■張 杰

今天我來，主要想給大家介紹大學(xué)精神，大學(xué)精神是由科學(xué)精神和人文精神組成的。我今天的報告從探索宇宙的奧秘講起，實際上它是科學(xué)精神的重要組成部分，我想通過幾個實例給大家講一下在探索科學(xué)奧秘當(dāng)中科學(xué)精神體現(xiàn)在什么地方，或許這樣一種科學(xué)精神會對大家的一生產(chǎn)生重要影響。

宇宙的萬物是非常復(fù)雜的，但是人類從一開始就努力地嘗試著理解它。宇宙的萬物，在我們看得到的一些自然現(xiàn)象的背后有規(guī)律性的東西，比如我們平?？吹降膸r石、沙粒以及月亮，它的背后實際上有一些根本的東西、根本的規(guī)律，把它們關(guān)聯(lián)在一起。平常我們看到的自然界的風(fēng)、水流，同樣也有一些根本的東西把它們聯(lián)系在一起。正是因為有了這樣的好奇心，才使得人類發(fā)展的過程中有了一個動力，所以科學(xué)精神的基礎(chǔ)就是好奇心，我希望大家記住這一點，這是我想和大家共享的第一個理念。

科學(xué)主要做什么事情呢？美國的大物理學(xué)家Fireman曾經(jīng)講過，組成這個世界運動物體的復(fù)雜排列，似乎有點像是天神們所下的一盤偉大的象棋，我們則是這盤棋的觀眾，我們除了當(dāng)觀眾以外，還要努力地理解這盤象棋背后的規(guī)律。這個就是科學(xué)的追求。幾個世紀以來，人們探索未知，逐漸形成了一些探索宇宙奧秘的科學(xué)方法?？茖W(xué)方法大體可以組成這樣一個鏈條：首先是發(fā)現(xiàn)問題、提出問題，這個環(huán)節(jié)非常重要，而這也是我們中國的學(xué)生在訓(xùn)練中比較缺少的。所以我們一直在說創(chuàng)新能力是從什么地方來的，其實，創(chuàng)新能力的起點就是提出問題和發(fā)現(xiàn)問題的能力，他一旦發(fā)現(xiàn)了問題，并且想去解決問題的話，下面就要提出猜想，怎么去解決這個問題。接下來，要對這個猜想的可能結(jié)果進行預(yù)測，預(yù)測了以后開始實驗，盡量去分析實驗結(jié)果。這個鏈條就是我們探索宇宙奧秘的科學(xué)方法的鏈條。接下來，我就用幾個實例，給大家介紹一下這個鏈條中的科學(xué)方法對于探究宇宙奧秘的根本的作用。

比如說，我們大家都敬仰牛頓，他看到了蘋果往下掉，他就想蘋果掉下來背后的原因是什么。提出了這個問題以后，就要大膽地去猜想，小心地去求證。提出了猜想，光停留在猜想這個階段還不是科學(xué)，這個猜想必須是可以被驗證的。比如霍金提出過一個猜想，就是一個看不見、摸不著、沒有實體的飄在空中噴著沒有熱度的火的龍，這是在中國和西方的古代都有過的猜想。當(dāng)然還有大量的例子，比如本杰明，他想到雷電，當(dāng)時人們對電已經(jīng)有了一定了解，假如說雷電要是電機組的話，他就可以用電瓶來收集，這就是一個猜想的邏輯結(jié)果以及區(qū)分不同的猜想。當(dāng)然，歸根結(jié)底，實驗是驗證猜想的最根本的方法，要讓所有的實驗結(jié)果都建立在一個共同的假設(shè)基礎(chǔ)上，就是這個實驗的設(shè)備工作起來必須是正常的。實驗的結(jié)果并不等于猜想，它要再返回到猜想中去，實驗結(jié)果要和猜想進行比較的話，就要更進一步講解關(guān)系。接下來給大家講三個案例，這三個案例是交通大學(xué)正在進行的對于三個奧秘的探索。在這個探索當(dāng)中，大家可以看到，這和我剛才講到的科學(xué)方法是一樣的思路。

