李政道：以天之語，解物之道_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！2022-11-30 09:51
文章為紀念伽利略開始用望遠鏡觀測天體400週年而作，回顧瞭望遠鏡的發明、中國古代的天體物理、20世紀物理學的發展和21世紀物理學的前景。
撰文 | 李政道（Columbia University、中國高等科技中心）
來源 | 本文發表於《物理》2008年第12期
* 本文是作者2008年10月12日在人民大會堂舉行的“紀念望遠鏡發明400週年科學大師講演會”上的講演。
今天我講的題目是《以天之語，解物之道》。共有四個部分∶（1）望遠鏡的發明；（2）中國古代的天體物理；（3）20世紀物理學的發展；（4）21世紀物理學的前景。
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望遠鏡的發明
大家知道，望遠鏡發明已經有400年了。1608年秋天在歐洲傳播着一個消息，説有人發明瞭望遠鏡。不久伽利略就發表了他劃時代的著作“星際信使”（Sidereus Nuncius）。他説：“10個月之前，有一條消息傳到我的耳朵，説有一位Fleming地區（今荷蘭、比利時）的人制造了一種小望遠鏡。利用這種望遠鏡，可以來看物體，雖然物體離眼睛較遠，但仍然能被清晰地看到，好像它就在眼前⋯⋯”於是伽利略也製造了一架望遠鏡，如圖1所示，就是伽利略製造和使用過的望遠鏡。當時天主教認可的説法是一切星體都是圍繞着地球在轉動，地球是中心。可是伽利略用他自己製造的望遠鏡觀看木星，卻得出了不同的結論。1610年1月7日，伽利略在觀察時，發現木星右邊有一個小星，左邊有兩個小星，見圖2；第二天看就變成右邊有三個小星，左邊沒有小星；再過兩天看，右邊小行星不見了，左邊卻有兩個小暗星；再過一天，左邊的一個小暗星變大了；又過一天，所有的小暗星都不見了，變成右邊一個小星，左邊二個小星。再過一天（1月13日）木星兩旁的小星陣式又有大變，成為右三左一！根據這七天的觀察結果，伽利略推斷這些小星都是木星的“月亮”，就是説木星有四個月亮，而這些木星的月亮都是繞着木星轉，而不是繞着地球轉！這就是説，並不是一切星辰都圍繞着地球轉，推翻了當時天主教的錯誤説法。
伽利略的重大發現還有，1591年提出慣性質量和引力質量等價、1609年以後發現月亮上有山脈和隕石坑以及金星的位相等等。1632年他又發表了重要的著作“對話”。可是在這之後，1633年，伽利略被羅馬天主教會軟禁起來了。在教皇的命令下，不准他發表論文，不準演講，不準教導，不準和朋友討論學術問題。四年以後，1637年伽利略的眼睛瞎了，五年後1642年1月8日他就過世了。伽利略的去世有可能使處於萌芽狀態的近代科學夭折，但是就在同年，也就是1642年12月25日牛頓誕生了。由於當時的羅馬教皇的勢力沒有達到英國，沒有達到全歐洲，使得牛頓能夠接替伽利略繼續發展了近代科學，否則歐洲的近代科學必然延遲發展，也很可能中斷。而在中國，兩年之後，1644年，明朝崇禎皇帝自盡，明朝滅亡，中國科學的發展停滯，近代科學未得萌芽，更不用説快速發展了。
1991年，為了紀念伽利略“慣性質量和引力質量等價”實驗的重要發現400週年，中國發行了紀念明信片，那是我設計的（見圖3）。
1993年梵蒂岡教皇約翰·保羅二世代表天主教為伽利略平反並向全球的科學家道歉。當時是由我代表全球的科學家發言（見圖4）。我面對教皇説，是地球繞太陽轉，還是太陽繞地球轉，這兩個説法都不錯。因為這是相對論。在伽利略時代，人們還不明白這個原理。不對的是教皇強逼伽利略放棄自己的觀點，強逼伽利略不能講學並將他軟禁。現在能為他平反，我感到很高興。
