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1万亿年之后地球会怎样发展?物理学诺奖得主David如是说...

时间:2018-08-13 来源:互联网 作者: 标签:物理学   诺贝尔奖   

近日,世界科技创新论坛在北京会议中心举办,包括Kip Thorne、Thomas J.Sargent、Michael Levitt、朱棣文在内的20余位诺贝尔奖获得者,以及中科院院士曹春晓、美国国家工程院院士陈刚等诸多中外顶级学者专家应邀出席,共同打造史无前例的中国最高级别智慧盛宴,探讨全球科技创新成果、描绘未来中国科技创新蓝图。

David Gross教授一直是立足物理学和弦理论的领导者,他和他的学生维尔切发现了渐近自由,一种测量理论,导致了David Gross和维尔切的QCD的形成。这是属于原子核的强作用理论。QCD完成了标准模型,统一了粒子物理三种基本作用力,电磁力、弱力和强强作用,因此David Gross教授跟波利特和维尔切教授一起分享了2014年诺贝尔诺贝尔物理奖。另外David Gross教授也对弦理论、超弦理论获得了开创性的贡献,他也获得了很多的奖项,在2014年诺贝尔物理奖,以及联合研究所的荣誉奖章。另外他还拥有美国、英国等等大学的,包括中国的荣誉博士学位。另外还拥有美国、英国等等大学的荣誉博士学位。

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以下是演讲全文:

我非常高兴来到这里,并且在听两位优秀的专家进行了精彩的演讲之后,上台为大家进行介绍。刚才我们已经讲到了基本粒子的理论,还有分子的理论。那我的研究和他们的内容有一些重叠,但是我这边主要专注的是基础粒子的理论,特别是物理学的前沿研究。

那我们说物理学有很多前沿,我会和大家进行分享。其实,如果我们回顾过去的50年,我们所学到的新的知识和发现,你就会发现非常的震惊,科学的发展日新月异,而且我们对科学的理解也越来越深入。如果我们回望过去50年的话,你会发现我们完成了对于所有的物质,以及我们能够直接观察到的这些物质,还有它们之间互动力量的最基本的元素,都有了全新的了解和发现。

同时,我们也把整个宇宙进行了成功的映射,也对过去135亿年的宇宙历史进行了重建。而且对于我们周围一般物质的物理学,我们现在已经是了解了这些物质,能够控制这些物质,而且能够达到原子的一个尺度,甚至纳米的尺度。但是,我想说科学还有知识的最大的成果就是无知,无知是什么意思呢?这里面就表示,我们因为有了前面了解的知识才能够问出一些新的问题。而这些问题现在可以提出,并且进行解决,甚至有可能通过我们的观察,通过我们的实践和理论来进行回答,这就是我说的科学前沿,也就是我们现在所布置的,还有我们现在所提出的问题。

好,我们从最初开始,这是一张图,给大家展示知识,实际上是在无知的海洋中不断的扩散,我们讲的物理学前沿就是这个知识图的边界,和所有我们不知道的世界的交界。物理学的前沿有非常多的领域,我会讨论其中的一部分。首先是有宇宙学,刚才介绍到宇宙的演变,同时我们也有黑洞,也有所谓的行星,现在我们可以直接观察到黑洞,并且学习研究理论,了解黑洞的特性。而在一般的物质方面,我们可以有量子级的物质,我们能够了解它们的分子结构以及它们的核结构,这里面从纳米级别或者是到现在在LC研究的次纳米级别,而且我们可以进到最短的距离,也就是理论家可以预测整个时空的特点,以及所有力量的来源。物质的组成,这就是我们说的10的负35米的尺度。所以,我说的物理学的前沿包括刚才讲的所有的课题。那它们之间也有一些直接和间接的联系。

