粒子之小和宇宙之大——宏观、微观和宇观，本文主要内容关键词为：微观论文,粒子论文,之大论文,宇宙论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
中图分类号：No2 文献标识码：A 文章编号：1000-0062(2004)02-0001-04
（一）
在21世纪的物理学的晴朗的天空上，正飘浮着一团乌云。
1.物理学是实验的科学。实验的进展不断推动理论的进展，但是，理论又不断为实验的进展指出前进的道路。李政道教授认为如果没有实验物理学者，理论物理学家将在空中飘浮；如果没有理论物理学者，实验物理学者将迷失前进的方向。可是，在工作方法上，实验物理学家和理论物理学家却具有原则性的区别。张文裕教授认为实验物理学家没有修改他测到的任何一个数据的权利；而理论物理学家永远需要不断修改他所塑造的理论模型。
2.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。
3.现在，在21世纪的物理学的晴朗的天空上，正飘浮着一大团乌云。——这就是由于宇宙背景辐射的高精度的观测，从而导致暗能量的发现。
由于微波背影辐射的细致观测（WMAP的精密数据，Supernovae Ia的数据），导致了以下一些惊人的结果：(1)宇宙年龄是137±2亿年；(2)哈勃常数是
公里／秒／Mpc；(3)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
，亦即恰好差不多等同于平直空间所要求的临界密度。
4.何谓暗能量？通常物质（包括暗物质）的特点是：如果状态方程由
所表示，（其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！
5.暗能量的逻辑的后果。爱因斯坦常数Λ≠0。早在20多年以前，陆启铿、郭汉英、邹振隆曾研究过一种典型时空，其特点是：平直时空以外最简单的弯曲时空。这类常曲率时空有三种可能的选择Λ＝＋或0或－（Λ＝0通常的Lorentz时空）。现在观测资料表明Λ＝＋；而如果这一结果“真实”的话，那么，未来的宇宙大测度范围的时空将不再是Lorentz时空，而是de-Sitter时空。
6.de-Sitter时空将导致出现一系列的理论问题：(1)严格的量子场论将不再能以平面波作为展开的“基”，平面波展开只是一种近似；(2)有人说严格的超对称不再存在（？！），那么，超弦是否还是包罗万象的理论(theory of everything)？(3)还有什么新的观测的结果？
7.为什么这是“一团”而不是“一朵”乌云？因为“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！
（二）当代物理学正酝酿第五次大突被
1.物理学又遵循一定的逻辑顺序而发生发展。认识总是由片面到全面，由简单而复杂，由低级而高级。
2.在物理学发展的历史上，曾经历着四次大突破。大约在40年前，也就是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，随之而来的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，科学家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的“标准模型”的建立及其大量的实验的检验。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模型。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？
3.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到微观，由微观而突破到宇观(cosmoscopic scale)的领域。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，出现了一个新的常数，宇宙常数或又称爱因斯坦常数Λ≠0。已经知道，等效的
。这一“不等于0”又十分小的Λ，将使物理学走向何方？现有的理论物理学作出的对Λ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？！或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？！
（三）物理规律的突破总是伴随着实体形态的突破
1.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。宏观高速运动规律的突破，有赖于电场磁场概念的确立和光的本性的阐明。微观低速运动规律的突破有赖于电子的发现和原子模型的确立。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。
就牛顿力学的发现来说，牛顿力学是在惯性座标里写出它的严格的方程式的；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。第谷的观测资料和凯普勒三定律的发现，就为牛顿力学的出现提供了一个实体论的基础。可以说，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，还可能包括由实体论而规律论的部分质变。
2.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？暗能量还有哪些特征或特点？ii)有什么样的理论模型能解释这一新的物质形态？
3.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。在直接测量的方案中，最常用的方案是测量氚核的β衰变谱形。由于氚很难处在纯“核”状态，必定和电子或其他原子组成原子体系或分子体系，而纯原子状态又极易结合成氚分子。利用氚的β谱形直接测量中微子质量的困难，在于和中微子质量相关的尾端部分的谱形要强烈地受到原子结构或分子结构的干扰。理论上可以算出原子结构或分子结构对于谱形的修正，但只有氚原子可以从理论上给出精确的修正的算式，一切复杂的分子，甚至最简单的氚的气体（即为
