诺奖得主David Gross：过去五十年，物理学对135亿年的宇宙历史进行了重建

演讲嘉宾：2004年诺贝尔物理学奖获得者David Gross

以下是发言实录：

David Gross：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。