个负电子，它们的符号不一样。我们可以想象从一个物质到反物质的变换，是正电子代替了现在的负电子，经过这个变换是不一样的。我们叫C，就是把正离子变成反离子，它不对称，不对称意思也是一样的。不光是这个不一样，今后发展，其他的也会不一样。
CP，把正离子变成反离子，左变右，也不一样。T，把时间颠倒，将来跟过去联系，刚刚说当然不一样了。可能假如你把左变右，右变左，正粒子变成反粒子，将来变成过去，过去变成将来，其一致的准确是相当惊人的。我们先要介绍一个观念，就是我们的年纪越来越大了，可是时间不能倒退了，这个并不表示时间倒退是不对称的。我再重复，时间倒退可能是很对称的，可是我们的年纪会一年一年大下去的，这个道理是一定的。
所以我们应该集中地，把整个的宇宙从它的开始到现在，它的发展到未来跟过去，左右，正负，正粒子，反粒子都是混在一块讨论的。我第一步要讲的是把宏观的可逆性与微观的可逆性两者分开。这是什么意思?
举个例子，我手里这个图，每个圆圈是一个飞机场，北京飞机场，我是假定承德在这里，这是从莫斯科飞机场，香港飞机场，东京飞机场。这个箭头是航班，从北京到莫斯科有一个航班，莫斯科到北京也有一个航班。北京到东京一个航班，东京到北京也有一个航班。东京到香港有一个航班，香港到东京也有一个航班。承德是我们假设的一个飞机场，它只有航班到北京，要么飞北京，可以由北京回来。所以假如有一个旅客，他从承德开始，他飞到北京去。到北京玩了几天，上了北京机场，飞到东京。到了东京，又过了几天，飞到纽约，然后飞到巴黎，由巴黎飞回纽约，纽约飞回东京，东京到北京，北京回到承德，飞机是这样回来的。我要假定飞机的对称，跟微观的可逆性是有联系的，宏观是人，它是在旅行的。所以这个就是飞机可逆，从承德到北京有一班，从北京到承德有一班，北京到香港有一班，香港到北京有一班。香港到东京有一班，宏观二个人走，可以走过去，也可以走回来。
假如后来航班还是固定的，可是什么时候飞，哪个能去，这些信息不告诉任何的乘客。那么我就想象他会怎样，看下一个图，它没有符号，但是我们知道这是北京的飞机场，这是承德，这是东京，这个是香港。可是航班还是在这里，北京到东京有一班，东京到北京有一班，北京到香港有二班，香港到北京有一班。但是踏上承德飞机场就可以去北京了，再到北京玩几天，再到北京飞机场，看到飞机起飞，可没人告诉他往哪儿去，他愿意去东京，可能就到纽约去了，再到纽约玩几天，再到香港，他可能一坐坐到巴黎玩几天，宏观他能够回到承德的可能性就非常少，假如说航班还维持，没有机场没有信息，宏观就很难回来。我们的一生有10的29次方、30次方的原子、分子在里面，完全没有标记。虽然在微观可能是可逆的，可是在宏观里面就不可逆，所以我们的年纪在长大，我们年纪长大并不表示我们微观分子原子核子粒子的作用是不可逆的。这个是很重要的一个事情。微观的可逆性就是与CP对称性联系。CP破坏表明时间反演的不对称性。
在宇宙开始大爆炸的时候，CP是对称的。但我们现在宇宙是不对称的；我们的宇宙几乎绝大部分是正物质核子跟电子等做成的，所以我们的宇宙是不对称的，把粒子变成反粒子是不对称的，把左和右也是不对称的，这就是我们为什么存在的必要条件。
假如我放开风筝的绳子，它必然会随着风飘去，一走一夜，当我找出它，无论在哪里，我就会知道，风已经到过那个地方，然后我就可以告诉别人，风去了哪里，可是风从何处来，还是没有人知道。如果时间反映是对的，也许有人会知道，可是这个命题是错的，可能永远没人知道。然后我就讲以下几点，过去与将来，一直到现在。
从过去展望将来
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我们整个自然界有很复杂的概念，它是由一组基础原理操纵的，我们的工作，像我从事物理，就要找这个总机关，我把这总机关找着了，其他就跟着走。这个规律对宇宙重要。我们粗看觉得跟我们没关系，那是因为你没掌握住，待你掌握住了，一切跟着你走，这是20世纪文化发明的秘诀，就是基础。这个规律是整个宇宙都照这样做，显然有重要性。
