路 甬 祥:百 年 物 理 学 的 启 示

(2005年6月)据 中 国 消 息, 近 日,中 科 院 院 长 路 甬 祥 先 生 在0“科 学 与 中 国” 院 士 专 家 巡 讲 活 动 中,作 了 重 要 报 告, 报 告 的 题 目 是 “百 年 物 理 学 的 启 示”,全 文 如 下:

同 志 们, 同 学 们, 为 了 庆 祝 中 国 科 学 院 学 部 建 立 50 周 年, 同 时 也 纪 念 世 界 物 理 年, 我 非 常 高 兴 地 来 到 中 国 科 学 院 研 究 生 院, 跟 大 家 一 起 回 顾 百 年 物 理 学 的 进 展, 以 及 对 我 们 的 启 示。 一 百 年 以 前, 爱 因 斯 坦 写 下 了 五 篇 科 学 史 上 著 名 的 论 文, 他 们 是 : 讨 论 了 光 量 子 以 及 光 电 效 应 的 “关 于 光 的 产 生 和 转 化 的 一 个 启 发 性 观 点”, 这 篇 论 文 讨 论 了 光 量 子 及 光 电 效 应; 第 二 篇 是 推 倒 出 计 算 分 子 扩 散 速 度 数 学 公 式 的 “分 子 大 小 的 新 测 定”; 第 三 篇 是 提 供 了 原 子 确 实 存 在 证 明 的 “关 于 热 的 分 子 运 动 论 所 要 求 的 静 止 液 体 中 悬 浮 小 粒 子 的 运 动”; 第 四 篇 是 提 出 时 空 关 系 新 理 论 的 “论 动 体 的 电 动 力 学”, 正 是 因 为 这 篇 论 文, 拉 开 了 近 代 物 理 学 的 序 幕; 第 五 篇 是 “物 体 的 惯 性 是 否 决 定 其 内 能”, 根 据 狭 义 相 对 论 提 出 了 质 量 与 能 量 可 互 换 的 思 想, 这 应 该 是 原 子 能 释 放 的 理 论 基 础。 我 们 可 以 看 到, 这 五 篇 论 文 每 一 篇 都 具 有 重 大 的 科 学 意 义, 其 中 因 为 第 一 篇, 诺 贝 尔 奖 委 员 会 授 予 爱 因 斯 坦 诺 贝 尔 奖。 其 实, 第 四 篇 和 第 五 篇 更 重 要, 但 是 由 于 当 时 学 术 界 还 有 争 议, 所 以 诺 贝 尔 奖 委 员 会 选 择 了 第 一 篇, 实 际 上 第 一 篇 仅 仅 是 把 量 子 论 推 演 到 光 电 效 应 领 域。 我 特 别 要 指 出 的 是, 爱 因 斯 坦 写 下 这 五 篇 论 文 的 时 候, 他 还 是 一 个 非 常 年 轻 的 学 者, 他 还 没 有 在 大 学 或 者 研 究 机 构 里 得 到 一 个 正 式 的 职 位, 他 这 个 论 文, 实 际 上 都 是 在 巴 尔 尼 专 利 局 任 低 级 的 专 利 审 查 员 期 间 业 余 完 成 的。

以 量 子 论 和 相 对 论 为 基 础 的 近 代 物 理 学 革 命, 将 科 学 引 入 到 了 一 个 新 的 时 代, 人 类 认 知 的 触 角 伸 向 了 广 袤 的 宇 宙, 伸 向 了 遥 远 的 宇 宙 起 源 之 初, 伸 向 人 类 未 曾 了 解 过 的 微 观 物 质 层 面, 伸 向 了 生 命 领 域 以 及 神 经、 脑 等 认 知 器 官 的 领 域。 近 代 物 理 学 革 命, 在 以 后 的 岁 月 里, 还 引 发 了 生 命 科 学 的 革 命。 这 一 切 都 改 变 了 人 类 的 物 质 观、 时 空 观、 生 命 观 和 宇 宙 观。 近 代 物 理 学 革 命, 它 催 生 出 了 核 能、 半 导 体、 激 光、 新 材 料 和 超 导 的 技 术 物 理, 促 进 了 一 批 新 技 术 的 飞 速 发 展, 并 且 籍 此 而 改 变 了 人 类 现 代 的 生 产 与 生 活 方 式, 将 人 类 推 进 到 了 一 个 知 识 经 济 的 新 时 代。

爱 因 斯 坦 以 及 近 代 物 理 学 革 命 的 缔 造 者 们 无 疑 是 科 学 史 上, 乃 至 人 类 历 史 上 一 批 划 时 代 的 伟 人。 今 天 我 们 纪 念 他 们, 回 顾 一 百 年 来 物 理 学 的 发 展 历 程, 并 不 仅 仅 是 为 了 感 念 和 追 思, 我 以 为 更 重 要 的 应 该 从 他 们 的 成 就 和 发 现 的 历 程 中 汲 取 可 贵 的 经 验 与 启 示, 以 便 把 握 科 学 的 未 来, 推 动 科 技 的 创 新。 尤 其 是 我 们 生 活 在 的 当 代 中 国, 当 今 时 代, 更 应 该 从 中 吸 取 启 示, 提 升 我 们 的 创 新 自 信 心, 为 国 家 民 族 自 主 创 新 能 力 的 提 升, 作 出 贡 献, 为 世 界 科 学 的 发 展 作 出 中 华 民 族 应 该 有 的 新 的 贡 献。

我 们 现 在 来 看 看 他 们 的 成 就 究 竟 给 我 们 带 来 一 些 什 么 启 示 呢 ?

第 一, 我 认 为 是 实 验 和 理 论 之 间 的 矛 盾 催 生 了 新 的 科 学 概 念。 当 时 一 些 物 理 现 象 的 发 现, 已 经 预 示 了 经 典 物 理 学 解 释 的 局 限 性。 比 如 热 辐 射 现 象 的 新 的 实 验 观 测 对 当 时 的 经 典 物 理 学 理 论 提 出 了 置 疑, 麦 克 斯 韦 电 磁 场 理 论 虽 然 能 够 比 较 好 地 解 释 电 磁 波 以 及 光 的 传 播, 但 是 对 于 热 辐 射 的 发 射 跟 吸 收 无 能 为 力。 当 时 有 一 位 科 学 家 叫 基 尔 霍 夫, 他 提 出 了 黑 体 作 为 理 想 模 型 来 研 究 热 辐 射, 科 学 家 维 恩 确 认 可 以 将 一 个 带 小 孔 空 腔 的 热 辐 射 性 能 看 作 一 个 理 想 的 黑 体。 因 为 如 果 这 个 假 设 存 在, 那 么 就 可 以 得 到 一 个 比 较 理 想 的 电 荷 级 的 辐 射 源, 这 个 对 做 实 验 研 究 方 面 是 非 常 有 利 的。 一 系 列 的 实 验 表 明, 黑 体 它 所 辐 射 的 辐 射 能 量 的 密 度 与 温 度 有 关, 而 与 其 形 状 和 组 成 的 物 质 无 关, 怎 样 从 理 论 上 解 释 黑 体 能 谱 曲 线, 成 了 当 时 热 辐 射 研 究 的 关 注 焦 点。 而 热 辐 射 研 究 又 引 发 了 一 系 列 物 理 学 新 的 发 现。 我 们 大 家 都 已 经 知 道, 量 子 理 论 的 起 点 是 源 于 热 辐 射 的 研 究。 这 里 特 别 要 提 到 德 国 的 物 理 学 家 普 朗 克, 为 了 解 释 黑 体 辐 射 光 谱 的 能 量 分 布 曲 线, 普 朗 克 在 1900 年 提 出 了 一 个 与 实 验 结 果 非 常 吻 合 的 公 式, 表 明 辐 射 能 量 也 像 物 质 一 样 也 具 有 粒 子 性, 而 不 是 连 续 性 的, 能 量 的 分 离 性, 辐 射 的 能 量 也 具 有 粒 子 性, 也 就 是 不 连 续 性, 这 实 际 上 被 公 认 为 量 子 理 论 的 起 点。