第一個案例，實驗天體物理與太陽耀斑。

太陽是太陽系的核心，也是對地球影響力最大的星體，而太陽耀斑又是對地球和日地空間環(huán)境影響最大的天文現(xiàn)象。太陽耀斑在很早就已被觀察到了，人們用一種黑玻璃能看到太陽表面，它不是平整的，不斷地有一些火焰噴出來。實際上這些噴射出來的東西，就是一些高能的粒子得到加速，然后很多加速的粒子朝著地球的方向噴射。幸虧地球有磁場，所以當(dāng)這些高能的粒子噴向地球的時候，能量稍微低一點的就被磁場屏蔽了。但是我們?nèi)匀豢梢栽诘厍騼蓸O看到極光，那個極光就是太陽耀斑直接作用的結(jié)果。一次太陽耀斑釋放的能量是巨大的，典型的可以釋放10的26次方焦耳，這樣的能量相當(dāng)于100億個氫彈。所以幸虧太陽離我們非常遠，幸虧地球有磁場，否則太陽耀斑對于地球的影響將是災(zāi)難性的。

太陽耀斑是什么原因造成的？上個世紀60年代，人們就作了一個假設(shè)，認為太陽耀斑有各種各樣的可能，其中一種可能是太陽表面磁場的重疊過程造成的。因為太陽表面像地球表面一樣有磁場，太陽表面磁場強得多，當(dāng)兩個磁場的距離相對比較近的時候，它就有一定的概率，兩個磁場合成一個，這時里面的磁能就會得到噴發(fā)。我們后來在交通大學(xué)就試圖做這個實驗。當(dāng)然我們不太可能到太陽邊兒上去做這個實驗，因為那里溫度太高了。我們就試圖用激光去模擬磁場的重疊過程，看看這樣的重疊過程可不可以同時產(chǎn)生環(huán)流X線源以及X線噴流。這個實驗就是我的小組在交通大學(xué)做的。太陽耀斑的特點，就是在狹小的區(qū)域里面爆發(fā)巨大的能量，同時產(chǎn)生的輻射給地球最大的影響。我們要探究的是太陽耀斑的物理成因。大家在聽這個報告的時候，一定要想在最開始講的那個科學(xué)研究的方法，實際上都是一一對應(yīng)的關(guān)系。那么猜想什么呢，太陽耀斑的物理原因是不是由于磁場的重疊造成的？磁場的重疊是什么？就是磁場相反的磁力線因為互相靠近發(fā)生重新連接的現(xiàn)象。在這個過程中，磁場里的磁能會轉(zhuǎn)化成其他形式。比如在一個環(huán)形磁場，它當(dāng)中有了圍繞開始壓縮，壓縮以后變成兩個磁場，這個過程就是磁力線重新疊起的過程，特點是它幾乎可以把所有初始的磁能都轉(zhuǎn)化成熱能，以及電子和粒子的動能，還有大數(shù)的等離子團的動能。它轉(zhuǎn)化成了電子和粒子的動能，就是我們看見的耀斑向地球噴射，當(dāng)然它本身有大量熱能。

從十年前，我們就開始想，有沒有可能在實驗室里制造一個類似于太陽耀斑的粒子環(huán)境，在這個環(huán)境旁邊人為地制造一個磁沖連，這個時候看能不能在地球的實驗室里看到一個強的X光噴流過程。這個實驗我們整整做了十年的時間，一直到前年這個實驗才做出來。我們用了世界上最強的激光造具之一，就是神光激光裝置，它是相當(dāng)于一個足球場大的激光裝置。就用這樣一個激光裝置模擬實驗室天體物理現(xiàn)象，它的好處是可以在非常近的距離，而且是可控、主控的，去模擬天體的現(xiàn)象，研究太陽耀斑。使用激光來研究太陽等離子系，強激光等離子能量很大，就需要把激光聚焦到非常小的焦點上，這個焦點地方的溫度和密度可以比太陽上的溫度和密度還要高。有了實驗結(jié)果以后，第一是成功地獲取了自建的光點源，比如說太陽耀斑的噴流過程，它的耀斑長度是20公里，我們等離子體實驗室里那個噴流是2毫米，這兩個過程可以通過磁流體動力學(xué)嚴格地用一個方程把它對應(yīng)過來，這是一個標準的變換關(guān)系。第二是通過優(yōu)化激光區(qū)度的等離子，當(dāng)磁場沒有重疊的時候沒有這個噴點，一旦開始出現(xiàn)重疊，就開始出現(xiàn)噴流，這在世界上是第一次同時在地球上模擬出來太陽表面的能量等離子噴柱和下面的磁極X射線。這樣的結(jié)果在世界的影響是非常大的。因為以前太陽表面的很多物理觀察都沒有辦法得到實驗證實，所以都停留在猜想的階段，我們這個實驗第一次在全世界證明了太陽粒子的耀斑的確是由磁沖連過程造成的，這就在世界上引起非常高的注意度。這是我介紹的第一個例子，從太陽耀斑背后的物理機制看怎樣從科學(xué)方法上探索。