20世纪的物理发展是简化归纳。什么叫简化归纳，我们是大的，是由小的做的。我把最小的找着，我们就了解了最大的，所以这个很简单。这个方向在19世纪以后，汤姆逊发现电子，罗斯福发现核子，这个里面是一个大发展。一直到现在我们有很精密的仪器——科学设备，有精密的理论一相对、量子力学，这就是创造了整个20世纪物理发展，就是越小越好，大的由小的做的，你把小的找着了，就整个解决了。
在20世纪中叶已经讲生物，生物是宏观的，克里克悬念物理的，他说我们要把生物也同样做，结果他就发现DNA或者就是基因，也就是越小越好，就是现在的生物大成功，也是简化归纳；可是这个方向在21世纪，是另外一个方向。20世纪的，可以说一个经典的方向，不过这个方向非常成功。科学研究要知道一点，他跟浪头一样，一个浪一个浪出去，你不能看人家浪在哪最高，然后你跑过去，跟着人家是另外一个浪头过去了。
这是20世纪；可能20世纪很成功，建立相对论跟量子力学，紧跟着就是20世纪科技文化，原子构造，核能，激光、半导体、超导体，超计算机，然后我们找到所有的核子，介子，实际上我们知道的物质只有12种基本粒子构成，这12种叫夸克和轻子两种。每个六样，夸克分上、下、奇、桀、顶、底，核子也是它做的，中子也是它做的，铀也是它做的，碳也是，这六个是基本。还有六个轻子：电子、μ介子、τ介子、电子中微子、μ中微子、τ中微子，这个时候就组成我们了解的所有粒子，这在20世纪是一个极大极大的贡献。
我认为21世纪有四个大问题，这四个大问题是什么?四个大问题是我们这个三大作用理论的对称问题。刚才讲了很多不对称，理论对称，可是实验结果不对称，显然这个回答可以很简单，把理论物理学都赶掉就完了。显然不这样做不合理。理论对称实验不对称，有密切关系，这是大问题。90％以上的宇宙物质，不是我们的物质，而是不能“发光”的暗物质。在宇宙中我们是少数。现在至少有一百万多个，每一个新星的能量是太阳能量的10的15次方到16次方，一个太阳能量核能跟每个行星差几万倍到10万倍左右。10的15次方，远远超过了太阳能，不是我们知道的能量。
为什么理论对称，实验不对称，为什么一般基本粒子我们单独看不见，为什么绝大部分物质是暗物质，这个我只能告诉诸位，现在还没解出来。
理论对称实验不对称的，它就跟宇宙的开始大爆炸是对称、我们现在宇宙不对称有密切关系，这是第一。基本粒子一般看不见的道理，是我们真空在变，真空把夸克禁闭起来，所以我们要改造真空。暗物质怎么来，我们不知道，我们知道在宇宙大爆炸刚开始时，我们好像很了解它，我们通过重离子对撞制造近宇宙开始大爆炸的情况，看到底什么出来，也看看到底类星体怎么出来。我们基本的方法，就是说在实验室要制造宇宙大爆炸很近的情况，然后看它怎么发展。我先讲一下，对称跟不对称的关系，夸克为什么看不见，基本粒子看不见，然后讲暗物质证明什么，然后类星体的证明是什么，然后再讲我们有什么方法。这是2l世纪的发展。我觉得可能跟20世纪同样有很大的发展，怎么发展?我不知道。我觉得做这个研究很有意思。
现在就开始讲对称跟不对称，为什么要相信对称?我们生活的世界充满着不对称。我先第一步讲，这个道理我觉得是最高的对称性就是最多的不对称可能性。这是第一步要讲的。我现在举个例子，叫弯曲，怎么弯曲?我带了‘根杆子，假如你现在加力在上面，就缩下去，可是力加得突然很快，它就弯了。这个问题早在200多年前就解了，是奥勒解的。他说F等于力，假如F大于一个值的时候，转动惯性与杆的长度有关系的公式，它就弯了。我们不必要证明奥勒的定理，我们看一下，你把这个杆子拿来，只要你看到前面，它前面可能是圆的，也可能是长方的，圆的非常对称，各个方向都一样，长方形它只有两个方向，没有对称性，假如圆的话，我一压，它可以这样弯，也可以这样弯。很清楚，圆的是最对称，可不对称，弯的时候可能性是无穷大，这是很清楚。假如前面是圆的话，力加上面可以这样弯，可以这样弯，它有最多无穷多的不对称弯曲，假如长方形，不太好的长方形，那么我一压，它可以这样，也可以这样，但是这样位置，对称就小了，不对称可能性也少了，就是本来原始长，对称性越大，将来变成不对称可能性也就越多。所以就把对称和不对称联系起来，这是我们要用这个例子说，我们当初宇宙开始大爆炸时绝对对称。因为它绝对对称，所以我们现在说它很不对称。这是第一点。