爱 因 斯 坦 在 1905 年 把 量 子 的 概 念 推 广 到 光 的 传 播 过 程, 提 出 了 光 量 子 理 论, 并 且 成 功 地 解 释 了 当 时 已 经 有 的 光 电 效 应 实 验 的 结 果。 丹 麦 的 物 理 学 家 玻 尔, 在 1913 年 又 把 能 量 子 的 概 念 推 广 到 了 原 子, 以 原 子 的 能 量 状 态 假 设 为 基 础, 建 立 了 量 子 论 的 原 子 结 构 模 型, 当 时 玻 尔 坚 信, 原 子 是 有 核 的, 但 是 当 时 已 经 有 的 原 子 模 型, 不 能 解 释 一 些 实 验 看 到 的 物 理 现 象, 比 如 最 典 型 的 当 时 做 氢 的 能 谱 实 验, 发 现 有 四 条 谱 线, 而 且 是 互 相 分 离 的, 玻 尔 受 到 普 朗 克 量 子 论 的 启 示, 认 为 有 不 同 能 带 的 轨 道, 到 高 能 带 到 低 能 带 跃 迁 的 时 候, 就 可 能 发 出 光 量 子, 能 带 的 极 差 如 果 不 同, 当 然 量 子 所 含 的 能 谱, 所 反 映 出 来 的 能 谱 也 是 不 同 的。 轨 道 如 果 是 有 限 的, 当 然 它 的 能 谱 是 不 连 续 的, 成 功 地 把 量 子 概 念 引 入 到 原 子 模 型 当 中。 但 是 玻 尔 建 立 起 来 的 原 子 模 型, 它 满 足 了 粒 子 性 的 条 件, 但 是 又 不 能 够 满 足 波 动 性 的 条 件, 因 此 德 国 另 外 一 位 物 理 学 家 海 森 伯, 他 直 接 走 了 另 外 一 条 途 径, 直 接 从 光 谱 的 频 率 和 强 度 的 经 验 资 料 出 发, 在 1925 年 提 出 了 矩 阵 量 子 力 学。

另 外 有 一 位 差 不 多 同 时, 或 者 说 稍 晚 一 些, 奥 地 利 的 物 理 学 家 薛 定 谔, 他 改 进 了 德 布 罗 意 基 于 波 粒 二 象 性 的 物 质 波 理 论, 提 出 了 波 动 量 子 力 学。 费 曼 等 人 的 研 究 不 仅 证 明 了 矩 阵 和 波 动 两 种 量 子 力 学 的 数 学 的 等 价 性, 而 且 又 发 展 出 了 第 三 个 等 价 的 方 法, 即 路 径 积 分 量 子 力 学, 从 这 里 我 们 也 可 以 看 到, 量 子 论 的 发 展 不 是 一 个 人 的 贡 献, 而 是 一 批 科 学 家 的 共 同 贡 献, 对 一 个 物 理 现 象 的 数 学 描 述, 使 用 的 工 具 与 方 法, 也 并 不 完 全 都 是 唯 一 的, 至 少 在 发 展 的 过 程 当 中, 它 也 是 多 样 性 的, 最 后 当 然 大 家 会 逐 步 统 一 到 一 个 最 佳 的 方 法 上 面 来。 正 是 热 辐 射 这 一 个 疑 难 问 题, 成 为 了 量 子 论 诞 生 的 逻 辑 起 点, 作 为 能 量 的 量 子 概 念 诞 生 是 在 1900 年, 普 朗 克 最 早 提 出 的, 它 的 推 广 导 致 描 述 微 观 粒 子 运 动 的 量 子 力 学 在 1920 年 以 后 逐 步 完 善, 大 概 25、 26 年 左 右, 并 且 进 而 与 狭 义 相 对 论 结 合, 发 展 出 描 述 微 观 粒 子 产 生 和 湮 灭 奥 秘 的 量 子 场 论。 量 子 场 论 的 发 展, 也 经 历 了 经 典 量 子 场 论, 规 范 量 子 场 论, 分 别 是 对 称 的、 不 对 称 的 和 超 对 称 量 子 场 论 这 三 个 发 展 阶 段。 量 子 场 论 不 仅 揭 开 了 人 们 肉 眼 看 不 见 的 微 观 物 质 世 界 的 规 律, 也 加 深 了 人 类 对 宇 宙 演 化 的 理 解, 更 新 了 人 们 认 识 客 观 世 界 的 方 式, 并 且 也 带 来 了 一 系 列 重 大 的 技 术 方 面 的 突 破。

因 此, 从 这 点 可 以 看 到, 科 学 归 根 到 底 是 证 实 知 识 体 系, 一 旦 理 论 与 严 密 的 实 验 结 果 出 现 了 不 一 致, 无 论 这 种 理 论 权 威 性 如 何, 无 论 这 种 理 论 曾 经 得 到 多 少 人、 多 少 年 的 信 奉, 作 为 一 名 科 学 家, 都 有 理 由 去 质 疑 这 个 理 论 本 身, 并 且 努 力 去 完 善 它, 或 者 创 造 新 的 理 论 去 替 代 它。 科 学 探 索 的 最 终 结 果 是 对 发 现 的 自 然 现 象 做 出 精 确 的 理 论 解 释, 而 做 出 理 论 解 释, 不 仅 需 要 有 严 谨 的 科 学 态 度, 理 性 的 质 疑 精 神, 更 需 要 深 邃 的 思 考 能 力 和 缜 密 的 分 析 能 力, 以 及 理 论 思 维 的 能 力。 我 们 前 面 看 到 的 这 些 科 学 家, 他 们 不 光 注 重 实 验, 而 且 注 重 理 性 的 思 维, 注 重 运 用 数 学 的 工 具 来 进 行 科 学 的 概 括。

第 二, 我 以 为 重 大 的 科 学 突 破 往 往 始 于 凝 练 出 重 要 的 科 学 问 题。 提 出 问 题, 可 能 比 解 决 问 题 更 重 要。 问 题 提 出 了, 即 便 你 提 出 问 题 的 人 在 有 生 之 年 没 有 能 解 决, 其 他 的 科 学 家 或 者 我 们 的 子 孙 后 代, 总 有 一 天 会 解 决 这 个 问 题。 所 以 凝 练 科 学 目 标, 凝 练 科 学 问 题, 在 当 代 显 得 更 加 重 要。

如 果 你 提 不 出 科 学 问 题, 你 就 没 有 明 确 的 工 作 目 标。 爱 因 斯 坦 提 出 的 相 对 论, 就 是 一 种 崭 新 的 时 空 观。 相 对 论 的 关 键 科 学 问 题, 是 在 于 同 时 的 相 对 性。 相 对 论 合 理 地 解 释 了 时 空 相 互 之 间 的 联 系, 时 空 与 物 质 分 布 相 联 系, 物 质 和 能 ?相 联 系, 根 本 改 造 了 牛 顿 以 来 经 典 的 物 理 学 知 识 体 系, 不 仅 与 量 子 力 学 一 起 构 成 了 20 世 纪 物 理 学 发 展 的 基 础, 而 且 把 人 类 对 于 自 然 的 认 识 提 升 到 了 一 个 全 新 的 水 平, 深 刻 地 影 响 了 人 们 以 后 的 思 维 方 式 以 及 世 界 观。