第二個案例，暗物質(zhì)探測。

我今天介紹的三個實驗都是在上海交通大學(xué)做的，都是在全世界最重要的物理問題方面的實驗，都是在全世界的科學(xué)探索中非常有意義的探索。先給大家介紹暗物質(zhì)探索。我們學(xué)物理學(xué)的都知道，19世紀末，牛頓力學(xué)以及麥克斯韋方程都已經(jīng)有了，人們一度認為物理學(xué)大廈已經(jīng)建完了，人類對物理世界的認識已經(jīng)接近完美，所以那時曾有很多科學(xué)家試圖從物理學(xué)角度解釋宇宙中發(fā)現(xiàn)的一切。但是相對論和量子力學(xué)的出現(xiàn)打破了這個認知。量子力學(xué)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)物體非常小的時候，運動規(guī)律和牛頓力學(xué)是不一樣的，當(dāng)物體的運動速度接近光速時，它的規(guī)律和牛頓力學(xué)也是不一樣的。所以從那個時候起，人們就開始用新的視角探索宇宙。20世紀中葉，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了恒星以及星系的運動速度，遠遠大于利用發(fā)光物質(zhì)推算出的運動速度，就是我們知道宇宙是來自于大爆炸的，大爆炸最開始的能量我們不知道。如果只有那一個能量的話，這樣的一個膨脹，總會有一個結(jié)束。但是人類觀測了上百年，發(fā)現(xiàn)宇宙星系之間的間距變得越來越大，證明宇宙的膨脹不是在減速而是在進一步加速，從這個加速就推斷出來，除了我們看到的正常物質(zhì)以外，還有一些不與光相互作用的引力物質(zhì)，這個物質(zhì)它有引力但沒有電磁力，這就是為什么我們到目前為止，并沒有直接地看到它，因為我們大部分的觀測都是靠電磁在觀測，它沒有電磁相互作用，所以用通常的辦法看不到它，現(xiàn)在就把這樣的一個物質(zhì)叫暗物質(zhì)。

這個暗物質(zhì)在上個世紀才被人們感受到，直到上個世紀末才真正把它分析出來，在不同尺度觀測到的具有引力效應(yīng)的暗物質(zhì)，其成分占宇宙的百分之二十三，是可見物質(zhì)的五到六倍。再來看一看我們對宇宙的了解，目前僅有百分之四，剩下的東西我們還充滿了未知。在這個現(xiàn)在知道的宇宙里，百分之四是我們所了解的，除此之外百分之二十三是暗物質(zhì)，百分之七十三是暗能量，這樣暗物質(zhì)和暗能量就變成了本世紀人類所求解的最大的謎團。根據(jù)引力效應(yīng)推斷，銀河系就被包含在一個巨大的球狀的暗物質(zhì)的暈當(dāng)中，而太陽系就在這個暈當(dāng)中穿行，太陽系在不斷地運動，實際上它周圍充滿了暗物質(zhì)。