先来看一下宇宙的初始,宇宙的起源。前面Arthur McDonald解释到现在我们已经了解到宇宙整个的演变进程,我们说在300亿年前,发生了一件事情,这些事情其实我们并不一定真正了解。我们认为在宇宙的开始后的很短时间里,宇宙快速的膨胀。膨胀时期过后宇宙就进入到一个稳定的膨胀期,前面是快速膨胀期,现在的膨胀就比较稳定了。这给大家看的是在宇宙诞生30万年之后的一个期间,你可以看到这上面有很多巨量的热气,当然有一些更热的团区或者是更冷的团区。天文学家和天体物理学一直都在测量宇宙早期的光线的特性和辐射状况,这样才能让我们更好的了解宇宙的初期。而因为地心引力,我们看到有些气体就形成了恒星和行星,多数的物质我们都认为是暗物质, McDonald教授前面也给大家解释了,我们现在还在探索它具体的特性有哪些。但是天文学家已经向我们展示了,有这样一个假设前提,那就是暗物质它们实际上是属于重物质,它们能够在宇宙早期就存在,并且一直伴随宇宙不断地演变、成长。最后,我们可以看到暗物质集合在一起,看起来和我们在宇宙直接观察到的一模一样。所以我们通过这些观察就能够了解星系,恒星结构的发展过程,同时我们也可以对未来进行推断。采用的方法就是测量,宇宙的加速测量。

而这样的测量可以告诉我们未来。比如说1000亿年、1万亿年之后,地球会如何发展,还有宇宙会如何发展。但是最开始的时候所有的方程式,包括万有引力和物质的理论都不成立了,我们就把它称作为大爆炸,因为我们根本不知道发生了什么事情。而这样的一个现象也是我们物理学最基本,也是最激动人心的挑战。我们一直都在试图回答什么是大爆炸,所以这是我们说的第一个物理学的前沿,宇宙如何开始。

其实很了不起的就是我们能问这个问题,而且试图回答。如果大家今天早上听了Aaron教授的演讲,他们说了lago的成功,他能监测到宇宙非常早期的引力波,所以我们是有机会能够探测宇宙的早期情况,并且通过观察直接学习大家大爆炸是什么样的现象。但是要回答宇宙早期的状况的问题,它怎么开始,以及何时开始,这也是物理学家以前没有涉及到的问题。使得这个问题变得特别有挑战,因为我们都不清楚是否能回答这两个问题,但是我的经验告诉我,一旦一个问题成为科学问题,并且可以通过测量、通过观察,还有理论建模学习来进行解决的话,我们是能够找到这个问题的答案的。这个问题非常的艰巨,到底宇宙大爆炸之前发生了什么?宇宙开始是没有时间的吗?或者说宇宙是周期性的,要进行收缩或者是膨胀,这些都是不同的问题。

然后我们要回答的问题就是宇宙的组成,Arthur McDonald已经给大家很多的证据,因为天文学家已经进行了很多间接的测量,测量的对象就是恒星行星的运动,星系的运动,还有物质的运动。通过测量发现这些宇宙中我们没有直接观察,或者直接快速生成的物质,我们都不知道这些物质是什么。这些物质很有可能是硬粒子或重粒子,和其他的恒星进行弱互动,但是我们现在对它们一无所知,因为我们没办法直接观察或者直接生成。

能源又是另外一个主题,它实际上是属于爱因斯坦的万有引力的定律,也就是说有一个真空,说不定实际上是有一个能量和压力,就好像有一个材料把这样一个真空给充满,而充满真空的材料,并且赋予力量和压力的材料,必须要是一个非常奇怪的一种物质。为什么这么说呢?因为它们要看起来对所有的观察原来就是一样的,爱因斯坦理论的关键就是任何的观察与看到的都是一样的,没有一个观察员是有优势的。但是这个真空到底是不是有质量或者物质的,也就是说它具体这个暗物质,或者是真空它的能量取决于观察员,那我是一个质量,我的能量就是MC平方,但是如果我动,你就会发现我的能量又会加强。这时候有一个优势性的框架,除非你的真空有流体,它有正能量也有负能量。这就是能量和压力的框架,也就是爱因斯坦的理论所提到的,曾经他在自己的方程当中也提到过这一点。但是这种能量是有的,有的人是暗能量,听起来很神秘,它并不是能量,而是负压力,是因为有负压力才导致宇宙的膨胀。当天文学家测量宇宙的膨胀的时候,很自然会觉得是因为这种压力的真空而导致的,然后又进行了一些实验来测量。因为要让所有人观察到这种压力是一样的,那这些压力它必须要确实是一样的。

