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何祚庥解析“物理学理论面临第五次突破”http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2004-03-26
四次大突破重构物理学理论 暗物质、暗能量还没有定论 能否出现物理学理论的第五次突破 文/中国科学院 中国工程院 院士 何祚庥 宇宙的组成是什么?在宇宙中，除了人们常见的各种发光的星球，星系，星系团、类星体，……等等发光天体，是否还存在着不发光的天体，或不发光的物质？ 在宇宙中是否还存在不发光物质，不发光的天体？这似乎是不成问题的问题。例如，在太阳的周围有九大行星，有月亮这类的卫星。这些行星或卫星自身并不会发光，它们仅能反射光。既然在太阳系里存在着这种仅能反射光但不发光的物质，理所当然地也能希望这种形态的物质也能在其它星系中存在。 更受到广泛关注的或更为重要的问题是，宇宙中是否除质子、中子，电子等“会”发光的物质以外，还存在着在原则上就不会发光的物质，或者说，它们自身不仅不能发光，而且也不会反射、折散或散射光，亦即对各种波长的光，它们都是百分之百的透明体！在宇宙中是否存在占95%以上的暗物质和暗能量亦即透明物质的问题，这是当前宇宙论研究中一个重大的热点。 何谓暗物质和暗能量？ 暗物质和暗能量概念的提出，首先是因为在天文观测中发现一系列和引力相关的物理效应，只能用引入存在着绝对透明的物质的观念才能加以解释。当前要探讨或解决的首要问题，“何谓暗能量”？这里要研究的问题是：i)观测或实验上能否进一步确认暗能量的存在？暗能量还有那些特征或特点？ii)有什么样的理论模型能解释这一新的物质形态？其实，在宇宙学的领域，直到现在也还没有解决“何谓暗物质”？ 暗物质有两种形式：一是热暗物质；二是冷暗物质。热暗物质的最佳候选者是中微子。但中微子构成暗物质的前提，是三种中微子之中，至少有某一种中微子具有静止质量。近20多年来，有许多直接测量或间接测量中微子质量的方案。 至于冷暗物质，一般公认为带有超对称性质的中性重粒子，Neutralino是最佳候选者。在中国，现在高能所正和丁肇中实验组合作搜寻Neutralino的带电的伙伴Chargino。如果能够找到，这当然是高能粒子物理的重大事件，对于人们用“超对称”中性粒子解释冷暗物质的假说，是一个有力的支持。 至于暗能量却是近几年来由于微波背景辐射的细致观测(WMAP的精密数据,Supernovae Ia的数据)，导致了以下一些惊人的结果：a)宇宙年龄是137±2亿年；b)哈勃常数是0.71±公里/秒/Mpc;c)宇宙呈现以下结构，宇宙总质量(100%)≌重子+轻子(4.4%)+热暗物质(≤2%)+冷暗物质(≈20%)+暗能量(73%)，而总密度Ω0=1.02±0.02，亦即恰好差不多等同于平直空间所要求的临界密度。 暗能量将具有一些前所未发现的一些新的性质，通常物质(包括暗物质)的特点是：如果状态方程由P=Wρn所表示，(其中P是压力，ρ是密度，W是某一常数，n是某一数值)，那么对普通物质恒有W≥0，而暗能量的状态方程却是W=-1。W=-1，意味着压力P是负值，而在通常的状态方程中，压力P是正值。过去，物质的密度越大，压力P越大，而现在压力P却“负”得越大！ 请问这是什么样的物质？为什么会出现这样的物质？总之，一种新的尚没有为人们所能理解的物质形态出现了！这种新的物质形态的出现，必将导致物理学理论的新的大突破。 物理学理论四次大突破 从19世纪到20世纪，在物理学晴朗的天空上，曾经飘浮着两朵乌云。一个是迈克尔森—莫雷实验；另一个是黑体辐射能谱。前者导致狭义相对论的建立；后者导致量子力学的诞生。现在由于“暗能量”的出现，所提示出的实验和理论的矛盾，是如此的明显，每一位物理学者只要往“天空”上一看，就能看到这里有“一大团”乌云的存在！“黑云压城城欲摧”，“山雨欲来风满楼”！这就是21世纪物理学所面临的形势，面临的最为严重的挑战！ 在物理学发展的历史上，曾经经历着四次大突破。大约早在40年前，也就是约在1964—1965年间，中国的物理学家们曾经分析过物理学发展的历程：第一次是宏观低速运动领域的大突破，这集中表现为牛顿力学以及在牛顿力学基础上所建立的各种应用科学；第二次是在宏观高速领域内的大突破，这就是法拉第和麦克斯书的电磁方程式以及狭义相对论的建立，随之而来是电和光的现象在技术上的广泛应用；第三次是在微观低速领域内的大突破，这就是量子力学的建立，伴随而来的是原子物理、分子物理、固体物理、各种凝聚态物理、原子核物理等领域的建立，原子能、半导体、电脑技术的出现和它们的广泛应用。 40年前，中国的一些科学人员曾指出，接下来将出现在微观高速领域内的大突破。现在看来，40年前这一分析已为科学实验所证实。这就是夸克或轻子的概念确立以来，在粒子物理领域内的“标准模型”的建立及其大量的实验的检验。1965至1966年间，中国的理论物理工作者曾经在毛泽东主席所提出的“粒子也是可分的”哲学思想指导之下，建立一个能解释当时数达200多个粒子及其相互作用的“层子模型”，而在国外却平行地发展着同样的理论，“夸克模型”。