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李政道:从能量的来源谈基础科学和培养人才

2013/3/21 来源:互联网 关键词:名人演讲 31会议网 李政道

  今天我想跟各位谈一谈从能量的来源看基础科学和培养人才。我想讲两个题目。一个是20世纪初的大问题,就是太阳能的来源。第二个是21世纪初的大问题,暗能量的来源。暗能量占据了全宇宙总能量的70%。我先讲一下太阳能之谜的解。

  六十四年前,1942年12月2日,费米成功地在芝加哥大学橄榄球场的地下室建立了一个链式的核反应堆。在费米的领导下,实现了人类第一个可以控制的核反应堆的运转。这标志着人类第一次能够产生不是从太阳能出来的能量。在此之前,地球上所有的能量,包括石油、煤和其他的化学能量都是从太阳能造出来的。可是核能不一样。实际上是核能产生了太阳能,而并不是太阳能产生了核能。可是我们要问:费米和他同时代的物理学家,怎么会了解太阳能是核能呢?这个观念从哪儿出来的呢?这是我想和各位讨论的第一个问题。

  要研究太阳能怎么出来,光向太阳看是没用的。太阳发光、发热,要研究太阳能,必须先要了解光能跟热能的基础科学规律。那么我们现在就分析一下。

  光能跟热能怎么开始的一个重要的发现。1887年迈克尔逊和莫利要测量光的速度。当然他们测量光速是在地球面上测量的,可是地球有自转。他们的测量发现,光的速度跟地球自转的速度和方向没有关系。就是说光的速度是绝对的。这是很惊人的。热呢?我们知道随便什么物质只要有热、有温度,就要发光。它的发光,光能有个分布的。可是在经典物理学上不能解释温度跟发光的光能的分布。所以1900年普朗克提出了“普朗克方程式”,它给出黑体温度跟发光的光能关系,很精密的,跟实验结果一样。这就是“量子假设”的开始。1904年洛伦兹创立了“洛伦兹坐标变化公式”,建立了光的传播方式基础,解释了光速为什么是绝对性的。1904年以后步子就走得很快了。从1905年到1925年这20年之内,在光能和热能的基础研究下,产生了狭义相对论和量子力学,在我们20世纪的科技文化中,很大部分的文化,像原子构造、分子结构、激光、半导体、超导、超级计算机、网络、太阳能的本质、核反应堆等等,都是建筑在量子力学和狭义相对论的基础上的;没有狭义相对论、没有量子力学就没有这些20世纪的科学文明。我们现在就接着讨论一下狭义相对论和量子力学产生的历史,是什么时候有大进步、是谁做的、是在什么年龄做的。

    1905年爱因斯坦25岁,创立狭义相对论;1913年尼尔斯 玻尔27岁,建立量子论;1925到1926年间薛定谔38岁,海森堡24岁,创立了量子力学的Formality;费米25岁、泡利25岁,建立了量子统计学。所以很清楚,要创新,必须要青出于蓝的、优秀的、有志的青年!紧跟着就是1928年迪拉克把狭义相对论跟量子力学联系起来,那时他只有25岁。他写下了迪拉克方程式,建立了相对论性的量子力学。1935年汤川秀树创建了介子理论,是为核的力的基础理论。由于有这样一组从马克斯莫利开始对于光的基础的性质,跟普朗克对于热的基础性质这样辗转才一直引导到1942年费米可以在41岁时做出核反应堆。了解太阳能的来源,人类才开始产生不是来源自太阳能的能量。所以这是有一个历史经过的,而它是由光和热的基础规律才引导到太阳能是这么出来的,然后人可以不依靠太阳自己可以做。

  然后我们再看一下,在1920年代量子力学产生的时候有哪几个最重要的物理中心,而它们的组织是什么样的。那时有三个重要的物理中心:一个是在哥本哈根,丹麦。它的科学领导就是尼尔斯玻尔。一个是在哥廷根,德国。它的领导是麦克斯玻恩。一个是在剑桥,英国。它的领导是卢瑟福。这三个中心都是不大的,是小而精。所以“小而精的机构”是很重要的。而那时的科学领导,玻尔当然在早期就有他的“量子解释”,可是在做领导的20年代他还是很积极的在研究——哥本哈根的领导尼尔斯 玻尔他那个时候自己还是在做研究;哥廷根的麦克斯 玻恩也是,剑桥的卢瑟福也是。所以,需要小而精的物理中心,而科学领导本人都是积极投入研究的。

  现在我们来总结一下。如何培养最顶尖的基础科学青年人才——我这里讲的培养人才,是指最顶尖的人才——第一,要营造环境。是需要“小而精的研究中心”,教授和领导都还是在积极参加研究工作的。要认识方向,老师跟学生每星期应该有一对一的教导工作时间。要紧抓时间,紧抓机遇,要了解什么是大方向。要参加国际科学会议,要参加国际的竞争。那么,我们需要政府和政策的支持。

