探索宇宙奥秘

■张 杰

今天我来，主要想给大家介绍大学精神，大学精神是由科学精神和人文精神组成的。我今天的报告从探索宇宙的奥秘讲起，实际上它是科学精神的重要组成部分，我想通过几个实例给大家讲一下在探索科学奥秘当中科学精神体现在什么地方，或许这样一种科学精神会对大家的一生产生重要影响。

宇宙的万物是非常复杂的，但是人类从一开始就努力地尝试着理解它。宇宙的万物，在我们看得到的一些自然现象的背后有规律性的东西，比如我们平常看到的岩石、沙粒以及月亮，它的背后实际上有一些根本的东西、根本的规律，把它们关联在一起。平常我们看到的自然界的风、水流，同样也有一些根本的东西把它们联系在一起。正是因为有了这样的好奇心，才使得人类发展的过程中有了一个动力，所以科学精神的基础就是好奇心，我希望大家记住这一点，这是我想和大家共享的第一个理念。

科学主要做什么事情呢？美国的大物理学家Fireman曾经讲过，组成这个世界运动物体的复杂排列，似乎有点像是天神们所下的一盘伟大的象棋，我们则是这盘棋的观众，我们除了当观众以外，还要努力地理解这盘象棋背后的规律。这个就是科学的追求。几个世纪以来，人们探索未知，逐渐形成了一些探索宇宙奥秘的科学方法。科学方法大体可以组成这样一个链条：首先是发现问题、提出问题，这个环节非常重要，而这也是我们中国的学生在训练中比较缺少的。所以我们一直在说创新能力是从什么地方来的，其实，创新能力的起点就是提出问题和发现问题的能力，他一旦发现了问题，并且想去解决问题的话，下面就要提出猜想，怎么去解决这个问题。接下来，要对这个猜想的可能结果进行预测，预测了以后开始实验，尽量去分析实验结果。这个链条就是我们探索宇宙奥秘的科学方法的链条。接下来，我就用几个实例，给大家介绍一下这个链条中的科学方法对于探究宇宙奥秘的根本的作用。

比如说，我们大家都敬仰牛顿，他看到了苹果往下掉，他就想苹果掉下来背后的原因是什么。提出了这个问题以后，就要大胆地去猜想，小心地去求证。提出了猜想，光停留在猜想这个阶段还不是科学，这个猜想必须是可以被验证的。比如霍金提出过一个猜想，就是一个看不见、摸不着、没有实体的飘在空中喷着没有热度的火的龙，这是在中国和西方的古代都有过的猜想。当然还有大量的例子，比如本杰明，他想到雷电，当时人们对电已经有了一定了解，假如说雷电要是电机组的话，他就可以用电瓶来收集，这就是一个猜想的逻辑结果以及区分不同的猜想。当然，归根结底，实验是验证猜想的最根本的方法，要让所有的实验结果都建立在一个共同的假设基础上，就是这个实验的设备工作起来必须是正常的。实验的结果并不等于猜想，它要再返回到猜想中去，实验结果要和猜想进行比较的话，就要更进一步讲解关系。接下来给大家讲三个案例，这三个案例是交通大学正在进行的对于三个奥秘的探索。在这个探索当中，大家可以看到，这和我刚才讲到的科学方法是一样的思路。

第一个案例，实验天体物理与太阳耀斑。

太阳是太阳系的核心，也是对地球影响力最大的星体，而太阳耀斑又是对地球和日地空间环境影响最大的天文现象。太阳耀斑在很早就已被观察到了，人们用一种黑玻璃能看到太阳表面，它不是平整的，不断地有一些火焰喷出来。实际上这些喷射出来的东西，就是一些高能的粒子得到加速，然后很多加速的粒子朝着地球的方向喷射。幸亏地球有磁场，所以当这些高能的粒子喷向地球的时候，能量稍微低一点的就被磁场屏蔽了。但是我们仍然可以在地球两极看到极光，那个极光就是太阳耀斑直接作用的结果。一次太阳耀斑释放的能量是巨大的，典型的可以释放10的26次方焦耳，这样的能量相当于100亿个氢弹。所以幸亏太阳离我们非常远，幸亏地球有磁场，否则太阳耀斑对于地球的影响将是灾难性的。