现在已经进行了一个测量,就是1%-2%之间的。所以在我看来这个暗能量实际上对爱因斯坦的万有引力的一个确定。但是神秘的不是说它是否存在,它其实是非常小的。宇宙是非常大的,但是宇宙当中的物质是非常少的,恒星之间的距离是用光年来测的,所以说这个物质是非常分散的。而这个暗能量占到整个宇宙能量的75%。所以这个话题本身在我看来也不神秘,但是为什么它这么小呢?这个是一个从理论上来讲,是非常神秘的的一个问题。

但是有可能爱因斯坦错了,有可能我也错了,谁知道呢?如果说我们能够计算一下,计算一下这个能量的大小,那就可以解密这样的话题了。但是不管这是否是爱因斯坦的宇宙阐述,实际上它对于未来都是很有影响的,如果说宇宙还会不断的膨胀,星系还会不断的去扩散,那有可能将来这些东西的运转速度会大于光年,那到时候整个宇宙将会变成一个非常孤单的地方,所以问题不在于宇宙如何结束,我认为这个问题实际上也是同样重要和同样有意思的问题,它和宇宙如何开始是一样重要和有意义的。

接下来再看另外一个话题,就是黑洞。黑洞它是我们理论研究和观测研究的核心,这是非常有意思的一个话题,在宇宙当中有很多的黑洞,每一个星系都有黑洞在它的中心,这个是恒星围绕着黑洞的一个轨道,这个是银河系的。黑洞是伽玛射线,甚至中微子的一个基础,然后今早上我们也详细的听到了这样的信息,激光干涉引力波天文台观测到了,天文台3年前看到了第一个引力波的信号,然后就由此发现了黑洞。对于天文物理学家和天文学家来讲,这是一个非常重要的事件,它是打开了我们观察宇宙、观察黑洞的一个新的篇章。

另外还有中子星也被发现,对于天文学家来讲这个是更有意思的,因为这样子中子星的碰撞不仅产生引力波,同时也能产生电磁波,这将是一个非常热门的观测天文学的领域,甚至也可以告诉我们一些关于黑洞的一些神秘的信息。

接下来我来介绍一下原子层级,也就是纳米层级。有一个理论基本上一百多年来非常的成功,那就是分子、原子的理论,但是在过去的一二十年发生的一个变化,就是理论上的和实验性的对于原子层级物质的控制,量子力学改变了我们看这个世界的方法,也改变了我们对普通的物质的理解,并由此产生重大技术的进步。但是在我看来,这才是刚刚开始。将来还会有更多的、更好的成果。我们现在可以创造新的形态的物质,就是基于我们对于我们所想要的物质的理解以及我们对原子操控的能力,我们能够实现这样的目标。

材料科学现在已经成为一个真正的科学,从理论的角度还有计算,还有仿真的角度来讲,还有运行的角度来讲,都可以来构建材料,这样的能力,这样对原子层级的控制,可以给我们带来很多的能力,很多的可能性。但是比较有意思的是,希望我们能够创造出新的电脑,也就是量子力学,它的核心就是量子力学为核心的,保持摩尔定律的计算能力。量子计算机比我们传统的计算机要好多了,普通的这种计算机它可以操纵比特信息0、1,然后加在一起,大部分现在的技术都是基于这种对于比特信息的操控能力,而量子计算机它不一样,它是对COMPUTER的操控,它是旋转的原子,有可能是向上或者向下的运转,你可以对它朝一个方向的运转,比如说向上或者向下一个阶度进行运转,它实际上和传统的计算机一样,但是差别在于量子的是可以叠加,不是传统的那种只可以向上或者向下,在量子的计算当中,它可以有上下的重叠,实现比特的重叠。这个上下的重叠不管是什么方向,又意味着我们对于信息的存储和操控的可能性增加了很多,而且这个增加是指数性的增加,比原来的那种传统的计算机是指数性的增加。从原则上来讲,如果我们要构造这样一种量子为基础的计算机,那我们可以对实际的这种量子系统进行模仿,而原来的那种计算机是不可能做到的,而有一些是有实际的应用的,它可以用于不同的目的,从物理学的角度来讲,最有意思的就是帮助我们了解普通的这种材料,比如说设计出更好的材料等等。但是问题是像这样子的电脑和环境发生作用的时候,其实在一定程度上肯定会有这样子的发生,受到环境的影响,他么就会出现一些问题,然后它也会转变的像原来的那种传统的计算机那样。环境会破坏它的特性,也就影响到它存储大量信息的能力,或者是操控处理大量信息的能力。