相 对 论 的 创 立, 实 际 上 源 于 作 为 电 磁 波 假 设 载 体 “以 太” 的 一 个 质 疑。 美 国 物 理 学 家 迈 克 尔 逊, 于 1887 年 公 布 了 一 个 实 验 报 告, 称 为 “地 球 和 光 以 太 的 相 对 运 动”。 报 告 表 明, 在 牛 顿 力 学 领 域 里 普 遍 成 立 的 相 对 性 原 理 在 麦 克 斯 韦 电 磁 场 理 论 中 不 成 立。 荷 兰 物 理 学 家 洛 仑 兹 和 法 国 物 理 学 家 彭 加 勒 等 都 想 在 保 留 以 太 假 说 的 基 础 上 解 决 这 一 矛 盾, 洛 仑 兹 通 过 引 入 长 度 收 缩、 局 部 时 间 和 新 的 变 换 关 系, 证 明 了 在 一 级 近 似 下, 地 球 系 统 与 以 太 服 从 相 同 的 规 律; 而 彭 加 勒 提 出 的 相 对 性 原 理 和 洛 仑 兹 提 出 的 变 换 群 则 强 调 相 对 性 原 理 普 遍 的 有 效 性。 彭 家 勒 和 洛 仑 兹 的 工 作 已 经 不 自 觉 地 偏 离 了 经 典 物 理 学 的 框 架, 并 且 在 向 相 对 论 的 大 门 前 进, 甚 至 有 的 人 说 已 经 扣 响 了 相 对 论 的 大 门, 但 是 他 们 没 有 勇 气 再 向 前 突 破 原 来 经 典 理 论 的 框 架。 因 此 创 立 相 对 论 的 机 会 和 重 任 还 是 留 给 了 爱 因 斯 坦。

爱 因 斯 坦 就 是 敢 于 质 疑 前 人 提 出 的 但 后 来 被 实 验 证 明 是 有 缺 陷 的、 有 矛 盾 的 假 说 或 者 是 理 论, 他 认 为, 以 太 学 说 是 多 余 的, 而 且 更 重 要 的 是 他 提 出 了 同 时 的 相 对 性 这 一 关 键 的 科 学 问 题。 爱 因 斯 坦 在 “论 动 体 的 电 动 力 学” 论 文 当 中, 通 过 严 密 的 分 析 指 出, 同 一 地 点 发 生 的 两 个 事 件 同 时 性 是 不 依 赖 于 观 察 者 的, 而 异 地 发 生 的 两 个 事 件 的 同 时 性 则 是 依 赖 于 观 察 者 的, 只 有 指 明 相 对 哪 一 个 观 察 者 不 同 地 点 的 同 时 性 才 有 意 义。 同 时 这 种 相 对 性, 我 们 在 日 常 生 活 当 中 几 乎 观 察 不 到, 观 察 者 的 运 动 速 度 只 有 当 接 近 光 速 的 时 候, 才 能 发 现 它, 爱 因 斯 坦 借 助 于 同 时 相 对 性 的 概 念, 通 过 光 速 恒 定 和 相 对 性 两 条 原 理, 推 导 出 狭 义 相 对 论 的 主 要 结 论。 狭 义 相 对 论 的 进 一 步 发 展 就 是 广 义 相 对 论 和 统 一 场 论, 爱 因 斯 坦 以 其 相 对 论 研 究 的 三 部 曲 向 物 理 学 的 同 行 展 示 了 他 非 凡 的 科 学 思 维 创 造 力, 和 挑 战 已 有 理 论 体 系 的 勇 气。

第 三, 我 认 为 是 科 学 的 想 象 力 需 要 严 谨 的 实 验 证 据 支 持。 前 面 讲 了, 提 出 科 学 问 题 很 重 要, 要 勇 于 挑 战 已 有 的 科 学 理 论, 勇 敢 的 提 出 质 疑, 但 是 这 种 质 疑 绝 不 是 胡 思 乱 想, 绝 不 是 毫 无 根 据 的, 狂 妄 的 去 挑 战 已 有 的 真 理, 而 是 需 要 严 谨 的 实 验 作 为 依 据。

在 广 义 相 对 论 发 表 的 翌 年, 爱 因 斯 坦 发 表 了 “根 据 广 义 相 对 论 对 宇 宙 学 所 作 的 考 察” 这 篇 论 文, 标 志 着 现 代 宇 宙 学 的 诞 生。 尽 管 爱 因 斯 坦 的 宇 宙 模 型 还 是 沿 袭 了 牛 顿 静 态 宇 宙 观, 但 是 他 所 给 出 的 场 方 程, 却 允 许 宇 宙 动 态 解 的 存 在。 在 1917 年, 荷 兰 著 名 的 天 文 学 家 德 西 特, 在 1922 年, 俄 国 数 学 家 弗 里 德 曼 以 及 1927 年 比 利 时 的 物 理 学 家 勒 梅 特 先 后 提 出 了 膨 胀 宇 宙 论。 美 国 的 天 文 学 家 哈 勃, 所 观 测 到 的 红 移 定 律, 有 力 地 支 持 了 宇 宙 膨 胀 理 论。 俄 国 出 身 的 美 国 物 理 学 家 加 莫 夫, 在 1946 年 基 于 膨 胀 理 论 的 基 础 上, 根 据 引 入 核 物 理 的 知 识, 提 出 了 宇 宙 大 爆 炸 理 论, 认 为 宇 宙 的 起 源 是 温 度 和 密 度 接 近 无 穷 大 的 原 始 火 球 爆 炸 而 产 生 的。 他 的 学 生 阿 耳 法 等 人, 1948 年 进 一 步 推 算 出 了 宇 宙 大 爆 炸 应 该 发 生 在 150 — 200 亿 年 以 前, 并 且 预 言 大 爆 炸 所 形 成 的 余 烬 在 今 天 应 该 表 现 为 5K 左 右 的 宇 宙 背 景 辐 射。 1964 年, 美 国 两 位 电 讯 工 程 师 彭 齐 亚 和 威 尔 逊 在 研 究 卫 星 的 电 波 通 信 的 时 候, 他 们 制 作 了 一 个 非 常 灵 敏 的 接 收 机, 接 收 到 了 来 自 宇 宙 各 方 向 强 度 都 不 变 的 背 景 微 波 辐 射, 这 种 微 波 辐 射 恰 好 相 当 于 3.5K 左 右 的 遥 远 宇 宙 的 黑 体 辐 射, 和 前 面 的 预 言 是 非 常 之 接 近 的。 这 一 表 现 被 认 为 是 证 实 了 宇 宙 大 爆 炸 学 说 的 背 景 辐 射 的 预 言, 随 后 大 爆 炸 学 说 被 广 泛 地 接 受, 并 且 发 展 成 为 当 代 宇 宙 学 的 一 个 标 准 模 型。