太阳耀斑是什么原因造成的？上个世纪60年代，人们就作了一个假设，认为太阳耀斑有各种各样的可能，其中一种可能是太阳表面磁场的重叠过程造成的。因为太阳表面像地球表面一样有磁场，太阳表面磁场强得多，当两个磁场的距离相对比较近的时候，它就有一定的概率，两个磁场合成一个，这时里面的磁能就会得到喷发。我们后来在交通大学就试图做这个实验。当然我们不太可能到太阳边儿上去做这个实验，因为那里温度太高了。我们就试图用激光去模拟磁场的重叠过程，看看这样的重叠过程可不可以同时产生环流X线源以及X线喷流。这个实验就是我的小组在交通大学做的。太阳耀斑的特点，就是在狭小的区域里面爆发巨大的能量，同时产生的辐射给地球最大的影响。我们要探究的是太阳耀斑的物理成因。大家在听这个报告的时候，一定要想在最开始讲的那个科学研究的方法，实际上都是一一对应的关系。那么猜想什么呢，太阳耀斑的物理原因是不是由于磁场的重叠造成的？磁场的重叠是什么？就是磁场相反的磁力线因为互相靠近发生重新连接的现象。在这个过程中，磁场里的磁能会转化成其他形式。比如在一个环形磁场，它当中有了围绕开始压缩，压缩以后变成两个磁场，这个过程就是磁力线重新叠起的过程，特点是它几乎可以把所有初始的磁能都转化成热能，以及电子和粒子的动能，还有大数的等离子团的动能。它转化成了电子和粒子的动能，就是我们看见的耀斑向地球喷射，当然它本身有大量热能。

从十年前，我们就开始想，有没有可能在实验室里制造一个类似于太阳耀斑的粒子环境，在这个环境旁边人为地制造一个磁冲连，这个时候看能不能在地球的实验室里看到一个强的X光喷流过程。这个实验我们整整做了十年的时间，一直到前年这个实验才做出来。我们用了世界上最强的激光造具之一，就是神光激光装置，它是相当于一个足球场大的激光装置。就用这样一个激光装置模拟实验室天体物理现象，它的好处是可以在非常近的距离，而且是可控、主控的，去模拟天体的现象，研究太阳耀斑。使用激光来研究太阳等离子系，强激光等离子能量很大，就需要把激光聚焦到非常小的焦点上，这个焦点地方的温度和密度可以比太阳上的温度和密度还要高。有了实验结果以后，第一是成功地获取了自建的光点源，比如说太阳耀斑的喷流过程，它的耀斑长度是20公里，我们等离子体实验室里那个喷流是2毫米，这两个过程可以通过磁流体动力学严格地用一个方程把它对应过来，这是一个标准的变换关系。第二是通过优化激光区度的等离子，当磁场没有重叠的时候没有这个喷点，一旦开始出现重叠，就开始出现喷流，这在世界上是第一次同时在地球上模拟出来太阳表面的能量等离子喷柱和下面的磁极X射线。这样的结果在世界的影响是非常大的。因为以前太阳表面的很多物理观察都没有办法得到实验证实，所以都停留在猜想的阶段，我们这个实验第一次在全世界证明了太阳粒子的耀斑的确是由磁冲连过程造成的，这就在世界上引起非常高的注意度。这是我介绍的第一个例子，从太阳耀斑背后的物理机制看怎样从科学方法上探索。

第二个案例，暗物质探测。

我今天介绍的三个实验都是在上海交通大学做的，都是在全世界最重要的物理问题方面的实验，都是在全世界的科学探索中非常有意义的探索。先给大家介绍暗物质探索。我们学物理学的都知道，19世纪末，牛顿力学以及麦克斯韦方程都已经有了，人们一度认为物理学大厦已经建完了，人类对物理世界的认识已经接近完美，所以那时曾有很多科学家试图从物理学角度解释宇宙中发现的一切。但是相对论和量子力学的出现打破了这个认知。量子力学发现，当物体非常小的时候，运动规律和牛顿力学是不一样的，当物体的运动速度接近光速时，它的规律和牛顿力学也是不一样的。所以从那个时候起，人们就开始用新的视角探索宇宙。20世纪中叶，科学家发现了恒星以及星系的运动速度，远远大于利用发光物质推算出的运动速度，就是我们知道宇宙是来自于大爆炸的，大爆炸最开始的能量我们不知道。如果只有那一个能量的话，这样的一个膨胀，总会有一个结束。但是人类观测了上百年，发现宇宙星系之间的间距变得越来越大，证明宇宙的膨胀不是在减速而是在进一步加速，从这个加速就推断出来，除了我们看到的正常物质以外，还有一些不与光相互作用的引力物质，这个物质它有引力但没有电磁力，这就是为什么我们到目前为止，并没有直接地看到它，因为我们大部分的观测都是靠电磁在观测，它没有电磁相互作用，所以用通常的办法看不到它，现在就把这样的一个物质叫暗物质。