  我这里再把“一对一的”解释一下。当1946年,60年前我离开昆明西南联大,九月到美国入芝加哥大学,读博士学位。我的导师是费米教授。那个时候费米教授他每星期至少一个下午或者一个上午,有半天跟我两个人“一对一”的讨论物理。我们讨论的物理中,从天体物理、粒子物理、核子物理、分子物理、原子物理到固体、流体、气体,凡是有基础性的问题,没有一个不深入分析讨论的,使得我终身受益。所以这个“一对一的”对培养最顶尖的人才是很需要的。1954年费米教授故世。我现在就拿1946年到1956年——46年我到芝加哥大学时只有一位得诺贝尔奖的,就是费米教授——可就46到56十年,在芝加哥大学物理系工作过的,或者学习过的老师和学生,后来得诺贝尔奖的一共有11位(名单各位讲稿上有)。1953年我到哥伦比亚大学任教(我现在还是哥伦比亚大学教授),在同一个时代跟芝加哥大学比一下(也拿1946到1956那个十年),1946的时候在芝加哥大学物理系就是费米教授得诺贝尔奖的,在哥伦比亚大学物理系也只有一位,是拉比教授。可是46到56十年,在哥伦比亚大学物理系工作过的、学习过的师生,后来得诺贝尔奖的有25人。所以没有问题,你把这些加起来的话,就是说20年代中期大多数加起来(里面重复的大概有三位)就有30位了。所以这充分表示出“少而精的研究中心”和师生间“一对一的”教导,对于培养最顶尖的技术科学人员是必要的。[总结从略]可是大规模训练科学人才,这个也需要。“顶尖”和“一般性”都是需要的。可要“顶尖”的话,这些条件我相信是很必要的。

  底下我再讲第二个问题。20世纪初的大问题是太阳能的来源,我们现在很清楚它是怎么解的,是由很大的从最基本的着手,一手一手半世纪以后就把它解掉了。现在我们面前是什么大问题呢?面前的大问题是“暗能量”。暗能量占据了全宇宙总能量的70%。让我再解释一下。这是中国澳门的邮票(出示样本),最近出的。它表示的是已知宇宙的能量有5%。这是什么意思呢?它指的是当今物理学和天文学最大的一个谜,是什么呢,就是我们这样的物质,仅仅占据全宇宙能量的极少数。我们了解的能量,也只占据全宇宙的极少数。那我们了解的物质和了解的能量是多少呢?我们了解的就是我们宇宙里面有跟我们这样的10的11次方的星系,每一个星系基本上跟我们所在的星系差不多大小。每一个星系里差不多有10的11次方的太阳。就是说我们了解的物质构成的宇宙,有差不多10的22次方个太阳。你把这10的22次方个太阳——不光是它的发光了,把全部的质量能量都包括在里面,就占据全宇宙能量的5%。那其他95%是什么呢?25%是“暗物质”,70%是“暗能量”!“暗物质”跟“暗能量”的存在,是向全世界年轻的科学家提出了新的、大的挑战!

  我现在解释一下“我们这样的物质”。我们这样的物质是“电子”、“质子”、“中子”和很少数的“正电子”、“反质子”、“反中子”构成的。从引力场我们知道有“暗物质”的存在,可是“暗物质”不是“我们这样的物质”。为什么呢?“暗物质”没有电磁作用力。“暗物质”没有强作用,这是从引力场我们可以知道的。可是从引力场我们可以求出来,“暗物质”的能量比“我们这样的物质”和“反物质”总加起来的能量大了至少5倍!“暗物质”是什么?我们不知道!存在,是没有问题的。“暗能量”更奇怪!“暗能量”是一种“负的压力”——我等会再解释一下——在我们这样的物质里面,在核能比方说,裂变或者聚变,它在反应中,反应前后的物质的质量改变得很少很少,可这很小的物质质量的改变,就用了爱因斯坦的 E=mc2,E(能量)是很大,就出了很大的“核能”,裂变的也好、聚变的也好。可是“暗能量”是可以全部质量都化作能量的!那我们怎么知道“暗能量”存在呢?因为通过“哈勃”太空望远镜,我们知道我们的宇宙是在膨胀;它不光是在膨胀,它是在“加速地”膨胀。这个“加速地”就表示有“负的压力”在把它“拉开来”。所以从宇宙膨胀的加速度,我们可以推出来“暗能量”有多少——“暗能量”比我们这一类物质跟反物质的能量至少大14倍!“暗能量”是什么?我们不知道!

  所以这是一个很大的挑战。

  这是两年前我的一个试探(示意),《“暗能量”可能的来源》。我的观念是“天外有天”。什么叫“天外有天”呢?就是说假如我们的宇宙在膨胀,而且以加速度在膨胀,那“外面”是什么呢?很可能在“我们的宇宙”以外,还有很多很多其他的宇宙。这是另外一篇(示意),是最近的,也是一些探讨。[英语从略]是去年美国物理学会认为物理界最大的发现,是高能核物理发现的一个新的构造。这篇文章也试探解释:也许这个“新发现”跟“暗能量”是有关系的。我的观念叫“核”“天”相连。就是说很可能我们发现核能里面一个新的course,可能跟“暗能量”有关系。当然这是我的猜想,还没有证明的啊。这只是试探试探的啊——假如核能可以跟“暗能量”联系起来的话,那么将来可以通过核能我们可以了解“暗能量”的性质。不管怎么样,要了解“暗物质”、了解“暗能量”,是人类在21世纪的科学的大挑战,就像20世纪初的大挑战是太阳能的来源——我们知道“暗能量”的存在,知道“暗物质”的存在,我们必须面向这个挑战。我相信我们会胜利的。

  实际上,了解了宇宙能量的来源,了解了宇宙能量的科学规律,并不等于造福人类。看你怎么用它。这上面必须要有明智的政治家,必须要有明智的社会科学家,必须他们具备科学发展的观点,只有这样我们才能够达到真正的人类的和谐,并取得可以维持、延续的良好发展。谢谢大家。

 

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