早 在 20 世 纪 初, 爱 因 斯 坦 就 把 地 球 磁 场 的 起 源 也 列 为 物 理 学 的 五 大 难 题 之 一, 但 直 到 地 震 波 方 法 确 认 了 地 球 全 层 结 构 以 后 的 1960 年 代, 人 们 才 提 出 “自 激 发 电 机” 假 说, 而 它 的 科 学 认 证 却 要 等 到 1995 年 核 - 幔 差 异 运 动 的 证 据 获 得, 对 于 固 体 地 球 内 部 结 构 了 解 的 进 展 主 要 借 助 于 地 震 波 方 式, 通 过 穿 透 地 球 内 部 的 地 震 波 速 度 变 化 的 分 析, 逐 步 地 形 成 了 关 于 地 球 圈 层 结 构 的 概 念, 克 罗 地 亚 地 球 物 理 学 家 莫 霍 洛 维 奇 发 现 地 壳 与 地 幔 的 分 界 面。 德 裔 美 国 地 震 学 家 古 登 堡 发 现 了 地 幔 与 地 核 还 有 一 个 分 界 面, 就 是 固 体 地 球 内 部 是 由 多 层 构 成 的, 而 且 层 与 层 之 间 有 明 显 的 分 界 面。 雷 曼 发 现 了 液 体 外 地 核 和 固 体 内 地 核 之 间 也 存 在 分 界 面, 布 伦 提 出 了 地 球 的 分 层 模 型, 在 前 面 发 现 的 基 础 上, 布 伦 概 括 总 结 起 来, 提 出 了 地 球 分 层 模 型, 已 经 到 了 1946 年, 核 - 幔 旋 转 差 异, 是 为 解 释 地 磁 场 起 源 而 提 出 的 一 种 假 说, 后 来 又 被 用 来 解 释 地 磁 极 性 倒 转 的 一 种 机 制, 但 开 始 没 有 得 到 科 学 的 证 据。 一 直 到 1960 年 代 到 1990 年 代, 美 国 哥 伦 比 亚 大 学 工 作 的 宋 晓 东 和 理 查 兹, 他 们 通 过 1967 — 1995 年 靠 近 南 极 的 南 美 桑 威 奇 群 岛 附 近 发 生 的 38 次 地 震 记 录 的 分 析, 测 量 了 通 过 地 球 内 核 传 到 靠 近 北 极 的 阿 拉 斯 加 的 克 里 奇 地 震 台 的 地 震 波 速 度, 发 现 30 年 当 中 南 极 发 生 的 地 震 波 到 达 北 极 快 了 0.3 秒, 也 就 是 说 传 播 的 速 度 不 一 样, 由 此 直 接 证 实 了 地 球 内 核 比 地 壳 和 地 幔 转 动 要 稍 稍 快 一 点, 大 概 三 百 年 内 要 多 转 一 周, 如 果 把 地 球 看 成 鸡 蛋 的 话, 蛋 黄 转 的 快 一 点, 三 四 百 年 当 中 要 多 转 一 圈。 这 是 一 个 重 大 的 发 现。

我 们 从 爱 因 斯 坦 相 对 论 宇 宙 大 爆 炸 理 论 和 地 球 磁 场 理 论 提 出 与 完 善 过 程 当 中 可 以 看 到 下 面 几 点 : 第 一、 在 科 学 发 展 中, 解 决 问 题 是 重 要 的, 而 提 出 重 要 的 科 学 问 题 似 乎 更 关 键; 第 二、 提 出 科 学 问 题 是 科 学 研 究 的 前 提, 提 出 重 要 的 科 学 问 题 更 能 够 昭 示 科 学 所 蕴 含 的 创 造 力; 第 三、 有 时 一 个 重 要 科 学 问 题 的 提 出 甚 至 能 够 开 辟 一 个 新 的 研 究 领 域 和 研 究 方 向; 第 四、 提 出 问 题, 需 要 对 已 有 知 识 的 透 彻 理 解, 需 要 热 爱 真 理 胜 过 尊 重 权 威 的 科 学 态 度, 需 要 极 强 的 科 学 观 察 力 和 洞 察 能 力, 以 及 创 造 性 的 思 维 能 力, 同 时 还 需 要 敢 于 创 新 的 勇 气 和 信 心。 比 如 宋 晓 东 他 们 两 位, 实 际 上 主 要 不 是 依 靠 自 己 的 实 验 数 据, 而 是 分 析 了 近 30 多 年 的 各 地 震 台 所 记 录 的 实 验 数 据, 找 到 了 传 播 速 度 的 差 异, 这 在 当 代 这 种 情 况 可 能 性 会 更 多, 比 如 在 生 命 科 学 领 域, 现 在 全 世 界 有 大 量 的 基 因 组 数 据, 包 括 人 类 基 因 组, 水 稻 基 因 组, 蚕 的 基 因 组 等 等, 而 且 这 些 数 据 都 是 公 开 的, 可 以 用。 但 是 到 现 在 为 止, 基 因 组 的 语 法, 基 因 组 的 功 能, 基 因 功 能 之 间 的 关 系 的 规 律, 并 没 有 被 系 统 的 揭 示, 我 相 信 揭 示 这 个 规 律 的 人, 不 一 定 是 完 成 基 因 组 的 那 群 科 学 家, 也 许 是 其 他 另 外 的 科 学 家, 利 用 这 些 数 据, 创 造 性 地 揭 示 了 基 因 组 的 语 法, 基 因 组 的 结 构 与 功 能 之 间 的 相 互 关 系 的 规 律。 这 点 来 说, 对 于 发 达 国 家 和 发 展 中 国 家 工 作 的 科 学 家, 机 会 似 乎 是 公 平 的, 因 为 全 世 界 科 学 家 都 可 以 用 这 些 数 据, 天 文 观 测 当 中 也 同 样 的, 哈 勃 望 远 镜 的 数 据, 跟 我 们 包 括 粒 子 物 理 当 中 对 撞 机 的 许 多 数 据, 也 是 可 以 公 开 的 获 取, 或 者 是 半 公 开 的 获 取, 你 只 要 参 与 进 去, 就 可 以 分 享 这 些 数 据。

第 四, 物 理 学 包 括 其 他 的 自 然 科 学, 都 需 要 数 学 语 言。 因 为 数 学 是 对 数 与 形 的 简 捷 的 概 括 和 优 美 的 表 达 方 式, 所 以 物 理 的 规 律, 往 往 需 要 用 数 学 语 言 来 表 达。