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中國古代的天體物理
在各種不同的天體星辰中，有兩類星辰最為突出。一類是“新星”；另一類是“超新星”。新星的亮度大約是太陽亮度的幾萬倍，超新星的亮度是太陽的百萬萬倍。新星和超新星都是中國最早發現的。發現新星是在公元前13世紀，這在一片甲骨上有記錄（見圖5）。這片甲骨上刻有“新大星併火”幾個字，上面記錄説，某月的第7日傍晚月亮出來的時候，發現了新大星。實際上還有另一片甲骨，説兩天以後這個星就消失了。超新星的最早發現也在中國，是在宋朝仁宗至和元年。記錄説，1054年8月7日天空突然出現一顆很亮的星，大如雞蛋。每天都記錄它有多亮，一直記錄到1056年7月看不見為止。
《周禮·春宮·大宗伯》説：“以蒼璧禮天，以黃琮禮地”。蒼璧是什麼？黃琮是什麼？它們都是玉器。蒼璧是圓形的，代表天；黃琮是方的，代表地。蒼璧是圓的，但中間有一個洞；黃琮是方的，中間也有一個園洞。為什麼禮天的蒼璧和禮地的黃琮這兩件周代的玉器中間都有園洞呢？還有一件商周時期的玉器叫璇璣（見圖6），根據《書·舜典》記載：“璇美玉也，璣為轉遠，徑八尺，圓周二丈五尺強，玉者正天文之器。”原來，璇璣是一架龐大的天文儀器。可是今日看到的璇璣是商周的遺物，直徑僅約30釐米左右，想來這架商周前的巨大天文儀器，到了商周時代已經縮小成為象徵性的玉器了。
可是商周前的璇璣，徑八尺，那是什麼樣的天文儀器呢？如何用來觀察，又觀察什麼呢？中華民族的文化是炎黃文化，是大陸型文化，與其他文化發源不同。可以想象，五千多年前我們的祖先，每天夜間仰觀星辰，一定會注意到所有星辰均在轉動，每十二時辰轉動一週。而這轉動有一個軸心它的位置是“正極”。我的假定是，商周前的“王者正天文之器”的“璇璣”是用來定“正極”的一架巨大天文儀器（見圖7）。這台“璇璣”有一直徑約八尺的轉盤。盤周有三個凹口，用來確定三個不同星座的位置，隨天而轉。轉盤的軸是一長約20尺的竹管，內取微孔，以定正極之位。假設微孔直徑約2毫米，則所測定的正極角位的精確度可達0.013°。為了固定這個竹管，在它的外面包以大石塊。這長長的“石柱”就演變成後來的“琮”，而這大轉盤則演變為後來的“璧”和“璇璣”。
可是地球的自轉軸是在進動的，其進動週期約為二萬五千年。現在正極的位置恰好是北極星（見圖8）。可是商周前就完全不同了。另一個條件是，轉盤三個凹口必須各對着一個較大的星。什麼年代有較大的，各相距離約120°的星而“璇璣”也正好能夠定位在正極方向呢？從天文歷中，我們可以查到，能適合這些條件的，大約是公元前2700年。那時候紫薇星的右樞正好在現在北極的位置，比現在的北極星離正極還更近一點。周圍剛好有三顆較亮的大星對着凹口，它們是紫薇星座的“少宰”、“上輔”和北斗星座的“搖光”，剛好就是這三個位置（見圖9）。假如這個想法是對的，就表示説，在公元前2700年，我們的祖先已經有天文儀器可以把當時正極星的位置定位到約0.013°的精確度而紫薇星正是那時候的正極，這就是為什麼紫薇星座自古以來，一直被認為跟帝王和國家的興亡有關係的原因。這大約是公元前2700年，離現在約4700年時的情形，也可能是炎黃文化發源開始的時代。我們現在看紫薇星座，就很難看出它有什麼重要性。
太陽黑子的觀測，古代中國也是領先的。據李約瑟著《中國之科學與文明》一書稱：歐洲人因為有天體完整的成見，就不注意天體現象的顯著事例，譬如太陽黑子的發生。在歐洲，觀測太陽黑子，是由伽利略使用望遠鏡觀測而得到的。最初發現是在公元1610年末，這是科學前進的一步。但是，中國太陽黑子的記錄就我們所知是最久而最完備的，比西方要早一千六百多年。那就是公元前28年劉向時期的記錄。從那時到公元1638年，中國正史中記錄顯著的太陽黑子現象有120次，不包括許多地方誌、傳記及其他出版物所做的記錄在內。太陽的黑班在中國書中被稱作“黑氣”、“黑子”或“烏”，其大小常被描寫如“錢幣”。