所以要构建一个量子计算机是一个巨大的任务,我们现在已经在有不同的战略,现在涉及到一些私有的企业,比如微软、谷歌、IBM这些公司已经投资几千亿美元来研发,或者至少能够有一丝丝的,将来能够研发出这种量子计算机的希望,我相信将来一定能够构造出这样的计算机,但是有可能是二十年,有可能是三十年,才能够构造出一台真正解决问题的,完全超过目前的计算能力的量子计算机。微软认为只需要五年,也许他们是对的。

接下来我们再看一下纳米级,也就是更加的原子级别的,在过去的50年或者说40年前,我们完成了一个非常全面的基本粒子的理论,也就是三个足的夸克,还有电子,还有中子。特别是我们了解施加在这些粒子作用上的力量,然后还包括粒子。比如说电池主要是对电极施加力量的一个长,同时他们也负责所谓量子还有分子的结构,另外我们还有弱力和强力,它能够分裂我们的电力。而这些研究都属于我们基础粒子标准模型中的内容,这是一个很伟大的理论,因为我前面讲了,所有我们直接生产并且直接观察的这些物质,都在我们这理论中包含,但是暗物质不包括在里面,这主要是因为暗物质我们从来没有直接看到过,但是其他我们周围的物质,所有开展的实验所关注的物质都是得到了非常精确的解释,它背后的支撑就是我这边讲的标准的模型的理论。我们直接就可以在一张卫生纸上写下它的原理,然后进行计算,并且告诉大家我们可以进行什么样的实验,这个实验是我的朋友所进行的实验。

在过去的30年,我们发现这方面的实验实际上只是发现了中微子的质量,这相对比较简单,所以这些实验是非常的成功,理论非常的全面,包括了所有的力量、所有的物质。当然除万物引力之外,当然这从物理学角度来说并不相关,这里面也不包括暗物质,前面说了暗物质到目前还没有办法直接观察到。而对这个理论我最喜欢的一点就是前面我所讲到的,核力量它和电子力非常的相似,它的名字就是量子色动力学,夸克有三个颜色,这是向上的夸克,每个夸克都有三种电极,有三种颜色,这些电极可以产生一个场,就像你给电子充电它的负电荷就能产生一个电场一样,这样的场使得夸克和反夸克相互吸引,这就是我们说的量子色动的一个场,然后就可以拉动夸克或者对某个中子进行离子化,就是前面讲的量子色动力学的。但是夸克和真空中所有的事物,在量子力学中,真空是一个起伏场,并不是空白的地区,所以在不断的起伏和波动的。电池场也是一样,只是电池场的作用力非常弱,几乎无法察觉。而如果是强力的话,真空的特性如果受到起伏场的影响,它对于夸克之间的力量产生的影响也更大,这里面给大家介绍的是在量子色动场中会存在的起伏线,所以你可以看到它会让粒子之间的力量和距离缩短,如果把夸克分开的话,就可以达到我们说的渐近自由的状态,你让夸克相互之间分开,然后你获得一个恒定的力量,而这个能量能够线性增加,这也是为什么我们能够把夸克从核中拿出来,因为我们必须要它产生一定的力量,这个力量会对夸克进行限制,我们把它称之为“限制”。