暗物質(zhì)可以通過引力效應(yīng)間接觀察到。宇宙在加速膨脹，這個膨脹其實就是由暗物質(zhì)的引力效應(yīng)造成的。另外一方面，暗物質(zhì)是不存在于現(xiàn)在的標準模型當(dāng)中的，就是我們在上個世紀對于宇宙的理解鑒定標準模型里面并沒有暗物質(zhì)。問題就是暗物質(zhì)究竟是什么東西，接下來也是猜想的一個環(huán)節(jié)。首先的猜想，大家認為暗物質(zhì)很有可能是大質(zhì)量的弱相互作用的粒子。弱相互作用力和引力是四種相互作用力里的兩種，另外兩種是電磁相互作用和強相互作用，暗物質(zhì)是不存在這兩種作用力的。接下來有了猜想和預(yù)測，我們假設(shè)地球穿越暗物質(zhì)運動的時候，就像是地球在海里走，暗物質(zhì)就有極小的概率和我們的物質(zhì)發(fā)生碰撞。在碰撞中，可以通過高靈敏的探測器捕捉到暗物質(zhì)、測量它的性質(zhì)，所以這個就是預(yù)測。接下來我們就去設(shè)計實驗，實驗究竟怎么樣設(shè)計才能真正把暗物質(zhì)探測到。這個實驗是上海交通大學(xué)物理系教授季向東和他從世界召集的幾個志同道合的科學(xué)家一起做的。要想探測暗物質(zhì)，有幾個前提條件，第一是探測器必須非常非常靈敏，體量要非常大，因為小的東西和暗物質(zhì)的碰撞概率很??；第二是探測暗物質(zhì)的時候必須在非常深的地下，因為如果在地球表面的話，會有非常多的宇宙線打在機器的表面，會產(chǎn)生非常大的動靜，所以誰的實驗室水平第一，誰看到暗物質(zhì)的概率就高。

在這方面，季向東教授的團隊請了世界上設(shè)計暗物質(zhì)探測器最有經(jīng)驗的設(shè)計師，他來的理由也很簡單，他設(shè)計出來的探測器在1500米的地下沒有探測到，但他發(fā)現(xiàn)他的探測器的靈敏度要遠遠高于1500米深的地下的探測器。他知道我們有一個2500米深的實驗室，他就非常愿意把他的探測器用在中國這個暗物質(zhì)探測實驗當(dāng)中。一個是我們有了全世界最好的探測器，另一個是我們有了全世界最深的實驗室。要想在其他地方做一個2500米深的實驗室，花的錢是幾百億、上千億。但我們有運氣，四川景平山正要建一個水電站，這個水電站正好把水的落差弄到2500米，從山頂一直達到山底下打的一個水道，這個水道被我們討論到，最后得到景平山水電站的大力支持。這個實驗由我們和清華大學(xué)兩個學(xué)校來做，從2010年開始造探測器，第一個是200公斤的探測器，第二個是500公斤的探測器，第三個是重達一噸的探測器。當(dāng)探測器達到500公斤的時候，它的靈敏度就已經(jīng)是世界上最好的了，當(dāng)它達到一噸的時候，就比世界上次好的探測器要高出一個數(shù)量級。另一方面，因為這個實驗室的地深比意大利的實驗室深1000米，它的背景就要干凈10倍，通過這樣一個實驗，應(yīng)該是我們中國最有可能首先探測到暗物質(zhì)，現(xiàn)在開始就要往地洞里裝實驗設(shè)備了，大概在里面做實驗要做10年的時間。

第三個案例，中微子振蕩測量。

上海交通大學(xué)的另外一組團隊研究的是對宇宙的另外一個問題的解答。另外一個問題是什么呢？我們這個宇宙來源于一次大爆炸。這個大爆炸應(yīng)該是對稱的。對稱的大爆炸應(yīng)該是炸出一個正物質(zhì)組成的宇宙，同時應(yīng)該有一個反物質(zhì)組成的宇宙。問題是到現(xiàn)在我們只看到了由正物質(zhì)組成的宇宙，那個由反物質(zhì)組成的宇宙找不到。所以這個實驗就是試圖回答這樣的一個問題，為什么反物質(zhì)和正物質(zhì)是不對稱的？想要回答這個問題，是從探測中微子做起的，中微子就是為了解決β衰變的。波利在1930年提出中微子的概念，中微子是一個非常非常輕的基本粒子，它不帶電荷，靜止質(zhì)量是零，不參與強相互作用，基本和光子一樣。