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20世紀物理學的發展
20世紀物理學最重要的發展是相對論、量子力學和對核能的瞭解。1905年愛因斯坦發表了5篇論文，其中一篇提出了狹義相對論，接着在20年代出現了量子力學。這都是劃時代的發展。
1939年8月2日，愛因斯坦給羅斯福總統寫信，指出鈾元素不久可能成為一種重要的能源。1942年12月2號，由費米帶領的科學家隊伍，首次實現了人工可控制的核能。人類首次可以不依靠太陽而獲得能量。當時芝加哥大學康普敦教授從芝加哥大學打電話給總統科學顧問康南特，用隱晦的語言通報了核反應堆實驗成功的消息。康普頓説:“意大利航海家剛抵達了新世界。”康南特問:“本地人的反應如何？”康普頓回答説:“非常友善。”這是因為在1942年的時候，意大利和美國在打仗，所以通電話要非常小心。康普敦説的意大利航海家就是指費米，他借了當年哥倫布發現新大陸的故事，報告核反應堆的運轉成功。
火的發現和應用開始了人類的文化。火的能量來源是太陽能，太陽能是核能，太陽本身就是一架龐大的氫核反應堆。1942年12月2日，費米帶領的科學家隊伍，首次實現了人類可控制的核能，使人類能夠不通過太陽而獲得能量。這是20世紀的重大科技進步，也是人類歷史上劃時代的科技進步。
記得在40年代我做費米老師的研究生的時候，費米老師每星期都花半天時間跟我用“一對一”的方式討論。有一次他問我，知不知道太陽內部的温度是多少。我説大概是一千萬度。他説，你算過嗎？我説我沒有算過。他説這不行，一定要自己算。我説計算太複雜。計算太陽的温度有兩個公式，其中之一需要温度的18次方，另一式需用温度的6.5次方。因此計算相當麻煩。費米説我幫你做一個專用算尺，可以化簡計算。於是我們一起動手作了一個大的木頭計算尺（見圖10）。計算尺上的刻度，位於上邊的是18Log，下邊的是6.5Log。有了這個算尺，我就像用玩具似地把太陽內部的温度算出來了。這件事就是老師對學生的一對一的言傳身教，使我終身不忘。
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21世紀物理學的前景
上面説過，在103年前，就是公元1905年，愛因斯坦寫了五篇論文。這五篇論文影響了全球人類文化的發展，因此三年前聯合國決定1905年為世界物理年。愛因斯坦的第一篇文章是測量分子大小的新方法。第二篇提出了光量子。第三篇是講布朗運動。第四篇是狹義相對論。第五篇提出了著名的質能方程式E=mc2。今天我想講的是，愛因斯坦的科學成就，對21世紀的影響可能會與上世紀相同，甚至更大。
現在我們知道，在我們“大爆炸”（big bang）宇宙中像我們這樣的已知物質的能量只佔總能量的5%，此外暗物質的能量佔25%，暗能量則佔70%。這是很奇怪的。什麼是暗物質，我們不清楚，什麼是暗能量，我們也不清楚。像我們這樣的物質也就是已知物質，是由電子、質子、中子和極少量的正電子、反質子構成的。暗物質不是我們這樣的物質。通過天體間引力場的測量，可以推理算出，暗物質的能量約是我們已知物質能量的5倍。不僅如此，最近幾年通過哈勃望遠鏡發現我們的宇宙不僅在膨脹，而且是加速地膨脹。膨脹的原因是因為有負壓力。這個負的壓力，就是由於有暗能量的緣故，而這負壓力是愛因斯坦較早提出來的。這個負壓力就是暗能量，它佔我們已知的物質能量的14倍。2004年我發表了一篇論文，探討暗能量的來源，觀念是“天外有天”。什麼是天外有天呢？我認為，暗能量的存在，很可能説明在我們的大爆炸宇宙之外，會有更多、更多的宇宙。
