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李政道:二十一世纪与天文有关的三大问

时间:2010-11-25 09:38:56  来源:  作者:

文/李政道

 

 


  我认为二十一世纪有三个与天文有关的重大科学问题,这情况很像在19世纪末、20世纪初,物理有两个极大的谜。我们不光要看到我们的成功,也还要看到还存在什么大问题。

  第一个大问题:对称的理论基础,不对称的实验结果

  第二个大问题:暗物质

  第三个大问题:类星体

  这三个大问题是我们在21世纪要解决的问题。第一个大问题,虽然没有解决,但我们已有一个很可能的解。而后两大问题,暗物质是什么?为什么类星体有这样高的能量?我们只知道它们存在,可是很不清楚它们的解答。

  为什么理论对称而实验不对称?为什么宇宙开始的大膨胀是对称的,而我们现在的宇宙是不对称的?这两个问题是有密切关系的。我们对于宇宙开始大膨胀时的情况,已经有了相当的了解,但是这了解还需要更进一步。目前很重要的一个实验是想通过重离子对撞制造和宇宙大膨胀时近似的情况,然后跟踪看它是怎样发展,怎样产生物质?追踪有没有一些暗物质、类星体的痕迹和暗示。

  现在的宇宙是不对称的,因此我们才能存在。假如对称的话,物质和反物质同时存在。因为物质和反物质会湮灭而变成能量,我们就不可能存在。我们之所以存在,就是因为没有反物质在我们附近。在实验室里,我们可以用高能加速器制造出极少量的反物质,可是这些反物质都是有控制的。

  我们现在的宇宙显然是不对称的,反物质和物质的存在,是不对称的。但是在宇宙开始时,物质和反物质是对称的。美国的人造卫星COBE专门观测大膨胀以后剩下的是什么样的辐射?其能量是如何分布的?观测的结果显示宇宙大膨胀,最早期没有物质,有辐射。当宇宙膨胀变大,辐射波也变长,温度降低,到现在是绝对温度2.725度,各方向一致,是均匀的,也均匀地向各个方向传播。这说明宇宙在开始时没有正反物质,是对称的。

  除了对称不对称是一个迷,还有两个大迷:暗物质和类星体。宇宙中90%以上的物质,不是我们知道的物质,而是由不能发光也不吸收和发射光的暗物质。构造我们的物质和我们所知道的物质在宇宙中是少数。暗物质存在的证明在哪里?我们看得见星系,可以观察它的光,或者测量它的辐射。每个星系都有一个范围,一般直径相当于几千到几万光年左右。星系外面,很少有物质,偶尔有星,但很少很少,也偶尔有气云、灰尘。这些极少量的物质都被星系的万有引力吸着,所以都在星系外面围绕着星系转,转的速度与引力强度有关。速度的平方正比于引力,一个星系外面的灰尘也好,一个星也好,我们可以测量它的转动速度,然后算出它受到的吸引力。星系发光的范围是看得见的质量范围。在它之外,因为按看得见的质量计算,万有引力应该越来越弱,因而星系外的灰尘,或偶尔存在的星,转的速度应该越远越慢,它们转的速度应随着离星系的距离增加而下降。但实际测到的速度并没有变慢!

  从对星系周围的星的观察可以看到,远处的星转速不下降。所有已知的星系,没有一个例外。我们的银河系内的星系也是这样的。这说明除了看得见的,或者用X光等可以测量到的物质

  之外,还有看不见的物质在吸引着外围的灰尘和星。如此,可以推算出,至少90%以上的物质,我们可以感受到它的引力,但它们不是我们所了解的物质,也不是反物质,而是我们不知道的物质。这是宇宙中的绝大多数物质,而且每个星系都如此,包括我们的银河系。这当然是很惊人的。宇宙中90%以上的物质是暗物质(也可能是95%以上),像我们这样以电子、中子、质子构成的物质是绝对少数。我们当然要了解自己的银河系的大部分物质是什么?我们的一个研究方法是把大膨胀很近似的情况在实验室里制造出来,看看到底怎么回事。

  另外一个大问题是类星体。现在至少已知一百多万个类星体,每一个类星体的能量,约是太阳能量的1千万亿倍到1万万亿倍。太阳的能量来自核能,核能比烧煤得到的能量大几万倍到10万倍左右。类星体的能量远远超过了太阳的能量,不是我们所知道的能量。最早在1961年发现了两个类星体,剑桥273是其中之一,它的能量相当于太阳能量的1万万亿倍。

  我们可以定出剑桥273的大小,它相当小,它的直径相当于地球和太阳之间的距离。可是它的亮度比整个银河系里面所有的1万亿个恒星释放的总能量还大了一万多倍。在1982年2月,有一天剑桥273的能量突然增加一倍,这是绝对惊人的。

  目前,我们知道至少有一百万个以上的类星体。

  我们的宇宙充满了我们不了解的挑战性的大问题!假如我们能够解决这些问题,很可能会把21世纪科学的发展整个改变。其重要性,可能和整个20世纪的科学进展是同一个数量级的。我们目前面对的问题是研究整个宇宙的能量、物质,对称性,是极其基本的问题。我们解决这些问题的第一步是要发展一些新的科技工具,从事新的物理研究。

  目前我们的方法是,一方面用高能加速器制造近似大膨胀的宇宙。另一方向,我们要改造真空。怎样可以改造真空,我们的方法是利用相对论性的重离子对撞机。目前世界上有一台加速器叫RHIC(Relativistic Heavy Ion Collider),即相对论性重离子对撞机。这台对撞机把金的核加速到20万亿电子伏特,以这样高的能量对撞。根据1974年我和威克(Wick)的一个理论,两个高能量重核对撞时,互相穿过去,穿过去后,留下的一小段空间在很短的时期内可以被激发。现在的真空被激发后,可以接近我们宇宙开始大膨胀时比较对称的真空。我们要研究它,把这原始的真空掌握住,研究它的性质。这个对撞机建造在美国布鲁克海文国家实验室,花了约10亿美元,2000年建成。在2000年6月12号开始金核和金核的对撞。每一天约有100万次对撞发生,每次对撞有几万个粒子产生出来。现在正在研究对撞所产生的新的物质态。对于这个物质态的性能,我们正在开始研究。这是现在物理发展的一个重点。

  下面是庄子《逍遥游》中的一段话,代表了庄子对宇宙的看法:

  “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。”

  庄子的观念开始是鱼,后来化而为鸟,与近代进化论很合。鹏之大几千里也,庄子把鹏代表整个宇宙。几千里,对庄子来讲可能就是无穷大。背负青天,莫之夭阏,没有任何力量能抵挡得住。鹏的飞翔象征着宇宙开始时的大膨胀。我们炎黄文化有悠久的历史,就像宇宙开始时的大膨胀一样,它会永远扩大、发展,永无止境。

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