），都不能给出精确的修正公式。对于分子状态的氚分子，曾经有世界上算氢分子体系算得最精确的Kolos等人做了高精度的计算，并且有许多实验工作者利用他们给出的高精度的计算来分析由氚分子衰变出的β谱形来定出中微子质量。但正如庆承瑞和何祚庥所做的“矩”的分析表明，Kolos等人给出的高精度的计算，仍然不够精确！
解决这一问题的一种可能的途径，是采用氚原子束，测量氚原子束产生的β能谱。但是，氚原子束又存在氚密度太低，统计数据不足的困难。我们曾设想过一种办法是：将氚原子中自旋为1（即不要自旋为零的态）的氚原子放在低温下的强磁场中，（由于它们都是自旋为1，所以不致合并成氚分子状态），这样将能得到氚原子的高密度状态，又能和一定的磁谱仪相联系。也许这一体系能够得较高精度的中微子的质量。但这样实验工作要有两个条件，一是要有长期的经费的支持；二是有人志愿长期地从事这样的基础研究工作。
和中微子质量问题有关的另一类实验是找寻不放中微子的双β衰变。理论分析表明：如果实验上发现了这种“不放中微子”的双β衰变，那么，立即可做出下列两个结论：一是中微子是Majorana中微子；二是中微子质量将不等于0。所以，这也是具有原则性意义的一类实验。现在有迹象表明在公斤级
的核上，观测到不放中微子的双β衰变，但这一实验是否可靠，还需要进一步进行更大规模的实验，才能得出可靠的结论。但是，同样值得重视的是测量
核。理论上比有更大的相空间，是的30多倍，问题是如何能得到公斤级的。我们曾设想使用激光从天然Ca中分离出，也想过设法将Ca合成为金属有机气体化合物，有望在离心机内实现同位素分离。但这同样需要有经费和有人志愿做这种工作。
第三类和中微子重量有关的实验是实现中微子振荡。现在中国科学院高能物理所王贻方等人提出利用大亚湾核电站释放出中微子束做中微子振荡实验，因为这是可实现中微子通量“最强”的核电站，有望做出较好的结果。
4.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。曾经有意大利物理学家和我国学者戴长江研究员提出过用成吨级
晶体，来搜寻理论上可能存在的Neutralino，但这一方法的困难是较难从放射性核所造成的背景中，区分出真实的事例。
为了研究有无冷暗物质，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。
5.现在形势是：暗物质在宇宙构成中，所占的分量变得较小，热暗物质所占分量就更小，研究的中心无疑将逐渐转移到暗能量。至于暗能量，我们还不知道能有什么好的实验方法来推进这方面的研究，这里只能提出这一问题。
（四）怎样构造理论？
1.世界的本原是断续的，还是连续的？在中国古代是元气学说，在西方是古希腊原子学说。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。
2.中国的元气学说始于《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元气所具有“聚则成形，散而为气”的能力。明代人吴承恩用以解释孙悟空的“七十二变”。笔者曾在日本物理学者中讲述过这一元气学说。当笔者说到孙悟空的“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！”
3.元气学说曾传播到西方，曾经影响到著名哲学家和科学家莱布尼茨而演化为场。莱布尼茨认为气，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，它是人们所想象的最稀薄的气体。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，……），如果它们是流动的，那么，还要乘上速度V或
，亦即这一“最稀薄的气体”还要携带动量或能量，也就有：
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。
4.当代物质观认为存在“波粒二象性”，或连续的和不连续的对立的统一。然而，当粒子质量很大时，衰变宽度会变得很大很大，如果衰变宽度大于粒子质量，那么，还有没有“波粒二象性”？
“粒子二象性”的基础是场所构成的平面波，“量子化”后，对应于粒子的平面波所具有的动量P和能量E，就决定了粒子的质量
。离开了“平面波”，就无从定义粒子的质量。“夸克的禁闭”，亦即“夸克”不存在“平面波”的形态，使如何定义夸克的质量成为一个复杂的问题。
如果场体系是高度非线性化的场体系，其平面波的近似其实是“歪曲”，那么，何谓“场的量子化”？
5.一个“波粒二象性”的新观念是，“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！
6.李政道的四朵乌云。李政道曾提出21世纪晴朗的天空上有四朵乌云：(1)夸克为什么会禁闭？（原子中的电子不会掉到原子核中，预示着量子力学存有不确定原理，而夸克的“跑不出来”却预示着“真空”有特殊的性质）；(2)什么是暗物质；(3)什么是类星体、类星体的巨大能量从何而来？(4)何谓真空？真空有什么结构？真空是否蕴藏着巨大的能量，暴胀宇宙论的真空是什么？为什么暴胀后的宇宙的Ω恰好等于1？“四朵乌云”＋“暗能量”，汇集成为物理学晴朗的天空上的大大的“一团乌云”。
7.当代物理学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！
8.建议国家的15-20年的中长期科学技术规划，预留10～15亿人民币为“第5次大突破”作经费上的后盾。
9.要吸取“非典”机遇错失的教训。氢弹研究和层子模型研究的经验证明，科学上的突破有赖于大协作。不要在参加工作的人群中，争一日之短长，而是要发挥集体的力量，至于贡献的大小，总是“是非自有公论，公道自在人心”！希望年轻的同志们不要错失机会！
收稿日期：2003-12-06
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