诺奖得主Arthur McDonald:基础科学能解释宇宙起源

发布日期:2019-10-07

8月10-12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。在论坛上,2015年诺贝尔物理学奖获得者Arthur McDonald教授发表题为“基础科学和技术发展”的演讲。

通过粒子物理学的研究,目前人类对于宇宙有了更深入的了解,但据Arthur McDonald教授介绍,目前人类只了解宇宙中大概4%的物质,剩下的26%为暗物质,70%为暗能量,这些物质目前人类都不了解。

为什么要关心宇宙中的暗物质呢?根据宇宙大爆炸理论,宇宙在不断地膨胀,了解暗物质、中微子的特性,可以有助于人类了解宇宙早期的变化。Arthur McDonald教授介绍,通过标准模型及实验研究,他认为存在暗物质。另外,他希望通过基础科学的研究,从而能去解释宇宙的起源等问题。

另外,Arthur McDonald教授表示,目前物理科学的发展,离不开技术公司的支持,也离不开很多优秀科学家的相互合作。

以下是演讲全文:

非常感谢给我机会,能够在今天的大师讲堂发表演讲,也感谢让我有机会来中国。今天我想跟大家介绍一下基础科学和技术进展之间的关系。我觉得应该平衡好这两点,因为这样的话会使得两者能够互相配合,基础科学它是需要技术的进步才能够本身取得进步,但同时基础科学也能够为新技术的进展提供一个基础,所以说这两者之间本身可以是配合的关系。基础科学实际上它是技术进步的基础,举个例子,在2000年的时候,《时代》杂志要寻找一个20世纪最有影响的人物,他们选择了爱因斯坦,不是因为爱因斯坦发明了激光、电脑、GPS等等,不是他发明了这些技术方面的进步,而是因为他在基础科学方面的洞见。而这些洞见对于当时那个时代技术的发展是非常重要的,我们要了解物理世界和物理基本的法则,才能够促进未来技术的进步,但是反过来电脑、激光、GPS等等新的技术的进程,也会使得我们进入到下一个阶段技术的发展。

今天我想向大家介绍一下我所工作的领域,也就是天文物理学。他是天文学和物理学的结合,同时也要介绍他跟宇宇宙学之间的关系。

我们通过测量天文和粒子物理学的研究,有了一些信息,现在对宇宙有了一些了解。对我们来讲实际上宇宙当中只有4%的物质我们现在是了解的,20%的能耗的内容涵盖都是由暗物质所组成的,暗物质和其他我们在地球的实炎当中所看到的不一样,它不是普通的物质,不是人体所组成的物质,有一段时间我们以为中微子有可能就是它不是所有的组成,中微子在宇宙学当中非常的重要,暗物质颗粒是我们理解宇宙的前提,同时我们也可以通过暗能量来了解离我们最远的超行星。引力并不是完全吸引的过程,实际上也有一些回斥力的存在,爱因斯坦来他的理论当中也提到过这一点。实际上暗能量是宇宙横竖,它可以反映出两者之间的差别,总体的能量的内容是占到了其他的暗物质这些颗粒在我们的身边都有,有可能如果有非常敏感的探测器可以在地下观测到我们在地下的环境当中可以把其他的放射物排除,所以地下的实验室,比如我在加拿大的实验室就是很好的场合。

另外还有新的在中国的锦屏的实验室,也是最大也是地下最深的实验室。一直在寻找这些暗物质的颗粒,把这些其他的放射性的物质给排除出去。同时,物理学家在日内瓦的超大强子对撞机也是宇宙大爆炸以来做了一些实验,也就是说现在在对撞机当中有足够的能量让我们产生这样的颗粒,其实这两个是互相补充的。