太陽的熱核反應(yīng)，會同時產(chǎn)生很多的中微子。但是地球上測到的太陽的中微子數(shù)量只是預(yù)期的三分之一，于是科學(xué)家就在思索，為什么我們觀察的太陽的中微子只有三分之一？剩下的中微子跑到哪里去了？接下來就是幾個猜想。猜想一，就是太陽核心的溫度比我們預(yù)計的要低，因為它的核心溫度比預(yù)計的低，所以它其實沒有輻射出我們計算的那么多的中微子，只有三分之一。接下來我們就對這樣一個猜想進行證明，預(yù)測的就是不管怎么樣調(diào)整太陽的標準模型，都無法符合觀測到的中微子數(shù)量，對模型進行任何調(diào)整，只會使矛盾增多。接下來就對太陽核心溫度作一個測量，測量發(fā)現(xiàn)，實際溫度與標準太陽模型的溫度符合得很好，這就說明這個猜想是錯的，就是太陽發(fā)射出的中微子真的是很多，但是我們觀察到的只是三分之一，那么剩下的三分之二去哪兒了？太陽的中微子失蹤的這個謎團至今仍然沒有解決。猜想二，是不是中微子從太陽產(chǎn)生之后傳播到地球當(dāng)中變了，不再是我們探測得了的？因為中微子有幾種不同的類型，中微子從一種類型變成另外一種類型叫作中微子振蕩。接下來這個預(yù)測，中微子在飛行當(dāng)中，從一種類型變成另一種類型，三種類型的中微子兩兩振蕩，應(yīng)該有三種模式，所以就開始用實驗證明，是不是有這樣三種模式。日本的超級神鋼實驗證明了中微子的確存在著振蕩現(xiàn)象，2001年加拿大的太陽中微子流測量實驗證實了太陽的中微子變成了其他類型的中微子，而三種中微子的總數(shù)并沒有減少，這回答了一個非常大的疑問，就是的確發(fā)現(xiàn)我們的猜想二是對的——它在傳送到地球的過程中發(fā)生了轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變成另外的中微子，你把三種中微子一塊兒探測的話，就發(fā)現(xiàn)太陽發(fā)射出去的中微子并沒有減少，并沒有丟失。這個大氣中的中微子振蕩和大氣中的中微子振蕩對應(yīng)著兩種中微子的混合，在我們參加這個實驗之前沒有探測到第三種振蕩的模式，問題是為什么沒有探測到第三種振蕩模式？因為當(dāng)時對應(yīng)的中微子的混合角振蕩得非常小，所以一直沒有看到。

從2003年開始，中國很多大學(xué)的研究所都參加了這個實驗，當(dāng)時我還在中國科學(xué)院高能物理研究所，包括上海交通大學(xué)的科學(xué)家一起來進行實驗。這個實驗利用了大亞灣核電站發(fā)射出的中微子來尋找。大亞灣發(fā)射出的中微子因為也有這樣三種不同的模式，來尋找第三種的振蕩模式，希望測量出第三種振蕩的振蕩角。交通大學(xué)的科研團隊承擔(dān)的是系統(tǒng)安裝調(diào)試許多物理分析的工作，這也是實驗里的核心。大亞灣是一個環(huán)境特別優(yōu)越的地方，因為大亞灣同時有三個2.9G瓦乘2的核電站，這里周圍中微子的產(chǎn)量特別高。2012年3月，大亞灣核電站中微子的實驗發(fā)現(xiàn)了新的中微子振蕩，這是到目前為止中國物理學(xué)家對世界物理最大的貢獻之一，就是測到了第三個混合角，而第三個混合角的測量是回答正物質(zhì)和反物質(zhì)為什么不對稱問題邁出的關(guān)鍵的一步。意味著中微子存在振蕩現(xiàn)象的同時，可能存在電荷離子層不守恒，或者就是中微子和反中微子間的行為不對稱。大亞灣實驗完成了一個概念圖，這個中微子和反中微子間的性質(zhì)為不對稱的實驗鋪平了道路?，F(xiàn)在越來越多的證據(jù)，以及通過大亞灣實驗，我們了解到最開始大爆炸的時候，實際上是存在對稱的破缺，因為對稱的破缺，造成一個非對稱的大爆炸。交通大學(xué)一直致力于解決宇宙和人類最根本的科學(xué)問題，類似的重大科學(xué)研究在交通大學(xué)屢見不鮮。我相信在不久的將來，這些宇宙奧秘將會被我們逐一解開。歡迎更多對科學(xué)充滿信心的年輕人加入到我們的行列中來。

大家都知道上海交通大學(xué)，可能不知道交通大學(xué)的“交通”兩個字典出何處?！敖煌ā边@兩個字，出自兩千五百年前的《易經(jīng)》里的“天地交而萬物通”。這是對大學(xué)精神的最好的詮釋。

（以上是張杰校長于2012年6月12日在南開公能講壇上所作的報告，本刊登載時有刪節(jié)。）