原子理论是具有最高的对称性的，最高对称性，它比不对称可能性有很多，最高的对称性跟最多的不对称可能性是相联的，长方形没有这么多大的对称性，它的不对称性有两个方向，对称跟不对称在它的应用时表达出来。第二，假如说我们开始绝对对称，现在不对称，怎么能知道本来的情况是对称?这个就比较困难，本来是对称，圆节点，现在不对称，你怎么知道，你切一刀，你怎么切，你怎么能推出来。它是这样的，假如说原来是圆的，它可以这样弯，也可以那样弯，弯度一样的，能量是一样的，是对称的，所以这个位置扳道性是动力点，不需要有什么激发能量，它能动，接受这个观点比较困难一点，这就是我们介绍的周期。
这是一个很重要的观念。通过不同、不对称弯曲的方向，使转动连起来，不需要能量激发，这个叫GOS-TORE。这个弯曲的概念就是物质的真空，在宇宙开始大爆炸时是对称的，我们认为因为物理真空在变，所以现在的生态对CP也好，对C也好，是不对称的，这个不对称的真空也可以把夸克禁锢起来，所以我们进一步要把真空改变。我们是由电子和核子构成的，现在的宇宙是CP不对称，因为这个不对称，我们才存在。只要对称我们就不会存在。假如对称的话，我们是负电子，就是说假如另外一个是反物质；那么这个物质跟反物质消灭掉变成什么样，我们就不可能存在，所以我们说没有反物质在我们旁边，假如有，也在我们实验室很少数的，有控制。我们现在知道在整个宇宙里面，反物质实际上很少很少，丁肇中一直在找，但却没找到。
我们宇宙显然是不对称的，不然我们就不存在。美国的人造卫星，它专门观测大爆炸以后剩下的是什么?这要在宇宙的边境去找；大爆炸剩下的光我们叫黑体放射。很符合普朗克方程式。符合到10的负5次方二位确度。它的温度相当于普朗克方程式是2．725度。这里面黑的是负的10的负4次方绝对温度，黄的是正的10的负4次方绝对温度。所以宇宙的爆炸，本来没有物质，它爆炸变大，波也变长，所以这个温度就降低，到现在就2．725度。抽象地它是均匀地，均向地向各个地方传播。它没有正负物质，是对称的，所以我们认为在宇宙开始时，实际上有能量放大，到我们现在真空不一样，那么真空怎么能变?什么是真空，真空是没有物质的态。
真空是没有物质的态，可是力可以穿过真空。地球跟太阳之间肯定真空，地心吸力显然可以过去，要不地球不会绕着太阳转，星云跟星云之间更是真空，星云之间我们算了，力可以走得过，引力走得过，电弱作用走得过，它不是液态，它是符合相对论性的。真空会因为它有很复杂的构造，有力走得过，虽然没有物质，它可以相变，可以禁闭夸克，可以把CP不首恒。
我们现在研究很大的目标就是要改造真空，在这之前我要介绍一下，除了对称不对称是一个谜，夸克禁闭是一个谜，我再介绍暗物质跟类星体。暗物质证明在哪?星云你看得见，用眼睛看，光也可以见，它的辐射也可以是叩光、X光。星云都有一个范围的，相当于一千光年左右。这个星云有引力在吸，假如它外围在转，转的速度跟吸力是有关的。速度的平方就是吸力，一个星云外面的灰尘也好，一个星也好，它的转动速度，你可以量出它受地心的引力。从测量星系外围的星体转速，我们可以清楚地看到，星体受到的引力比星系可见物质提供的引力大，这表明在星系中有暗物质提供更大的引力。这是暗物质存在的证据。我们不知道暗物质是什么，我现在说有90％以上的物质，有人说99％。我们是绝对少数，我们当然了解它，科学理论更了解你自己的银河星系，大部分物质在哪儿呢?我们研究问题的一个方法就是把大爆炸很近的情况制造出来，看到底怎么回事，这是当代一个大问题。
另外一个问题是类星体与所有星云都一样，其中一个例子是剑桥273。在1961年最早发现了两个类星体。这是其中之一，剑桥273，它的能量相当于太阳能的10的16次方。