问题是我们为什么要关心这个话题呢?这个对于我们对于宇宙演进的理解有什么重要性。130亿多年前发生大爆炸,之后有很多的膨胀,在这个过程中能量转化成物质和反物质,物质和反物质的量差不多。质量也差不多,有电子、夸克、反夸克、微子、反微子,这些都是中微子颗粒,但是我们不知道怎么细分。最后大爆炸之后的能量,宇宙冷却下来,随着时间点看一下,在不同时间当中宇宙的温度是怎么样的。甚至在中间有比较冷的温度之下颗粒的量,在某一个阶段反物质就消失了,我们发现宇宙主要是物质所主导的。

之所以我们要更加详细的了解中微子的特性,是因为这些特性有可能帮助我们了解一下早期的事情。随着宇宙的降温,夸克互相的作用变成中子、质子等等,之后又形成一些核子,在30万年前又形成了这些原子,在这个时候才能够真正的去观测到光,光就是一开始大爆炸所产生的,我们称之为宇宙背景微波辐射,曾经有非常详细的描述。比较有意思的是这个信息实际上是其他的一些对我们宇宙测量的基础,有一个模型是了解到这样一个过程的。实际上这个模型只有6个参数,它非常合适。

再晚些时间,就是原子形成之后,开始有大云团、银河系、恒星等等的产生,最后又形成了这些行星,还有像太阳,还有现在我们所看到的银河系,还有其他的一些宇宙的存在,也就是我们现在这个世界的宇宙。那么问题是这样子结构的形成,尤其是在宇宙形成的晚些时候,在多大程度上受到到这些暗物质颗粒特性的影响,这就是我们有动力去进一步了解这些特性的原因。

我们来讲一讲中微子,因为中微子并不是大家平常生活当中会体验到的,虽然说在核反应堆当中,或者太阳的核反应当中会产生很多的中微子,有可能从太阳等等会有几十亿,但是在你的生活当中有可能一个中微子会把你的原子转化成另一个原子,但是你都注意不到,除非说你的眼球受到了中微子的影响,你会看到一点点影响所产生的光,不然你在整个人生当中感受不到中微子的存在。中微子我早些时候说过是颗粒的基础,我们不知道怎么把中微子进行细分,它有三种,带电中微子,高能介子中微子、涛子中微子他们只能感受到引力或者是弱力,我们发现他们也有上限,但是他们可以非常容易的传递质量。他们碰撞了核子或者是电子的时候,可以把能量传递,把光年一年所行驶的相对应的铅进行传递。这就是说他们可以进行帮助的,帮助我们了解太阳的路径当中,然后我们通过这些中微子的实验室,我所负责的实验室所做的事情进行测量,可以帮助我们了解一下核反应,而且精准度可以达到5%,这已经很有价值。你知道物理学要研究核聚变时候的情况的话,这就非常有价值了。

这些中微子是很难发现的,因为他们会传递所有的东西,基本上不会停止,我们要建造很大的设施才能够在一个小时只看到一个中微子的存在,所以对我们来讲要限制所有放射性的粒子是非常重要的,这样才有可能观测到中微子。基础颗粒标准的建模反映出,实际上中微子是零质量的,而且在三种之间不会振荡,但我们发现不是这样子的,后来我就因为这样的工作和日本的一个教授一起获得了诺贝尔奖,我们发现中微子可以振荡的。中位子到底和普通的熟悉的物质是什么关系,在原子当中大家应该学过,中间是核子,旁边还有中子、质子,这些中子和质子又形成了夸克,周边又围绕着电子。

这个是一系列的夸克,上下的夸克组成了原子,上关的是一系列的带电中微子,这些带电的中微子是太阳产生的,同时也可以通过一些放射性的活动来产生。比如说如果你吃香蕉,有可能或者是烤蛋糕也有中微子的产生,另外就是核反应堆和加速器所产生的中微子。