2005年我另有一篇論文，是探討一種強相作用夸克-膠子等離子體的產生和結構。它的觀念是“核天相連”。我認為在暗能量的負壓力下會產生新的物質。這新物質可能和核能相連。最近在美國布魯克黑文實驗室，用高能量的金核離子相撞，試圖發現這種新物質的存在。美國布魯克黑文國家實驗室已經有了許多結果，產生了新的核物質，我們稱它sQGP，就是Strong Interacting Quark-Gluon Plasma（強相互作用夸克-膠子等離子體）。因為夸克模型的核子中也含有負壓力，核能也許可以和宇宙中的暗能量相變相連。
愛因斯坦最早提出的負壓力——暗能量在我們宇宙中佔據瞭如此重要的地位，所以説愛因斯坦對21世紀科學發展的影響也可能比20世紀更大。瞭解暗物質，瞭解暗能量是21世紀物理學面臨的很大挑戰，我相信我們會成功的。
1952年我和楊振寧合寫了兩篇統計力學論文。愛因斯坦看過我們的論文後，請他的助手考夫曼（Bruria Kaufman）來問我們，是否可以和他一起討論。我們到了愛因斯坦的辦公室，看到在他的桌子上放着我們的論文。他説，這兩篇論文很有意思並詢問了“格氣”的細節。他的問題都着重於物理的基本觀念。我的回答使他很滿意。他説的英語帶有很濃厚的德國口音，講得較慢。我們討論的範圍很廣泛，進行了大約有一個多小時。最後，他站起來和我握手説:“祝你未來在物理學中獲得成功。”我記得，他的手大、厚而温暖。對我來説，這實在是一次難忘的經歷。他的祝福使我深深感動。
今天，我們要紀念400年前望遠鏡的發明，我們也紀念100多年前愛因斯坦對物理的貢獻，和他五十多年前的過世，我們更要紀念伽利略和愛因斯坦一生對人類的貢獻，為科學的獻身。我們的地球在太陽系是一個不大的行星，我們的太陽在整個銀河系四千億顆恆星中也不怎麼出奇。我們整個銀河系在整個宇宙裏面也相當渺小。可是因為我們有炎黃文化，有400年前望遠鏡的發明，因為愛因斯坦和伽利略在我們小小的地球上生活過，我們這個黃土藍水的地球，就比宇宙其他部分有特色，有智慧，有人的道德。謝謝大家。
補記
非常榮幸，《物理》雜誌編輯部將我的文章《以天之語，解物之道》選定為《歲月留痕——（物理》四十年集萃》中40篇經典作品之一。2008年10月在人民大會堂，我為紀念伽利略第一次用望遠鏡觀測天體400週年作了講演。這篇文章是在該講演的基礎上寫作而成的。
2009年初，世界實驗室主席安東尼諾·齊基基（Antonino Zichichi）博士邀請我設計伽利略銅像，我即以伽利略用望遠鏡第一次觀察到木星的四個衞星圖為主題，畫了一個設計創意圖（如附圖1所示）（《以天之語，解物之道》一文介紹了伽利略的這一劃時代的科學貢獻）。設計圖中，伽利略身穿長袍，手持他建造和使用過的望遠鏡凝視遠方，長袍上雕刻了四排大小點組合，分別代表了木星和它的衞星在不同日子的位置，伽利略銅像高大、宏偉，坐落在由著名文藝復興大師米開朗琪羅（1475～1564）晚年設計的國立聖瑪利亞天使與殉道者大教堂前。這是該教堂建造後約450年曆史中唯一的新增塑像。
2010年4月28日舉行了隆重的落成典禮，世界實驗室主席安東尼諾·齊基基博士主持儀式，意大利文化部部長卡乘德羅·邦迪（Sandro Bondi）、中國駐意大利大使丁偉等貴賓出席典禮（如附圖2所示）。丁偉大使為銅像揭幕（如附圖3所示），並在致詞祝賀中表示，伽利略銅像作為中國高等科學技術中心送給意大利科學界的禮物，再次展現出中國人民對意大利人民的友好情誼，也體現了中國科技界對意大利同行的尊敬。希望兩國人民以伽利略勇敢、思考與追求真理的偉大精神為動力，攜手共創人類更加和平、更加美好的未來。
21世紀的物理學給我們帶來了極大挑戰和機遇。我期望祖國的年輕科學家以伽利略為榜樣，為科學為人類做出更大更出色的貢獻。
李政道
2012年2月28日
本文經授權轉載自微信公眾號“中國物理學會期刊網”。