近 代 物 理 学 的 书 写 语 言 几 乎 都 是 数 学, 德 国 天 文 学 家 开 普 勒 用 代 数 方 程 总 结 出 了 行 星 运 动 的 三 定 律, 被 誉 为 世 界 第 一 位 数 学 物 理 学 家。 意 大 利 物 理 学 家 伽 利 略 以 几 何 学 方 法 论 证 落 体 运 动 定 律, 牛 顿 力 学 的 三 定 律, 用 最 简 单 的 代 数 方 程 来 表 达 的, 树 立 了 近 代 科 学 成 功 的 里 程 碑。 18 世 纪 天 体 力 学 主 要 进 展 也 多 数 是 靠 数 学 方 法 取 得 的, 19 世 纪 实 验 开 始 上 升 为 物 理 学 的 重 要 方 法, 实 验 物 理 学 的 数 学 化 成 了 19 世 纪 物 理 学 的 特 点, 革 命 导 师 马 克 思 曾 经 认 为, 只 有 当 一 门 科 学 成 功 地 运 用 数 学 才 可 以 认 为 是 成 熟 了 的 学 科。 但 是, 现 在 马 克 思 的 这 一 结 论, 还 需 要 在 生 命 科 学 领 域 得 到 证 实, 因 为 生 命 科 学 尤 其 是 到 了 分 子 生 物 学 这 个 阶 段, 目 前 还 没 有 一 个 统 一 的、 成 熟 的 数 学 方 程 可 以 概 括 它 的 规 律, 也 许 人 们 还 没 有 走 到 这 一 步。 在 20 世 纪, 物 理 学 与 数 学 的 紧 密 关 系, 远 非 其 前 三 个 世 纪 所 能 比, 并 且 越 来 越 显 示 出 数 学 与 物 理 的 内 在 的 一 致 性。 比 如 非 欧 几 里 得 几 何 学 与 广 义 相 对 论, 比 如 希 尔 伯 特 空 间 与 量 子 力 学, 微 分 几 何 学 与 规 范 场 论 之 间, 似 乎 当 代 的 一 些 新 的 物 理 理 论 出 现 的 时 候, 都 能 够 找 到 数 学 工 具, 或 者 是 创 造 新 的 数 学 工 具, 来 为 之 服 务, 来 描 述。 因 此 我 们 可 以 认 为, 物 理 学 不 仅 使 数 学 家 面 临 大 量 新 的 数 学 问 题, 而 且 从 某 种 意 义 上 也 能 够 引 领 数 学 家 朝 着 起 先 还 梦 想 不 到 的 地 方 前 进。 物 理 学 家 狄 拉 克 和 费 曼 提 出 了 路 径 积 分 与 泛 函 的 内 在 联 系, 使 得 费 曼 积 分 的 严 格 数 学 成 为 21 世 纪 重 要 的 数 学 问 题 之 一。 统 计 物 理 学 与 概 率 数 学 的 内 在 联 系, 逐 渐 使 得 相 变 数 学 理 论 成 为 统 计 物 理 严 格 数 学 基 础 的 核 心 问 题 之 一。 这 仅 仅 是 两 个 例 子, 我 们 认 真 去 研 究 物 理 数 学 的 对 应 关 系, 还 可 以 找 到 很 多。

今 天 我 们 应 对 生 命 科 学 的 数 学 化 还 要 有 充 分 的 思 想 准 备, 数 学 与 生 命 科 学 之 间 的 关 系, 虽 然 现 在 看 来, 并 不 紧 密, 但 是 我 相 信, 必 将 随 着 理 论 生 物 学 的 成 长 而 变 得 越 来 越 密 切。 也 许 我 们 的 后 代, 能 够 为 复 杂 的 生 命 现 象 找 到 简 捷 而 美 妙 的 数 学 描 述 方 法。 不 仅 生 命 科 学 要 善 于 ?用 那 些 为 描 述 生 命 现 象 提 前 准 备 了 的 数 学 工 具, 这 在 历 史 上 也 是 有 的, 数 学 家 也 要 沿 着 生 命 科 学 提 出 的 那 些 过 去 的 数 学 还 未 曾 梦 想 到 的 方 向 努 力。 所 以 这 就 需 要 生 命 科 学 家 在 研 究 工 作 当 中, 积 极 主 动 的 邀 请 吸 引 理 论 物 理 学 家 和 数 学 家 去 参 与, 也 要 求 理 论 物 理 学 家 和 数 学 家 积 极 主 动 地 关 心 和 参 加 到 生 命 科 学 与 认 知 科 学 研 究 当 中 去。

另 外 一 方 面, 数 学 与 物 理 的 结 合 一 个 重 要 标 志 是 电 子 数 字 计 算 机, 我 们 不 妨 看 看, 计 算 机 理 论 发 展 的 历 程, 1936 年 英 国 数 学 家 图 灵 提 出 机 械 计 算 机 模 型。 这 可 以 认 为 是 本 来 需 要 人 脑 所 进 行 的 计 算 过 程, 有 可 能 依 靠 机 器 来 进 行。 1938 年, 香 农 提 出 用 布 尔 代 数 分 析 复 杂 的 开 关 电 路, 这 当 然 应 该 是 当 代 计 算 机 的 一 个 数 学 基 础。 1940 年, 美 国 数 学 家 维 纳 提 出, 自 动 计 算 机 应 该 采 用 电 子 管 的 高 速 开 关 组 成 逻 辑 电 路, 以 进 行 二 进 制 加 法 和 乘 法 的 数 字 运 算。 维 纳 的 贡 献, 就 是 把 香 农 提 出 的 二 进 制 方 法 找 到 了 物 理 模 型 来 实 践, 高 速 开 关 电 路, 包 括 他 的 计 算 器, 也 是 两 种 状 态 的 计 算 器, 一 直 沿 用 到 现 在 仍 然 是 主 流。 1945 年 匈 牙 利 出 生 的 美 国 数 学 家 冯 诺 依 曼 提 出 了 计 算 机 应 该 有 内 存 预 制 的, 而 且 可 编 的 程 序, 就 是 说 计 算 机 不 光 要 有 运 算 器, 要 有 集 成 器, 而 且 还 应 该 有 一 个 可 编 程 序 系 统, 从 而 完 善 了 当 代 计 算 机 的 理 论 框 架。

在 这 些 思 想 指 导 下, 人 们 研 制 出 数 字 电 子 计 算 机。 电 子 计 算 机 经 过 了 电 子 管、 晶 体 管、 集 成 电 路 等 各 阶 段, 发 展 成 为 能 为 广 大 公 众 普 遍 运 用 的 PC 电 脑。 电 子 计 算 机 是 一 种 延 扩 大 脑 的 机 器, 它 是 数 学 与 物 理 结 合 的 产 物, 而 它 的 产 生 又 对 数 学 和 物 理 学 产 生 巨 大 的 影 响, 不 仅 是 数 学 和 物 理, 对 所 有 的 人, 包 括 自 然, 乃 至 于 经 济 社 会, 产 生 出 了 物 理 学 的 数 学 实 验, 我 们 有 理 由 期 待 数 学 与 生 命 科 学 结 合 的 生 物 计 算 机 的 出 现, 并 且 通 过 它 来 理 解 人 的 大 脑 运 作 等 诸 多 生 命 活 动 复 杂 的 规 律, 这 些 至 今 人 们 还 不 太 清 楚。

第 五、 新 仪 器 的 发 明 为 当 代 科 学 打 开 了 新 的 窗 口。 人 类 最 早 的 时 候 是 用 肉 眼 来 观 察 周 围 世 界 的, 后 来 出 现 了 光 学 望 远 镜 和 显 微 镜, 他 们 在 20 世 纪 分 别 发 展 成 为 射 电 望 远 镜 和 电 子 显 微 镜, 一 个 是 宏 观 观 测, 观 测 宇 宙 空 间, 一 个 是 微 观 观 测, 深 入 观 测 生 命 现 象 和 分 子 构 造, 观 测 物 质 的 分 子 原 子 结 构, 甚 至 人 们 还 想 深 入 到 原 子 内 部, 这 就 不 是 显 微 镜 可 以 看 到 的, 因 此 发 展 了 粒 子 加 速 器, 发 展 了 超 级 的 计 算 机。 科 学 家 们 依 靠 放 射 性 物 质 和 来 自 宇 宙 空 间 的 高 能 粒 子, 对 一 些 原 子 核 内 部 的 物 质 特 性 进 行 探 索, 加 速 器 的 发 明 使 人 类 深 入 到 微 观 的 粒 子 世 界, 发 现 了 μ 介 子, π 介 子 和 K 介 子 等 重 要 粒 子。 加 速 器 的 发 明 和 发 展 也 经 历 了 差 不 多 70 年 左 右 时 间 的 努 力。 自 加 速 器 产 生 了 π 介 子 以 后, 许 多 新 粒 子 接 连 被 发 现, 1960 年 又 发 现 了 一 批 被 称 之 为 共 振 态 的 粒 子, 正 是 在 这 些 粒 子 的 分 类 研 究 基 础 上, 建 立 了 夸 克 模 型, 并 且 不 断 验 证 和 完 善, 推 动 了 基 本 粒 子 的 标 准 模 型 的 建 立 和 完 善。 在 加 速 器 原 理 的 基 础 上, 发 展 起 来 的 同 步 辐 射 装 置 和 自 由 电 子 激 光 装 置, 作 为 可 调 光 源 在 基 础 科 学 研 究 和 工 业 领 域 都 有 着 广 泛 的 应 用。 现 在, 我 们 国 家 除 了 北 京 对 撞 机 作 为 同 步 辐 射 光 源 使 用 以 外, 我 们 也 有 科 大 的 专 用 同 步 辐 射 光 源, 也 有 正 在 建 设 新 一 代 的 上 海 同 步 辐 射 光 源。