他们是整体的标准模型中的一部分,这里面有三代,三类的夸克,有不同的夸克机,其他类型的电子和其他类型的中微子都和这些比较重的电子相关。另外力量的载体还有Higgs粒子,也是我们最新发现的例子,能够帮助我们了解现在的模型是更好的模型。当然这里面唯一例外的是怎么样处理中微子和相关的变化,我前面有提到。现在暗物质的性能到目前为止和名单上的一样,现在核反应能产生众多的中微子,我们通过实验来进行探测,比如说我这边在观测站观察到的,你可以看到有两个人在一个船上,再一个大幅的空间里面,这是在日本进行的实验,而中国的大亚湾也进行了实验,这里面中微子都是来自反应堆,他们仔细研究来定义中微子的主要特性,这也是大家感兴趣的,未来我们的测量就会解决一个问题,就是在宇宙早期的这些反物质到底发生了什么,而在中国南部的另外一个项目,就是江门的项目,也有很多的反应堆,他们解决的问题是和质量相关的。我们都知道中微子有有限的质量,而且三种中微子都有不同的质量,我们不知道极限是什么。江门的实验可以告诉我们一二三之间的关系都比其他更大,同时让我们知道质量是多少。

而大亚湾的测量非常重要,因为让我们能够了解中微子特性,我们合作对象是中国科学院高能物理院的研究员,他也是和我合作,也和梶田隆章合作,2016年我们获得了突破奖,是在硅谷办法的奖项,这个照片是当时获得的奖项,这个奖项和诺贝尔奖同等规模的。

为什么我们认为是有暗物质粒子存在呢?像我们这样的椭圆形的星系,就是银河系当中,我们来看一下横行从中心到远部移动的速度,你可以看到外边这一圈横行的速度如此之快,质量和星系的亮光物质是一样的话,你就会发现这个速度是五倍,要想保持它的形状,你就必须让亮光物质的速度达到原来的五倍,通过这样的测量就可以指明暗物质的存在有一个模型,可以是一个很容易成功的模型,就是所谓的大质量弱相互作用例子,我们不知道这个例子是什么,也不知道在基础微学中发挥怎样的作用,但是我们进行了实验,让这些作用粒子能够攻击原子。然后产生信号,这些信号跟周围的微波信号不一样,然后在地下进行观测,前面说中国开发出最大、最深的地下实验室,就是中国锦屏地下实验室,是位于中国的西部。他们利用水利项目的隧道打造了非常优秀的隧道,而这个项目进行的第一个实验就是“熊猫项目”,就是地下暗物质的实验,所以很有中国特色。这个实验室距离熊猫的故乡成都非常近,取这个名字非常合适。里面有500公斤的液态纤,你可以看到实验的敏感度是这类实验敏感度最高的,中国在这方面很成功,现在实验室扩大了规模,也是世界最大的实验室,现在已经有几代的地下暗物质勘察,名字是叫熊猫,但是研究的项目是地下暗物质。

回到今天演讲的主题“科学”,包括不同粒子的测量,他们最终的目的是让我们了解宇宙的进展和发展。而今天,我们获得所有的成就,我们发现这个技术本身就是实验外部产生的延伸价值,为了开发我们所有的实验,光线测试的技术得到了很好的发展,我们这边有所谓的光电倍增器或者是倍增管,比如说我前面讲的中国的江门项目,规模非常大,有个公司就因此成立了,是一个全新的公司,这个公司是生产光电倍增管,规模非常的大,差不多有50厘米的直径,一共有15000台生产设备,就是为了参与到前面讲的江门项目。在海南这家公司就开发出了其他的光电倍增管的产品,这些公司现在在世界各地都取得成功,他们的技术在医疗设备上得到广泛使用,我特别想讲一个医疗设备,缩写是PET,我们现在希望能够把这些扫描器转化成全新类型的测量设备,比如说硅基的光电倍增管,这些设备在近年取得巨大的成功,特别是这些成功是由我和其他专家参与的其他地下暗物质实验项目,而且很多本次论坛的参与者也参与了这个项目,是在意大利的一个地下暗物质实验室,你可以看到他们使用最先进的硅基光电倍增管,信号非常强,你可以看到第一、第二、第三信号时间都正好,这个结果也是非常好的。这个光电倍增管也是在中国开发出来的,我们认为它实际上能够帮助我们在未来江门下一代的研究中得到广泛的使用。这里面很多的行业也参与到了相关的高科技的测量技术的开发当中。