科技 新浪科技 諾獎得主Arthur McDonald:基礎科學能解釋宇宙起源

諾獎得主Arthur McDonald:基礎科學能解釋宇宙起源

新浪科技 2018-08-11 15:17
Arthur McDonald,2015年諾貝爾物理學獎獲得者Arthur McDonald,2015年諾貝爾物理學獎獲得者

  新浪科技訊 8月11日消息, 8月10-12日,世界科技創新論壇在北京會議中心舉辦,包括Kip Thorne、Thomas J.Sargent、Michael Levitt、朱棣文在內的20餘位諾貝爾獎獲得者,以及中科院院士曹春曉、美國國家工程院院士陳剛等諸多中外頂級學者專家應邀出席,共同打造史無前例的中國最高級別智慧盛宴,探討全球科技創新成果、描繪未來中國科技創新藍圖。在論壇上,2015年諾貝爾物理學獎獲得者Arthur McDonald教授發表題為「基礎科學和技術發展」的演講。

  通過粒子物理學的研究,目前人類對於宇宙有了更深入的了解,但據Arthur McDonald教授介紹,目前人類只了解宇宙中大概4%的物質,剩下的26%為暗物質,70%為暗能量,這些物質目前人類都不了解。

  為什麼要關心宇宙中的暗物質呢?根據宇宙大爆炸理論,宇宙在不斷地膨脹,了解暗物質、中微子的特性,可以有助於人類了解宇宙早期的變化。Arthur McDonald教授介紹,通過標準模型及實驗研究,他認為存在暗物質。另外,他希望通過基礎科學的研究,從而能去解釋宇宙的起源等問題。

  另外,Arthur McDonald教授表示,目前物理科學的發展,離不開技術公司的支持,也離不開很多優秀科學家的相互合作。(河雨)

   以下是演講全文:

  非常感謝給我機會,能夠在今天的大師講堂發表演講,也感謝讓我有機會來中國。今天我想跟大家介紹一下基礎科學和技術進展之間的關係。我覺得應該平衡好這兩點,因為這樣的話會使得兩者能夠互相配合,基礎科學它是需要技術的進步才能夠本身取得進步,但同時基礎科學也能夠為新技術的進展提供一個基礎,所以說這兩者之間本身可以是配合的關係。 基礎科學實際上它是技術進步的基礎,舉個例子,在2000年的時候,《時代》雜誌要尋找一個20世紀最有影響的人物,他們選擇了愛因斯坦,不是因為愛因斯坦發明了激光、電腦、GPS等等,不是他發明了這些技術方面的進步,而是因為他在基礎科學方面的洞見。而這些洞見對於當時那個時代技術的發展是非常重要的,我們要了解物理世界和物理基本的法則,才能夠促進未來技術的進步,但是反過來電腦、激光、GPS等等新的技術的進程,也會使得我們進入到下一個階段技術的發展。

  今天我想向大家介紹一下我所工作的領域,也就是天文物理學。他是天文學和物理學的結合,同時也要介紹他跟宇宇宙學之間的關係。

  我們通過測量天文和粒子物理學的研究,有了一些信息,現在對宇宙有了一些了解。對我們來講實際上宇宙當中只有4%的物質我們現在是了解的,20%的能耗的內容涵蓋都是由暗物質所組成的,暗物質和其他我們在地球的實炎當中所看到的不一樣,它不是普通的物質,不是人體所組成的物質,有一段時間我們以為中微子有可能就是它不是所有的組成,中微子在宇宙學當中非常的重要,暗物質顆粒是我們理解宇宙的前提,同時我們也可以通過暗能量來了解離我們最遠的超行星。引力並不是完全吸引的過程,實際上也有一些回斥力的存在,愛因斯坦來他的理論當中也提到過這一點。實際上暗能量是宇宙橫豎,它可以反映出兩者之間的差別,總體的能量的內容是佔到了其他的暗物質這些顆粒在我們的身邊都有,有可能如果有非常敏感的探測器可以在地下觀測到我們在地下的環境當中可以把其他的放射物排除,所以地下的實驗室,比如我在加拿大的實驗室就是很好的場合。

  另外還有新的在中國的錦屏的實驗室,也是最大也是地下最深的實驗室。一直在尋找這些暗物質的顆粒,把這些其他的放射性的物質給排除出去。同時,物理學家在日內瓦的超大強子對撞機也是宇宙大爆炸以來做了一些實驗,也就是說現在在對撞機當中有足夠的能量讓我們產生這樣的顆粒,其實這兩個是互相補充的。