电 子 数 字 计 算 机 对 于 物 理 学 研 究 来 说, 我 看 有 两 方 面 的 意 义 : 一 方 面 是 面 对 没 有 解 析 解 的 无 理 方 程 现 在 可 以 用 计 算 机 实 现 数 值 解; 另 外 一 方 面, 对 实 际 上 不 能 实 现 的 某 些 设 想 的 实 验, 可 以 先 由 计 算 机 来 进 行 模 拟, 因 此 在 原 有 的 实 验 方 法 和 理 论 方 法 之 外, 物 理 学 又 获 得 了 一 种 新 的 方 法, 数 学 实 验, 数 学 实 验 是 一 种 介 于 经 典 演 绎 法 和 经 典 实 验 方 法 之 间 新 的 科 学 探 索 的 方 法, 其 实 质 是 对 于 客 观 现 象 进 行 实 验, 它 并 不 是 对 客 观 现 象 进 行 真 正 的 实 验, 而 是 对 它 们 的 数 学 模 型 进 行 验 证 和 实 验。 数 学 模 拟 包 括 四 个 基 本 方 面 : 一 个 是 建 立 对 象 的 数 学 模 型, 拟 定 分 析 模 型 的 数 值 方 法, 编 制 实 现 分 析 方 法 的 程 序, 在 电 子 计 算 机 上 执 行 程 序。 数 学 实 验 使 得 物 理 学 最 终 形 成 了 实 验 物 理、 理 论 物 理 和 计 算 物 理 三 足 鼎 立 的 格 局, 但 是 光 靠 计 算 是 计 算 不 出 真 理 来, 计 算 物 理 最 后 的 结 果, 还 是 要 通 过 实 验 物 理 进 行 验 证, 还 要 寻 求 更 加 精 确 的 理 论 构 造, 这 是 无 疑 的。

在 科 学 已 经 越 来 越 依 赖 于 研 究 手 段 的 今 天, 实 验 手 段 的 进 步 不 仅 可 以 有 助 于 理 论 突 破, 甚 至 可 以 打 开 新 的 窗 口, 改 变 科 学 家 的 思 路, 开 辟 新 的 研 究 领 域, 任 何 轻 视 实 验 手 段 和 方 法 的 思 想, 都 可 能 使 科 学 处 于 停 滞 和 陷 于 困 境。 这 也 是 为 什 么 在 理 论 物 理 取 得 巨 大 成 就 的 今 天, 人 们 还 要 耗 费 巨 资, 去 制 造 对 撞 机, 去 制 造 天 文 望 远 镜, 去 制 造 聚 变 实 验 装 置, 去 制 造 一 个 又 一 个 有 巨 大 分 辨 率 的 电 子 计 算 机 等 等。

第 六, 是 物 理 学 与 生 命 科 学 之 间 相 互 作 用。 生 命 是 物 质 的, 所 以 物 理 学 的 发 展 也 必 定 要 涉 及 涵 盖 生 命 物 质 规 律 的 研 究。 物 理 学 与 其 他 自 然 科 学 交 叉 与 相 互 作 用, 曾 经 产 生 并 形 成 了 化 学 物 理 学、 生 物 物 理 学 和 心 理 物 理 学 以 及 天 体 物 理 学、 地 球 物 理 学、 大 气 物 理、 海 洋 物 理 和 空 间 物 理 等 诸 多 的 交 叉 学 科, 这 种 交 叉 和 相 互 作 用 最 突 出 的 表 现 还 在 于, 20 世 纪 的 生 命 科 学 在 物 理 学 的 基 础 上 发 生 了 革 命 性 的 变 化, 也 就 是 DNA 双 螺 旋 结 构 的 发 现 以 及 分 子 生 物 学 的 发 展。

1953 年, 美 国 生 物 学 家 沃 森 和 英 国 化 学 家 克 里 克 发 现 了 DNA 的 双 螺 旋 结 构。 1954 年, 俄 裔 美 国 物 理 学 家 伽 莫 夫 提 出 核 苷 酸 三 联 体 的 遗 传 密 码。 1958 年, 克 里 克 提 出 了 遗 传 信 息 传 递 从 DNA 到 RNA 再 到 蛋 白 质 的 中 心 法 则。 1961 年, 法 国 生 物 学 家 雅 各 布 和 莫 诺 提 出 了 基 因 的 功 能 分 类 和 调 节 基 因 的 概 念 等 等, 在 这 以 后, 几 乎 所 有 对 生 命 现 象 的 研 究, 都 深 入 到 了 分 子 水 平, 去 寻 找 生 命 本 质 规 律, 分 子 生 物 学 成 为 了 生 命 现 象 研 究 的 核 心 领 域 和 发 展 生 物 技 术 原 理 的 源 泉。

1970 年, 基 因 重 组 开 辟 了 基 因 技 术 工 程 应 用 的 可 能 性, 从 而 使 人 类 看 到 了 运 用 生 物 技 术 造 福 人 类 的 广 阔 前 景。 生 命 科 学 的 这 种 革 命 性 的 变 革, 正 是 物 理 学、 化 学 和 生 物 学 等 相 互 交 叉 的 结 果, 在 这 个 过 程 当 中, 物 理 学 的 概 念 与 方 法 以 及 物 理 学 家 深 入 到 生 命 科 学 领 域 进 行 探 索, 为 此 做 出 了 重 要 的 贡 献。 所 以 现 在 看 来, 学 生 命 科 学 和 学 物 理 之 间, 包 括 和 数 学 之 间, 没 有 不 可 跨 越 的 鸿 沟。 许 多 有 成 就 的 生 命 科 学 家, 有 些 就 是 来 自 于 物 理 学、 化 学 等 其 它 领 域。 有 许 多 原 本 学 物 理 的 科 学 家, 他 成 名 以 后, 兴 趣 转 移 到 去 参 与 生 命 科 学 的 研 究。 量 子 力 学 的 创 立 者 薛 定 谔, 1944 年 写 过 《生 命 是 什 么》, 这 本 书 曾 深 刻 地 影 响 了 一 批 物 理 学 家 和 生 物 学 家 的 思 想, 促 成 了 分 子 生 物 学 诞 生 出 了 三 个 基 本 的 学 派, 这 就 是 比 德 尔 代 表 的 化 学 学 派, 德 尔 布 吕 克 代 表 的 信 息 学 派, 以 及 肯 德 鲁 代 表 的 结 构 学 派。

