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陈和生院士:对粒子物理未来发展的展望

 安喜的空间 2021-10-22
粒子物理是物质结构研究的最前沿,研究物质结构的最小单元及其相互作用的规律,它一直是物理学的主旋律。20世纪是名副其实的物理学世纪,在这个世纪,物理学从原子深入到原子核,从原子核深入到质子和中子,然后又深入到夸克,实现了三个层次的跨越,对我们物质结构的观点有了巨大贡献,它的科学研究成果也转变成为了大量变革性创新技术,对我们的生产、生活、政治和国际关系都产生了极为深刻的影响。
谈到粒子物理,我们肯定会谈到20世纪后半期提出来,并且得到实验充分验证的标准模型,它取得了巨大成功,使我们对微观世界的认识前进了一大步。但是粒子物理还面临着巨大的挑战,这个挑战就来自于粒子物理对宇宙论,也就是宇宙的起源和进化,还有天体演化过程的分析。粒子物理和宇宙学、天体物理的交叉产生了粒子天体物理,这是一个非常活跃的交叉前沿。那么天文的观测认为我们宇宙当中只有4%-5%的物质是标准模型所描述的这些物质,其他的95%以上都是暗物质和暗能量。这两种新的概念都是标准模型所不能够解释的。
所以,我们感觉到,尽管我们人类有高度的文明,我们的科学技术非常发达,但是我们到现在为止,仅仅认识了宇宙物质的5%。有人形容我们不过是一个井底之蛙,仅仅看到了很小的一部分宇宙。也有人嘲笑说我们现在的物理学对世界的了解好像哥白尼发现太阳学说之前的地心学说,我们的认识还是非常有局限的,片面的。
如果说20世纪的初期,我们有迈克尔孙-莫雷实验和黑体辐射这两朵乌云,它带来了20世纪物理学量子理论和相对论的突破,那么应该说我们21世纪就会面临着暗物质和暗能量对物理学的严峻挑战。它们就是21世纪的物理学天空中的两朵乌云。我想这两朵乌云恰恰是对我们物理学的挑战,也是对我们物理学前进的动力。它就表明了我们物理学正处在一个新的,重大的历史性发现的前夜。
那么这个地方我特别想提一下暗物质的寻找和研究,这是一个非常活跃的领域,有若干模型得到大家的高度重视。实验研究从深地实验,比如说锦屏地下实验室、意大利Gran Sasso实验室,世界上很多这样的。然后到地面的对撞机实验,比如欧洲核子研究中心的大型强子对撞机,到宇宙线的观测实验,羊八井宇宙线观测站、现在在四川稻城的LHAASO,还有我们在天空上的实验,阿尔法磁谱仪或者“悟空”实验,都是在寻找暗物质,这是它们的重要任务之一。
我是希望中国的科学家能够在21世纪的物理学突破当中作出重大贡献,这个地方我特别想强调一下,就是说我们一方面要从地下、地面和天上去找暗物质,但是这个暗物质到底是什么,我们现在说不清楚,并不知道,对吧?我常常是用辛弃疾的一首诗来形容这个局面,就是“众里寻他千百度,那人却在灯火阑珊处”。可能现在大家叫得很响的未必是这个真正的突破口。
但是我觉得我们在充分发挥中国的资源、地理条件、技术、人才的特点同时,去做暗物质实验的同时,还要部署下一步。如果哪一个实验发现了,比如深地实验发现了有暗物质的迹象,但是这个暗物质到底它的质量是多少,它的自旋怎么能说明它就是宇宙当中百分之二十几的暗物质,这是一个严峻的挑战。
我是呼吁理论家和实验家对各种可能出现的暗物质的侯选粒子,怎么去做实验的分析,指导实验家做实验的分析,指导实验家去准备相关的实验技术,这样才能够在一旦出现了突破之后,我们能够尽快地抢占先机,能够为物理学这一次大的发展做出重大贡献。
今天在线下和线上有大量的青年同学,我是衷心地希望有更多的中国青年能够献身物理学,献身科学,热爱祖国,能够为即将到来的物理学变革和突破,做出我们中华民族应有的贡献,谢谢大家。

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