我们可以定下它的大小，在地球跟太阳之间，所以很小。它比整个星云里面10的12次方个恒星释放的能量还大了一万多倍。在1982年2月，这一天体能量增加一倍。这是绝对惊人的，你可能觉得不大讲理，突然间增加一倍，折合成太阳能的10的16次方。
再看另外一个类星体，我们叫爱因斯坦十字架。这个类星体离我们80亿光年。在我们近十倍的距离，是另外一个类星体，比中间的星云距离多了十倍，它的光走过中间的星云变弯曲了，所以中间就等于像一个照相机一样。使一个类星体有四个像，这四个像是一个体，爱因斯坦广义相对论，光的吸引力是弯的。那么你从这个问题看出，这个箭头距卫星的距离差10倍，这个光一定会差。这整个星云，这个类星体，我们求得它的大小是比地球到太阳距离几倍，知道它的能量，它这样小的一个类星体，它的能量可以比整个星云小。我们的宇宙是充满了挑战性的陷阱。21世纪的物理发展，是整体统一，把微观的基本粒子跟宏观的真空态一块研究。我们的研究早在21世纪初开始，结果到21世纪中间可能完全变了，我感觉，这个问题存在的，这个问题是基本的，是重要的，是绝对性的。而且假如我们能解，可以把21世纪科学开发整个改变，可能比20世纪19世纪更严，你看这个问题大小就知道，从整个宇宙能量、物质，对称性，基本性。
这里面我们第一步是要发展一些工具，这个工具在物理里面，在20世纪简化归纳，我们一套理论的进步跟精确的实验，这套工具后来影响到生物，所以我觉得在21世纪里面的工具也会影响其他科学。基因是很重要的，DNA很重要的，可生命是宏观的，不能光研究微观，要微观宏观一块研究。这是21世纪，所以整体统一。我觉得21世纪的发展，物理跟生物，跟其他科学要平行发展，为什么呢?因为精密计算、精密测量这套手段跟生物发展不完全一样，它当初的发展就跟物理的简化归纳出来，集中也是要平衡发展的。我们有两套，一套手段就是要高能加速器制造类似大爆炸的宇宙问题。
利用高能加速器，1988年建成正负电子对撞机，也是面向制造和接近大爆炸的环境。第二步我们要改造真空，怎么样可以改造真空，我们用的方法是相对论性的重离子对撞机。全世界有一个加速器叫RHIE，这个对撞机把重核力加速到一千亿电子伏特这样高的能量对撞。根据1974年我跟威克的一个理论，这个装置把两个重核撞到一起，中间很短的时期内真空不一样，接近我们进入宇宙开始大爆炸比较对称的真空，我们要把它抓住，研究它，很快研究它性格怎么样。相对来说，美国花10亿美元刚刚装完了它，去年有资料说明是这样的。
在6月12号开始对撞。每一天有100万次对撞发生，每次对撞有几万个粒子出现。紧紧抓住它们，我们正在研究。要做出一个新的物质态，这个物质态是怎样的?我们正在开始研究。这是现在物理发展的一个重点。现在的RHIC是已建造成同类型加速器中最大的一个。到底结果怎么样？等下一次再向各位报告。
有人讲科学与艺术有什么关系，我觉得很有关系。自然界就是一种艺术，天地的艺术就是物质的道，艺术不论是诗歌、绘画、音乐，是我们用新的办法反映人的炽烈情感。情感越珍贵，唤起越强烈，反响越普遍，优秀的艺术，是跨社会背景、国界和时间的。科学不论天文、物理、生物、化学，它对自然界的现象进行新的准确的抽象，科学家抽象的阐述越简单，应用越广泛，科学创造就越深刻。科学与艺术的共同基础是人类的创造力，它们追求的目标就是真理的普遍性，它们像一枚硬币的两面，是不可分割的。所有的科学艺术之间的关系都是这样的。
这是庄子对宇宙的看法，“北冥有鱼，其名为鲲，化而为鸟，其名为鹏。鹏之大，不知其几千里也，其翼若垂天之云，背负青天，莫之夭阏。”这里鹏的飞就是宇宙开始的大爆炸。象征炎黄文化的过去跟将来。炎黄文化有悠久的历史，就像宇宙开始大爆炸一样，它会永远扩大、发展，永无止境。
(摘自2001年10月31日、11月1日《科技日报》 |
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狗仔卡
发表于 2005-1-13 10:06:55
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这位仁兄违反乐马甲的精神，蛇鬼立见，少乐恨多乐趣