这个暗物质在上个世纪才被人们感受到，直到上个世纪末才真正把它分析出来，在不同尺度观测到的具有引力效应的暗物质，其成分占宇宙的百分之二十三，是可见物质的五到六倍。再来看一看我们对宇宙的了解，目前仅有百分之四，剩下的东西我们还充满了未知。在这个现在知道的宇宙里，百分之四是我们所了解的，除此之外百分之二十三是暗物质，百分之七十三是暗能量，这样暗物质和暗能量就变成了本世纪人类所求解的最大的谜团。根据引力效应推断，银河系就被包含在一个巨大的球状的暗物质的晕当中，而太阳系就在这个晕当中穿行，太阳系在不断地运动，实际上它周围充满了暗物质。

暗物质可以通过引力效应间接观察到。宇宙在加速膨胀，这个膨胀其实就是由暗物质的引力效应造成的。另外一方面，暗物质是不存在于现在的标准模型当中的，就是我们在上个世纪对于宇宙的理解鉴定标准模型里面并没有暗物质。问题就是暗物质究竟是什么东西，接下来也是猜想的一个环节。首先的猜想，大家认为暗物质很有可能是大质量的弱相互作用的粒子。弱相互作用力和引力是四种相互作用力里的两种，另外两种是电磁相互作用和强相互作用，暗物质是不存在这两种作用力的。接下来有了猜想和预测，我们假设地球穿越暗物质运动的时候，就像是地球在海里走，暗物质就有极小的概率和我们的物质发生碰撞。在碰撞中，可以通过高灵敏的探测器捕捉到暗物质、测量它的性质，所以这个就是预测。接下来我们就去设计实验，实验究竟怎么样设计才能真正把暗物质探测到。这个实验是上海交通大学物理系教授季向东和他从世界召集的几个志同道合的科学家一起做的。要想探测暗物质，有几个前提条件，第一是探测器必须非常非常灵敏，体量要非常大，因为小的东西和暗物质的碰撞概率很小；第二是探测暗物质的时候必须在非常深的地下，因为如果在地球表面的话，会有非常多的宇宙线打在机器的表面，会产生非常大的动静，所以谁的实验室水平第一，谁看到暗物质的概率就高。

在这方面，季向东教授的团队请了世界上设计暗物质探测器最有经验的设计师，他来的理由也很简单，他设计出来的探测器在1500米的地下没有探测到，但他发现他的探测器的灵敏度要远远高于1500米深的地下的探测器。他知道我们有一个2500米深的实验室，他就非常愿意把他的探测器用在中国这个暗物质探测实验当中。一个是我们有了全世界最好的探测器，另一个是我们有了全世界最深的实验室。要想在其他地方做一个2500米深的实验室，花的钱是几百亿、上千亿。但我们有运气，四川景平山正要建一个水电站，这个水电站正好把水的落差弄到2500米，从山顶一直达到山底下打的一个水道，这个水道被我们讨论到，最后得到景平山水电站的大力支持。这个实验由我们和清华大学两个学校来做，从2010年开始造探测器，第一个是200公斤的探测器，第二个是500公斤的探测器，第三个是重达一吨的探测器。当探测器达到500公斤的时候，它的灵敏度就已经是世界上最好的了，当它达到一吨的时候，就比世界上次好的探测器要高出一个数量级。另一方面，因为这个实验室的地深比意大利的实验室深1000米，它的背景就要干净10倍，通过这样一个实验，应该是我们中国最有可能首先探测到暗物质，现在开始就要往地洞里装实验设备了，大概在里面做实验要做10年的时间。

第三个案例，中微子振荡测量。

上海交通大学的另外一组团队研究的是对宇宙的另外一个问题的解答。另外一个问题是什么呢？我们这个宇宙来源于一次大爆炸。这个大爆炸应该是对称的。对称的大爆炸应该是炸出一个正物质组成的宇宙，同时应该有一个反物质组成的宇宙。问题是到现在我们只看到了由正物质组成的宇宙，那个由反物质组成的宇宙找不到。所以这个实验就是试图回答这样的一个问题，为什么反物质和正物质是不对称的？想要回答这个问题，是从探测中微子做起的，中微子就是为了解决β衰变的。波利在1930年提出中微子的概念，中微子是一个非常非常轻的基本粒子，它不带电荷，静止质量是零，不参与强相互作用，基本和光子一样。