物 理 学 的 X 射 线 晶 体 衍 射 方 式, 为 结 构 学 派 认 识 生 物 大 分 子 的 晶 体 结 构 提 供 了 有 力 的 手 段。 我 们 科 学 院 的 生 物 物 理 所, 在 这 方 面 比 较 强。 物 理 学 家 伽 莫 夫 率 先 提 出 了 三 联 体 密 码 方 案, 有 利 地 推 动 了 信 息 学 派 的 成 长。 我 相 信, 三 个 学 派 最 终 是 要 共 同 合 作, 才 能 根 本 揭 示 生 命 现 象 的 整 体 奥 秘。 结 构 是 重 要 的, 生 命 现 象 内 部 以 及 内 外 之 间 的 信 息 传 递, 也 肯 定 是 重 要 的。 生 命 现 象 的 信 息 传 递, 能 量 传 递, 物 质 传 递, 许 多 是 通 过 化 学 方 法 转 化 的。 因 此 生 化 也 依 然 是 生 命 科 学 一 个 的 重 要 基 础, 这 是 毫 无 疑 问 的。 同 时, 我 们 也 要 重 视 生 命 科 学 对 物 理 学 的 影 响, 量 子 论 的 重 要 创 立 者 之 一 玻 尔 曾 经 号 召 物 理 学 家 关 心 生 命 现 象 研 究。他 当 时 的 目 的, 主 要 还 是 想 在 生 命 现 象 中 寻 找 量 子 物 理 适 用 的 界 限。 当 然, 今 天 的 物 理 学 家 已 经 把 一 部 分 注 意 力 转 到 生 命 物 质 方 面 来, 这 是 一 个 大 的 趋 势。

第 七, 社 会 需 求 的 拉 动 以 及 科 学 与 技 术 之 间 的 相 互 作 用 是 推 动 物 理 学 近 百 年 进 步 的 根 本 原 因。 1897 年, 物 理 学 家 提 出 晶 体 的 生 长 取 决 于 结 晶 核 的 数 目、 结 晶 速 度 和 热 导 率 三 个 独 立 变 量 以 来, 对 微 观 结 构 和 宏 观 性 质 认 识 得 最 深 入, 并 对 它 的 加 工 制 备 技 术 掌 握 得 最 成 熟 的 材 料 应 该 推 半 导 体。

我 们 简 略 的 看 一 下 半 导 体 发 展 的 历 程。 英 国 物 理 学 家 法 拉 第 发 现 氧 化 银 的 电 阻 率 随 温 度 升 高 而 增 加 之 后, 随 着 又 发 现 光 电 导、 光 生 伏 打 和 整 流 三 种 半 导 体 物 理 效 应, 英 国 物 理 学 家 威 尔 逊 提 出 半 导 体 导 电 模 型, 这 是 1931 年。 美 国 贝 尔 实 验 室 的 肖 克 利、 巴 丁 和 布 拉 顿 研 制 出 晶 体 管, 体 积 小 寿 命 长 的 晶 体 管 很 快 就 取 代 了 真 空 电 子 管, 到 了 1950 年, 记 得 我 小 的 时 候, 还 装 过 真 空 管 的 收 音 机, 现 在 真 空 管 收 音 机, 除 了 音 响 发 烧 友, 为 保 真 度 好, 用 它 之 外, 其 他 的 还 是 用 半 导 体。 英 国 达 默 提 出 了 集 成 电 路 的 设 想, 美 国 人 基 尔 比 和 诺 依 斯 各 自 独 立 研 制 出 了 最 早 的 集 成 电 路。

半 导 体 集 成 电 路 由 于 需 求 的 拉 动, 飞 速 地 发 展, 从 小 规 模 一 直 到 极 大 规 模, 相 应 的 加 工 尺 寸 已 经 到 了 0.1 微 米, 人 们 利 用 微 电 子 材 料 和 工 艺 制 作 出 了 微 形 的 梁、 槽、 齿 轮 和 薄 膜 乃 至 于 微 型 的 马 达, 他 们 也 可 以 像 制 作 晶 体 管 那 样 成 批 地 制 造。 基 因 芯 片 是 固 化 大 量 生 命 信 息 的 DNA 芯 片, 其 空 间 分 辨 率 正 是 从 微 米 向 纳 米 发 展, 现 在 已 经 应 用 于 生 物 医 学、 分 子 生 物 学 的 基 础 研 究、 人 类 基 因 组 研 究 和 医 学 的 临 床 实 验。 基 因 芯 片 将 对 生 物 学 基 础 研 究 和 临 床 医 学、 诊 断 学 和 脑 与 神 经 生 物 学 等 产 生 革 命 性 的 影 响。 集 成 电 路 的 制 作 使 用 半 导 体 材 料 也 经 历 了 锗 — 硅 — 砷 化 镓 等 三 五 属 半 导 体 的 变 化, 生 产 工 艺 则 从 平 面 工 艺 到 分 层 工 艺 再 到 图 形, 包 括 光 刻、 刻 蚀 可 视、 沉 淀、 外 延、 扩 散、 溅 射, 测 试、 封 装 等 微 米 亚 微 米 的 加 工 工 序。 集 成 电 路 材 料 与 工 艺 不 断 进 步, 以 及 物 理 学 的 不 断 发 展, 导 致 了 微 纳 电 子 学 的 产 生, 微 米 级 的 技 术 本 身 延 伸 出 X 光 刻 机, 电 子 束 爆 光 机, 例 子 束 光 刻 机 以 及 对 材 料 进 行 原 子 级 的 修 饰 技 术, 首 先 成 为 发 展 纳 米 技 术 的 工 具。 但 目 前 最 精 细 的 工 具 还 是 新 发 展 出 来 的 用 于 原 子 尺 度 加 工 的 扫 描 隧 道 显 微 镜 和 原 子 力 显 微 镜 等 扫 描 探 针 显 微 镜, 当 然 它 也 有 局 限, 因 为 它 的 效 率 不 高。 电 子 爆 光 机 和 离 子 爆 光 机 是 目 前 实 用 的 纳 米 加 工 工 具, 扫 描 探 针 显 微 镜 目 前 为 止 可 作 为 原 子 尺 寸 加 工 的 唯 一 工 具, 我 相 信 总 有 一 天 要 取 得 新 的 突 破。

以 纳 米 技 术 为 基 础, 新 的 工 具 将 导 致 小 于 100 纳 米 超 微 分 子 器 件 的 诞 生, 这 些 分 子 器 件 可 能 具 有 更 为 主 动 和 复 杂 的 性 能, 能 够 帮 助 人 类 完 成 更 为 复 杂 的 操 作, 或 者 精 确 的 操 作, 基 于 分 子 装 配 的 纳 米 技 术, 将 能 够 对 物 质 结 构 进 行 完 全 的 事 先 的 设 计 和 控 制, 使 人 类 能 够 按 照 自 然 规 律 制 备 出 超 微 的 智 能 器 件, 半 导 体 集 成 电 路 和 纳 米 科 技 的 发 展 表 明, 导 致 科 技 进 步 的 动 力 不 仅 来 源 于 科 学 家 和 工 程 师 的 创 造 欲, 而 且 来 源 于 社 会 需 求 的 拉 动。 自 第 二 次 世 界 大 战 以 来, 社 会 需 求 对 科 学 发 现 和 技 术 发 明 的 拉 动 作 用 越 来 越 大, 要 求 我 们 科 技 人 员 和 科 技 管 理 人 员 要 摒 弃 封 闭 的 经 院 式 的 思 考 方 法 和 管 理 方 式, 密 切 与 社 会 的 联 系, 准 确 把 握 社 会 需 求, 有 效 而 又 有 针 对 性 地 推 动 科 技 进 步 和 创 新。 特 别 是 对 于 我 们 这 样 一 个 急 需 利 用 有 限 的 科 技 资 源 推 动 现 代 化 建 设 的 发 展 中 国 家 的 科 技 人 员 来 说, 更 是 需 要 如 此。 我 们 中 国 的 两 弹 一 星, 当 然 是 科 学 家 在 党 和 国 家 的 领 导 下 取 得 的 成 就, 但 后 面 的 动 力, 还 是 来 源 于 国 家 安 全 需 求 的 强 大 推 动。 我 们 袁 隆 平 教 授 所 完 成 的 杂 交 水 稻 这 个 巨 大 的 成 就, 显 然 他 的 研 究 动 力, 不 仅 是 袁 隆 平 先 生 的 创 造 力, 其 背 后 也 来 源 于 中 国 13 亿 人 口 对 粮 食 需 求 的 推 动。 这 个 需 求 反 映 到 科 学 家 身 上, 反 映 到 袁 隆 平 教 授 脑 海 里, 成 为 探 索 的 不 竭 动 力。