继“层子”或又名“夸克”的概念的确立，又相继提出被称为“标准模型”的量子色动力学和弱电统一理论。实验表明，标准模型是经由大量科学实验检验并表明为正确的理论。到现在为止，一切对标准模型作修改尝试，还都是不成功的尝试。当然，第四次大突破的进程还没有结束。例如，有没有Higgs粒子？有没有超对称粒子？……。现时还不很清楚第四次大突破会给人类带来什么？ 新的“一团乌云”表明，物理学理论即将面临第五次大突破。这一突破的特征，是由宏观而微观，由微观而突破到宇观(cosmoscopic scale)的领域。 “一团乌云”意味着新的突破 宇观的观念首先是戴文赛院士在学习自然辩证法理论时提出来的一个新概念。自戴文赛院士提出这一观念后，科学界一直未予以认同。理由是，看不出宇观领域内的规律和宏观领域内的规律有什么质上的区别。仅仅是尺度大到“宇宙”的规模，并不构成“物理”规律上有什么新的特点。现在却出现了新的形势。 这一形势的特点是：在宇宙的范围内，出现了一个新的常数，宇宙常数或又称爱因斯坦常数∧≠0。已经知道，等效的∧eff对应于ρ∧∽10-47Gev4。这一“不等于0”又十分小的∧，将使物理学走向何方？现有的理论物理学作出的对∧估计要比现有观测值至少大58—120个量级，这成为最不可思议的谜。那么这是否意味着新物理的显现？！这是物理学将再一次突破宇观低速运动的领域，还是将一直通向宇观高速运动的领域？！ 历史经验表明：物理规律的突破总是伴随着实体形态的突破而突破的。举一个例子，宏观低速运动规律的突破，是伴随着行星绕太阳模型的发现，从而建立牛顿三大定律的。就拿牛顿力学的发现来说，牛顿力学要在惯性座标里写出它的严格的方程式。然而在地球上却很难去掉“磨擦”的干扰，找到某种接近于客观实际的惯性座标。第谷的观测资料和行星绕太阳的凯普勒三定律的发现，就为牛顿力学的出现提供了一个运动着的“实体”。 至于微观高速运动规律的突破，如弱电统一理论的建立，量子色动力学的建立，等等，又和夸克或层子观念的确立，轻子以及一系规范粒子观念的确立分不开的。 可以说，物理学的基本规律的确立，总是经由“现象论而实体论而规律论”，这样的发展的“三阶段”。虽然从马克思主义认识论看来，认识总是由现象而本质，由经验而上升为理论。但是，物理规律的阐明却往往要多出一个实体论的阶段，因为实体往往隐藏在现象之中，需要特别加以注意，才能发掘出运动中的物质，或运动着的载体是什么。 在物理学的研究中这一认识论的规律，具有一定的普遍性。物理学研究过程中“三个阶段”，是马克思主义认识论的一个发展，亦即在感性认识上升到理性认识的根本质变的过程中，还可能包括有，由实体论而规律论的部分质变。 新的理论观念值得关注 物理学是在理论和实验的交错中发展着的。所以，人们在用实验或观测研究暗物质和暗能量的同进，还要不断完善着新的理论理念。 世界的本原是断续的，还是连续的？ 在西方是古希腊原子学说，在中国古代是元气学说。古希腊原子学说在哲学史上有崇高的地位，因为德谟克里特的原子论确实对道尔顿原子学说起了影响。中国的元气学始于《管子.内业》篇，成熟于北宋的张载和南宋的朱熹。明末清初的王夫之做了详尽的阐述。文天祥的《正气歌》中，有这样的词句：“天地有正气，杂然赋流形，下则为河岳，上则为日星，于人曰浩然，沛乎塞苍溟”，即是元气学说的扼要的叙述。元气学说的基本原理是连续形态的元气具有“聚则成形，散而为气”的能力。明人吴承恩用以解释孙悟空的“七十二变”。何祚庥曾在日本物理学者中讲述过这一元气学说。当何祚庥说到孙悟空的“七十二变”时，立刻就有日本物理学家问：“为什么Monkey可以有72变，而Pig却只有36变！” 元气学说曾传播到西方，曾经由著名哲学家和科学家莱布尼茨而演化为场。莱布尼茨说，“气，在我们这里又称为以太”，“因为物质最初完全是流动的，毫无硬度，无间断，无终止，不能分为部分，它是人们所想像的最稀薄的气体”。 何谓“流动的”，何谓“无硬度”、“无间断”，不能“分为部分”，……。用近代术语来表达那就是ρ(密度)dV(体积的微分,亦dxdydz,……)，这种不能“分为部分”的ρdV，其实是莱布尼茨的单子(Monad)！莱布尼茨是单子论的创始人，也是微积分的创始人，所以，也当然是科学的连续介质概念或场的概念的奠基者。 当代非线性场论的研究中有一个新观念就十分近似于，“聚则成形，散而为气”。典型的例子是“固子”(Soliton)。但是，固子只局限于一维空间有严格的定义。更为典型的例子是t’Hooft的磁单极解。 这样的“聚则成形”学说，能解释孙悟空的“七十二变”和猪八戒的“三十六变”吗？当然，这样的“聚则成形”的学说，不仅要解释“72变”和“36变”，还要解释为什么唐三藏只有一种形态却不会变化！ 当代物理学正出现天体物理和粒子物理的新的合流。加速器物理和非加速器物理的合流。当代物理学需要新的物理观念，更需要新的物理的实验。 所以，21世纪仍然是物理学的世纪！（新浪）
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