原子核是由中子和质子组成,而每个都是由三个夸克组成,而夸克之所以组合在一起,就是因为他们在长距离中间有很多的力量存在,你没办法把夸克拉出来,这也是为什么我们很难发现夸克并且了解夸克相互作用的力量。但是现在我们却能做到了,就是因为我们前面讲的这个量子色动力学,通过这个力学我们就知道夸克如何受到限制,我们也可以进行计算。理论学家最喜欢的就是计算,坐下来找到基本的原理,比如说前面说的基本元素的标准模型,然后没有任何的阐述,你不需要任何的阐述,你可以假设夸克是没有质量的,然后再来看一下这个电子上面粒子它的质量是多少,特别是在加速器能够生产出来的所有粒子,它们的质量是多少。更让我们觉得兴奋的,比获得诺贝尔奖更兴奋的是计算,并且发现这个计算的结果是成立的。

一开始我有说科学的前沿问题都是我们没有回答的问题,当然我们如果能够仔细的了解世界运转的规律是多么的美好,如果能够计算所有特性的情况,当然也是非常美好的。但是我想说的是还有很多未答的问题,除了暗物质之外,那我们现在也有一个问题是关于统一力量,我们现在来推断力量怎么样统一在一起,他们是按照对称的原则来统一在一起,而这些力量对强度实际上是在非常高的能量水平上进行统一的,这样的一个现象,我们实际上是了解多年了,特别是在我们有了标准模型之后,很多理论学家也因此受到激励来进行研究,这样的力量在能够测量范围之外的空间能够进行统一。更了不起的一点,我们说的能量的尺度或者是距离的尺度,在这里面力量是施加在原子之上,那这个尺度是和地心引力成为非常伟大的量子力量的尺度一样,所以有迹象显明下一个门槛,我们说基础物理理论的门槛就是爱因斯坦的目标,把所有自然的力量进行统一,这里面包括万有引力,包括了解万有引力也是属于量子理论。而这个问题一直都存在,特别是我们看到爱因斯坦形成了它的量子力学的理论之后,爱因斯坦也因此发现了量子力学的理论。

我们这里面讲的20世纪最伟大的物理发现,之所以能够成功,是多年专家观察的结果。现在达到顶峰,这个顶峰就是在日内瓦超Star强子碰撞器,他们实际上是发现了Higgs的粒子,而且这个准确度是非常的高,但是需要进一步的发展,如果要回答前面未达的问题的话,我们必须要找到更高的能量。至少是我这么认为的。它的特性,也就影响到它存储大量信息的能力,或者是操控处理大量信息的能力。

幸运的是,现在有很多相关的提案供我们选择。特别是欧洲国家,我们说欧洲的核子中心,CORN,现在就正在进化打造全新未来的碰撞性。在日内瓦打造更大的隧道,大家也听过另外的一个消息,就是在中国也希望打造一个大规模的对撞性,我把它称之为伟大对撞性,我成为为The Great Collider,是和北京的高能量研究院合作的,我觉得这些项目对中国来说是绝佳的机会。让中国能够在基础物理学研究中发挥引领作用。当然这个挑战是巨大的,也是非常艰难的。但是我们前面就挑战能推动现代技术和科学的发展,所以我觉得这样的项目对中国是很好的机会,而且我也深信中国一定能应对这一巨大的挑战,而且并且在这一世纪研究的全球的领先者,特别是在粒子物理学的研究方面,全球领先。

而现在我们也是采用了更多的能量来进行更多的研究,特别是一些理论家。一开始的时候我们看的是标准模型中的基本粒子,可能都是不同的单个物体,比如说是一个带弦的物体,而这样的方法也教会了我们很多新的知识,这里面包括弦理论,还有量子引力,还有我们前面说到的标准模型。我实际上没时间讲这些细节了,但是我想和大家分享最激动的一些新的想法。可能和我前面说的粒子物理学相关性并不是很大,主要是量子重力这块。在量子程度的重力对我们来说一直都是谜,部分原因是因为量子力学当中一切事物都是在动荡的,或者是波动的。爱因斯坦就说,空间的尺度是动态的,而在整个的量子的环境中,我们说时空是波动的,而这种波动是会越来越强烈的,使得我们没办法能够在空间时间上移动的物理来进行定义,这也是我们对于现实世界进行物理定性的基础。所以我们长期以来都认为这个现象所谓的时空泡沫,我们必须要再找到一个新的尺度,这个尺度里面所有的力量得到统一,而量子重量也成为一个主要的力量,我们需要超越爱因斯坦的理论,这也是为什么弦理论变得如此重要,因为正好弥补了这个空白,超越了爱因斯坦的理论,但是它是否正确实际上也有待进一步验证和考察。现在的尺度很难进行相关的研究,但是我们已经有工具了,来进一步探讨。

