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    蔡榮根委員談科普——物理學的發展:知道的越多,不知道的更多

    文章來源: 發布時間: 2022-02-11 【字體:      

           全國政協委員,中國科學院院士、中科院理論物理所所長蔡榮根

      我是一名從事理論物理研究(引力理論和宇宙學研究方向)的科研人員,就自己的知識和認識,我感受到物理學的發展,知道的越多,會發現不知道的會更多。

      物理學是一門研究物質相互作用和運動規律的科學,它是一門基礎學科,更是現代科學和技術的基礎。我們周圍的客觀世界,小到組成質子、中子的夸克,大到整個宇宙都是由物質構成的。這注定以揭示物質基本結構、相互作用以及運動規律為己任的物理學對人類理解自然的奧秘,推動經濟社會發展會起到極其重要的作用。

      三次工業革命的歷史充分地反映了這一點。

      17世紀和18世紀牛頓力學體系和熱力學理論的建立催生了以蒸汽機的利用為代表的第一次工業革命;19世紀麥克斯韋電磁場理論的建立催生了以電氣使用為代表的第二次工業革命;而20世紀初建立的相對論和量子力學則催生了以原子能和信息技術的使用為代表的第三次工業革命。

      這三次工業革命的共同特點是首先在揭示客觀世界的基本規律上取得了突破,而后導致了技術的創新和突破,從而極大地改變了人們的生產和生活方式。

      到19世紀末,以經典力學、熱力學、電磁學和光學為代表的經典物理學已趨完備。所以英國著名物理學家威廉·湯姆孫在英國皇家學會1900年的新年演講中充滿激情地說道:物理學的大廈已基本建成,以后的物理學家只能做些修修補補的事了。

      但是物理學晴朗的天空中還飄著兩片烏云,一片是所謂的黑體輻射的“紫外災難”,另一片是邁克耳遜-莫雷實驗預示的“以太說”的破滅。正是這兩片烏云導致了20世紀物理學的蓬勃發展。黑體輻射的“紫外災難”導致了量子論,而“以太說”的破滅導致了相對論。這二者被稱為20世紀物理學的兩大成就,也是現代物理學的兩大支柱。

      基于量子論和相對論,物理學本身在20世紀得到了極大的發展,也推動了其他學科和技術的發展。從而20世紀被稱為物理學的世紀。

      除了相對論和量子論,20世紀物理學還有許多重要的進展和成就。譬如,1915年,愛因斯坦提出了廣義相對論,顛覆了人們對牛頓萬有引力定律的認知,這是對引力本質認識的質的飛越。廣義相對論的兩大預言:引力波和黑洞,最近也被實驗觀測到和證實,二者都獲得了諾貝爾物理學獎。

      另外,人們建立了兩個標準模型:一個是描述物質微觀結構的粒子物理標準模型。隨著粒子物理標準模型的最后一個粒子(希格斯粒子,也被稱為“上帝粒子”)于2012年在歐洲大型強子對撞機上被發現,粒子物理標準模型取得了極大的成功。另一個是基于愛因斯坦的廣義相對論和量子場論建立的描述宇宙演化的宇宙學標準模型?,F代天文學觀測與宇宙學標準模型預言基本一致,人們可以基本理解從宇宙大爆炸到現在138億年的宇宙歷史演化。

      經過20世紀及本世紀二十余年的物理學的蓬勃發展,物理學的大廈是否已經完成?非常遺憾,這個答案是否定的——我們知道的越多,我們不知道的更多。物理學向更深的層次,更復雜的體系,以及更廣的尺度演進,向我們展現了更多的未知世界。

      現在觀測到的暗物質和中微子質量的存在,預示著粒子物理標準模型是不完備的。

      2021年謬子反常磁矩的精確測量顯示實驗與理論預期存在超過四個標準偏差。這顯示存在超越粒子物理標準模型的新物理。但是新物理在哪里?它是什么?我們還一無所知。

      暗物質是超出粒子物理標準模型的新粒子,還是一些宏觀物體譬如宇宙早期形成的原初黑洞?人們還沒有答案。

      中微子的質量起源?我們也不知道。

      宇宙學標準模型盡管與天文觀測基本一致,但是粒子物理標準模型描述的物質只占宇宙成分的5%,除了占28%的不知道的暗物質,還有占更多成分、達到67%的暗能量,我們也不清楚它的本質。

      另外,作為宇宙學標準模型的重要部分,我們的宇宙在極早期(宇宙誕生后10^(-32)秒左右)經歷了一個極短時間的加速膨脹過程(被稱為暴脹過程),但是什么驅動了宇宙早期暴脹?我們也不知道。

      特別需要強調的是,近年隨著天文觀測精度的提高,人們發現高紅移宇宙學觀測測得的宇宙膨脹速度與鄰近宇宙測量得到的膨脹速度超過了四個標準偏差。這個嚴厲的問題被稱為“哈勃常數危機”。這預示著宇宙學標準模型需要修改,還是存在某些測量誤差人們還沒有理解?這樣的“危機”也可能預示著新的物理學突破的機會。

      當然物理學還存在其他許多重要的問題。例如,黑洞已經被觀測到了,但是黑洞的內部結構如何?黑洞的本質是什么?是否存在一個自洽的量子引力理論?所有相互作用可以被納入一個統一的框架嗎?量子信息與時空的起源有本質關系嗎?等等都有待于人們去探索、去回答。

      暗物質和暗能量被稱為21世紀物理學天空上的兩片烏云。人們相信,這些問題的解決也會導致物理學的新革命并進而催生新的技術。

    文章來源:《人民政協報》2022年2月10日第7版--委員“大咖”帶領我們邂逅神秘宇宙世界

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