太阳的热核反应，会同时产生很多的中微子。但是地球上测到的太阳的中微子数量只是预期的三分之一，于是科学家就在思索，为什么我们观察的太阳的中微子只有三分之一？剩下的中微子跑到哪里去了？接下来就是几个猜想。猜想一，就是太阳核心的温度比我们预计的要低，因为它的核心温度比预计的低，所以它其实没有辐射出我们计算的那么多的中微子，只有三分之一。接下来我们就对这样一个猜想进行证明，预测的就是不管怎么样调整太阳的标准模型，都无法符合观测到的中微子数量，对模型进行任何调整，只会使矛盾增多。接下来就对太阳核心温度作一个测量，测量发现，实际温度与标准太阳模型的温度符合得很好，这就说明这个猜想是错的，就是太阳发射出的中微子真的是很多，但是我们观察到的只是三分之一，那么剩下的三分之二去哪儿了？太阳的中微子失踪的这个谜团至今仍然没有解决。猜想二，是不是中微子从太阳产生之后传播到地球当中变了，不再是我们探测得了的？因为中微子有几种不同的类型，中微子从一种类型变成另外一种类型叫作中微子振荡。接下来这个预测，中微子在飞行当中，从一种类型变成另一种类型，三种类型的中微子两两振荡，应该有三种模式，所以就开始用实验证明，是不是有这样三种模式。日本的超级神钢实验证明了中微子的确存在着振荡现象，2001年加拿大的太阳中微子流测量实验证实了太阳的中微子变成了其他类型的中微子，而三种中微子的总数并没有减少，这回答了一个非常大的疑问，就是的确发现我们的猜想二是对的——它在传送到地球的过程中发生了转变，转变成另外的中微子，你把三种中微子一块儿探测的话，就发现太阳发射出去的中微子并没有减少，并没有丢失。这个大气中的中微子振荡和大气中的中微子振荡对应着两种中微子的混合，在我们参加这个实验之前没有探测到第三种振荡的模式，问题是为什么没有探测到第三种振荡模式？因为当时对应的中微子的混合角振荡得非常小，所以一直没有看到。

从2003年开始，中国很多大学的研究所都参加了这个实验，当时我还在中国科学院高能物理研究所，包括上海交通大学的科学家一起来进行实验。这个实验利用了大亚湾核电站发射出的中微子来寻找。大亚湾发射出的中微子因为也有这样三种不同的模式，来寻找第三种的振荡模式，希望测量出第三种振荡的振荡角。交通大学的科研团队承担的是系统安装调试许多物理分析的工作，这也是实验里的核心。大亚湾是一个环境特别优越的地方，因为大亚湾同时有三个2.9G瓦乘2的核电站，这里周围中微子的产量特别高。2012年3月，大亚湾核电站中微子的实验发现了新的中微子振荡，这是到目前为止中国物理学家对世界物理最大的贡献之一，就是测到了第三个混合角，而第三个混合角的测量是回答正物质和反物质为什么不对称问题迈出的关键的一步。意味着中微子存在振荡现象的同时，可能存在电荷离子层不守恒，或者就是中微子和反中微子间的行为不对称。大亚湾实验完成了一个概念图，这个中微子和反中微子间的性质为不对称的实验铺平了道路。现在越来越多的证据，以及通过大亚湾实验，我们了解到最开始大爆炸的时候，实际上是存在对称的破缺，因为对称的破缺，造成一个非对称的大爆炸。交通大学一直致力于解决宇宙和人类最根本的科学问题，类似的重大科学研究在交通大学屡见不鲜。我相信在不久的将来，这些宇宙奥秘将会被我们逐一解开。欢迎更多对科学充满信心的年轻人加入到我们的行列中来。

大家都知道上海交通大学，可能不知道交通大学的“交通”两个字典出何处。“交通”这两个字，出自两千五百年前的《易经》里的“天地交而万物通”。这是对大学精神的最好的诠释。

（以上是张杰校长于2012年6月12日在南开公能讲坛上所作的报告，本刊登载时有删节。）