  問題是我們為什麼要關心這個話題呢?這個對於我們對於宇宙演進的理解有什麼重要性。130億多年前發生大爆炸,之後有很多的膨脹,在這個過程中能量轉化成物質和反物質,物質和反物質的量差不多。質量也差不多,有電子、夸克、反夸克、微子、反微子,這些都是中微子顆粒,但是我們不知道怎麼細分。最後大爆炸之後的能量,宇宙冷卻下來,隨著時間點看一下,在不同時間當中宇宙的溫度是怎麼樣的。甚至在中間有比較冷的溫度之下顆粒的量,在某一個階段反物質就消失了,我們發現宇宙主要是物質所主導的。

  之所以我們要更加詳細的了解中微子的特性,是因為這些特性有可能幫助我們了解一下早期的事情。隨著宇宙的降溫,夸克互相的作用變成中子、質子等等,之後又形成一些核子,在30萬年前又形成了這些原子,在這個時候才能夠真正的去觀測到光,光就是一開始大爆炸所產生的,我們稱之為宇宙背景微波輻射,曾經有非常詳細的描述。比較有意思的是這個信息實際上是其他的一些對我們宇宙測量的基礎,有一個模型是了解到這樣一個過程的。實際上這個模型只有6個參數,它非常合適。

  再晚些時間,就是原子形成之後,開始有大雲團、銀河系、恆星等等的產生,最後又形成了這些行星,還有像太陽,還有現在我們所看到的銀河系,還有其他的一些宇宙的存在,也就是我們現在這個世界的宇宙。那麼問題是這樣子結構的形成,尤其是在宇宙形成的晚些時候,在多大程度上受到到這些暗物質顆粒特性的影響,這就是我們有動力去進一步了解這些特性的原因。

  我們來講一講中微子,因為中微子並不是大家平常生活當中會體驗到的,雖然說在核反應堆當中,或者太陽的核反應當中會產生很多的中微子,有可能從太陽等等會有幾十億,但是在你的生活當中有可能一個中微子會把你的原子轉化成另一個原子,但是你都注意不到,除非說你的眼球受到了中微子的影響,你會看到一點點影響所產生的光,不然你在整個人生當中感受不到中微子的存在。中微子我早些時候說過是顆粒的基礎,我們不知道怎麼把中微子進行細分,它有三種,帶電中微子,高能介子中微子、濤子中微子他們只能感受到引力或者是弱力,我們發現他們也有上限,但是他們可以非常容易的傳遞質量。他們碰撞了核子或者是電子的時候,可以把能量傳遞,把光年一年所行駛的相對應的鉛進行傳遞。這就是說他們可以進行幫助的,幫助我們了解太陽的路徑當中,然後我們通過這些中微子的實驗室,我所負責的實驗室所做的事情進行測量,可以幫助我們了解一下核反應,而且精準度可以達到5%,這已經很有價值。你知道物理學要研究核聚變時候的情況的話,這就非常有價值了。

  這些中微子是很難發現的,因為他們會傳遞所有的東西,基本上不會停止,我們要建造很大的設施才能夠在一個小時只看到一個中微子的存在,所以對我們來講要限制所有放射性的粒子是非常重要的,這樣才有可能觀測到中微子。基礎顆粒標準的建模反映出,實際上中微子是零質量的,而且在三種之間不會振蕩,但我們發現不是這樣子的,後來我就因為這樣的工作和日本的一個教授一起獲得了諾貝爾獎,我們發現中微子可以振蕩的。中位子到底和普通的熟悉的物質是什麼關係,在原子當中大家應該學過,中間是核子,旁邊還有中子、質子,這些中子和質子又形成了夸克,周邊又圍繞著電子。

  這個是一系列的夸克,上下的夸克組成了原子,上關的是一系列的帶電中微子,這些帶電的中微子是太陽產生的,同時也可以通過一些放射性的活動來產生。比如說如果你吃香蕉,有可能或者是烤蛋糕也有中微子的產生,另外就是核反應堆和加速器所產生的中微子。