对于量子重力的情况,它的一些相关悖论进行验证。这就导致了关于我们最根本的一个概念,物理学当中的概念,也就是时空的一些新的进展。比如说弦理论,在一开始的时候他问的问题,就是说是否是有三维之外,就是超过三维的,是不是除了三维之外的空间还有另外一个维度是我们目前看不见的,可能要通过显微镜才能看见的。这个问题是由弦理论来推动的,因为普通的模型反映的是,或者说试图想了解的是,弦理论之下我们要想理解的话是要超越三维的。实际上一切都是根据弦理论,是超过三维之外的。这个实际上和我们目前的观测相一致的。

然后最简单的弦理论,就是说你需要三维之外的一些维度,那么这些额外维度的构造,它是爱因斯坦的方程所决定的。很多的一些关于标准的模型,它是没有办法去解释的。比如说各种作用力的本质,还有物质的形态,还有中子、中微子等等这些,其实所有的这些东西都是由几何形状来决定的。实际上有很多很多的说法,但是我们没有办法选出一个正确的解决方案,所以说还需要再做更多的实验。目前,我们还没有发现任何新的理论,所以说这个方向很明显,还需要更多的实验和理论方面的答案。

但是量子重力它有很多的悖论,霍金认为当你把一个东西扔到黑洞当中,会失去一些信息。因为黑洞会蒸发,它会带去这些缠绕的信息。他的结论是,如果说把量子力学和万有引力结合在一块,那你就要改变量子力学的规则,在量子力学的理论之下是不会失去信息的,这些时空的信息是存储好的。

弦理论可以帮助进一步的解答这样的问题,因为在弦理论的框架之下,我们可以把这个问题放到量子力学,也就是我们非常理解的量子力学的框架之下来解释,所以现在弦理论可以帮助我们开始了解量子引力当中的一个悖论,希望最终也能够帮助我们解答其他的一些悖论,比如说宇宙的开始,宇宙的唯一性等等。在过去的十年左右,越来越明显,最好的思考物理的方式不是从时空的角度,还有普通的特性的角度来理解,似乎在弦理论之下一切都会消失。换个角度,应该说时空它给我们带来更加贴近事实的一些新的可能性,我们要调整爱因斯坦之前的相对论的一些理论,因为现在我们才刚刚开始有一些更多的了解。这是现在研究的关注焦点,也就是了解一下把时空本身作为一个新产生的现象。

另外,关于这个有什么好处。其实我觉得Arthur McDonald教授说得很好,因为我没时间了,所以我非常快速讲完。法拉第回答维多利亚女皇的问题非常大,当时维多利亚女皇去了他的实验室,他说很好,但是这个东西有什么好处呢?科学家的回答是“我也不知道,但是当我们发现它的好处的时候你就会对此增加税收”,我们后来就发现了电到底有什么好处,磁有什么好处。法拉第他的回答我觉得是个很好的例子,其实量子力学也就不到一百年的历史,我们才刚刚开始要准备量子力学一百年的诞辰。量子力学的发明者,当然他们知道量子力学可以帮助我们了解原子结构,但是他们完全不知道之后量子力学能够有什么样的应用,而量子力学之后在现代技术当中起的重要的作用,将来尤其是在这个世纪还会起到更大的作用。包括晶体管、激光、集成电路,还有远程摇控器。

我经常会被问,你的研究就什么好处?其实我很难想象,我们对核力的理解到底有什么好处,人们建造这些核反应堆、炸弹,但是对那之前要先了解一些基础科学的理论。关于QCD,量子色动力学有什么好处,我有一些大概的想法。我想最终它会带来一些好处,毫无疑问,肯定是有应用的,就像量子力学它的发明者一开始想都没有想到,最后能够通过量子力学的规则和理论带来什么样子的好处。我相信我们对这个理论的研究和了解肯定是会有好处的。

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