  他們是整體的標準模型中的一部分,這裏面有三代,三類的夸克,有不同的夸克機,其他類型的電子和其他類型的中微子都和這些比較重的電子相關。另外力量的載體還有Higgs粒子,也是我們最新發現的例子,能夠幫助我們了解現在的模型是更好的模型。當然這裏面唯一例外的是怎麼樣處理中微子和相關的變化,我前面有提到。現在暗物質的性能到目前為止和名單上的一樣,現在核反應能產生眾多的中微子,我們通過實驗來進行探測,比如說我這邊在觀測站觀察到的,你可以看到有兩個人在一個船上,再一個大幅的空間裏面,這是在日本進行的實驗,而中國的大亞灣也進行了實驗,這裏面中微子都是來自反應堆,他們仔細研究來定義中微子的主要特性,這也是大家感興趣的,未來我們的測量就會解決一個問題,就是在宇宙早期的這些反物質到底發生了什麼,而在中國南部的另外一個項目,就是江門的項目,也有很多的反應堆,他們解決的問題是和質量相關的。我們都知道中微子有有限的質量,而且三種中微子都有不同的質量,我們不知道極限是什麼。江門的實驗可以告訴我們一二三之間的關係都比其他更大,同時讓我們知道質量是多少。

  而大亞灣的測量非常重要,因為讓我們能夠了解中微子特性,我們合作對象是中國科學院高能物理院的研究員,他也是和我合作,也和梶田隆章合作,2016年我們獲得了突破獎,是在矽谷辦法的獎項,這個照片是當時獲得的獎項,這個獎項和諾貝爾獎同等規模的。

  為什麼我們認為是有暗物質粒子存在呢?像我們這樣的橢圓形的星系,就是銀河系當中,我們來看一下橫行從中心到遠部移動的速度,你可以看到外邊這一圈橫行的速度如此之快,質量和星系的亮光物質是一樣的話,你就會發現這個速度是五倍,要想保持它的形狀,你就必須讓亮光物質的速度達到原來的五倍,通過這樣的測量就可以指明暗物質的存在有一個模型,可以是一個很容易成功的模型,就是所謂的大質量弱相互作用例子,我們不知道這個例子是什麼,也不知道在基礎微學中發揮怎樣的作用,但是我們進行了實驗,讓這些作用粒子能夠攻擊原子。然後產生信號,這些信號跟周圍的微波信號不一樣,然後在地下進行觀測,前面說中國開發出最大、最深的地下實驗室,就是中國錦屏地下實驗室,是位於中國的西部。他們利用水利項目的隧道打造了非常優秀的隧道,而這個項目進行的第一個實驗就是「熊貓項目」,就是地下暗物質的實驗,所以很有中國特色。這個實驗室距離熊貓的故鄉成都非常近,取這個名字非常合適。裏面有500公斤的液態纖,你可以看到實驗的敏感度是這類實驗敏感度最高的,中國在這方面很成功,現在實驗室擴大了規模,也是世界最大的實驗室,現在已經有幾代的地下暗物質勘察,名字是叫熊貓,但是研究的項目是地下暗物質。

  回到今天演講的主題「科學」,包括不同粒子的測量,他們最終的目的是讓我們了解宇宙的進展和發展。而今天,我們獲得所有的成就,我們發現這個技術本身就是實驗外部產生的延伸價值,為了開發我們所有的實驗,光線測試的技術得到了很好的發展,我們這邊有所謂的光電倍增器或者是倍增管,比如說我前面講的中國的江門項目,規模非常大,有個公司就因此成立了,是一個全新的公司,這個公司是生產光電倍增管,規模非常的大,差不多有50厘米的直徑,一共有15000台生產設備,就是為了參与到前面講的江門項目。在海南這家公司就開發出了其他的光電倍增管的產品,這些公司現在在世界各地都取得成功,他們的技術在醫療設備上得到廣泛使用,我特別想講一個醫療設備,縮寫是PET,我們現在希望能夠把這些掃描器轉化成全新類型的測量設備,比如說硅基的光電倍增管,這些設備在近年取得巨大的成功,特別是這些成功是由我和其他專家參与的其他地下暗物質實驗項目,而且很多本次論壇的參与者也參与了這個項目,是在義大利的一個地下暗物質實驗室,你可以看到他們使用最先進的硅基光電倍增管,信號非常強,你可以看到第一、第二、第三信號時間都正好,這個結果也是非常好的。這個光電倍增管也是在中國開發出來的,我們認為它實際上能夠幫助我們在未來江門下一代的研究中得到廣泛的使用。這裏面很多的行業也參与到了相關的高科技的測量技術的開發當中。

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