最 后 讲 一 下 物 理 学 的 魅 力 和 未 来。 相 对 论, 量 子 论 及 其 结 合 产 生 的 量 子 场 论 和 统 一 场 论 的 近 代 物 理 学 革 命 的 主 要 成 果, 导 致 了 人 类 物 质 与 精 神 生 活 发 生 巨 大 变 化。 相 对 论 对 于 时 空 关 系 和 时 空 与 物 质 关 系 的 认 识, 量 子 力 学 对 物 质 内 部 结 构 和 运 动 规 律 认 识, 不 仅 深 深 地 影 响 了 人 们 的 观 念, 而 且 广 泛 地 改 变 并 将 继 续 改 变 着 人 们 的 日 常 生 活 和 生 产 方 式。 物 理 学 的 魅 力 不 仅 体 现 在 其 物 化 成 果 可 以 极 大 地 改 变 人 类 文 明, 尤 其 需 要 指 出 的 是 物 理 学, 特 别 是 近 代 物 理 学, 彰 显 出 科 学 给 人 类 带 来 认 知 能 力 上 的 不 断 升 华。 物 理 学 中 纷 繁 复 杂 的 事 物 当 中 抽 象 出 物 质 的 统 一 特 性, 更 正 了 我 们 日 常 生 活 当 中 所 看 到 的 一 些 肤 浅 的 认 识, 透 过 表 象 为 我 们 揭 示 出 物 质 本 质 的 奇 妙 特 征, 并 且 借 助 数 学 和 逻 辑, 做 出 了 最 为 理 性、 简 洁 和 优 美 的 数 学 物 理 表 述。

物 理 学 在 为 我 们 解 释 周 边 物 质 世 界 的 同 时, 也 为 我 们 营 造 出 了 内 容 丰 富、 思 维 缜 密、 不 断 创 新、 妙 趣 无 穷 的 理 论 方 法 和 实 验 体 系。 20 世 纪 的 近 代 物 理 学 革 命 与 19 到 20 世 纪 之 交 的 物 理 学 形 势 相 关, 那 时 物 理 学 上 空 有 两 朵 所 谓 乌 云, 使 得 一 些 物 理 学 家 惊 呼 出 现 了 物 理 学 危 机。 近 代 物 理 学 革 命 不 仅 解 决 了 两 朵 乌 云 导 致 的 这 场 危 机, 而 且 把 整 个 物 理 学 都 置 于 以 量 子 论 和 相 对 论 两 大 理 论 为 支 柱 的 现 代 物 理 学 的 基 础 之 上。

19 世 纪 的 最 后 一 天, 欧 洲 著 名 的 科 学 家 曾 经 欢 聚 一 堂, 会 上, 有 一 位 英 国 著 名 的 物 理 学 家 汤 姆 生, 回 顾 物 理 学 所 取 得 的 伟 大 成 就 时 说, 物 理 大 厦 已 经 落 成, 所 剩 的 只 是 一 些 修 饰 工 作, 同 时 他 在 展 望 20 世 纪 物 理 学 前 景 时, 却 若 有 所 思 地 讲, 动 力 理 论 肯 定 了 热 和 光 是 运 动 的 两 种 方 式, 但 在 它 的 美 丽 而 晴 朗 的 天 空 却 被 两 朵 乌 云 笼 罩 了, 第 一 朵 乌 云 出 现 在 光 的 波 动 理 论 上, 第 二 朵 乌 云 出 现 在 关 于 能 量 均 分 的 麦 克 斯 韦 波 兹 曼 理 论 上。 这 两 朵 乌 云, 现 在 被 量 子 论 跟 相 对 论 所 驱 散, 虽 然 目 前 今 天 的 物 理 学, 诚 然 面 临 着 一 些 重 要 的 理 论 与 实 验 问 题 亟 待 解 决, 比 如 类 星 体 的 能 源 问 题, 暗 物 质、 暗 能 量 和 反 物 质 的 问 题, 爱 因 斯 坦 场 方 程 的 宇 宙 项 问 题, 中 微 子 振 荡 问 题, 质 子 衰 变 问 题 等。 但 是 到 现 在 为 止, 物 理 学 家 还 没 有 人 像 19 世 纪 20 世 纪 惊 呼 物 理 学 的 危 机。 相 对 论 和 量 子 论 在 科 学 各 个 领 域 的 扩 展 与 应 用, 虽 然 已 经 取 得 了 很 大 成 功, 但 科 学 永 无 止 境, 没 有 到 非 常 完 善 的 成动, 看 来 一 直 作 为 精 密 科 学 典 范 的 物 理 学 还 是 魅 力 未 减, 作 为 其 他 经 验 科 学 基 础 的 地 位 短 时 期 还 不 会 改 变。 现 在 我 们 的 科 学 技 术 发 展 的 重 心 开 始 向 生 命 科 学, 向 信 息 科 学 等 倾 斜, 但 是 物 理 学 依 然 是 基 础, 数 学 依 然 是 基 础, 是 重 要 的 工 具, 这 一 点 并 没 有 改 变。 物 理 学 的 巨 大 魅 力 还 在 于 它 从 理 论 认 识 中, 延 伸 出 众 多 的 技 术 原 理, 20 世 纪 物 理 学 为 我 们 这 个 社 会 提 供 了 四 个 主 要 的 新 技 术 原 理, 这 就 是 核 能 技 术, 半 导 体 技 术, 包 括 大 规 模 集 成 电 路 的 技 术, 激 光 技 术 和 超 导 技 术。 半 导 体 技 术 和 激 光 技 术 还 衍 生 出 网 络 技 术, 虽 然 在 20 世 纪 近 代 物 理 学 革 命 以 后, 在 约 为 3/4 世 纪 的 时 间 内, 物 理 学 并 没 有 发 生 新 的 基 础 性 的 革 命 性 的 重 大 变 革, 物 理 学 的 进 展 主 要 还 表 现 为 对 于 相 对 论 量 子 论 的 完 善 及 推 广 应 用 上, 但 这 并 不 意 味 着 物 理 学 的 发 展 已 经 走 到 了 尽 头。

当 代 科 学 发 展 的 态 势 和 社 会 对 科 学 的 迫 切 需 要, 将 在 很 大 程 度 上 影 响 科 学 未 来 发 展 的 方 向 及 特 征。 一 些 传 统 科 学 将 继 续 保 持 相 当 的 独 特 性, 物 理 科 学 作 为 整 个 自 然 科 学 发 展 的 基 础 地 位 一 时 还 不 会 动 摇, 但 是 科 ?的 学 科 结 构 重 心 无 疑 将 转 移 到 生 命 领 域。

数 学 科 学 作 为 数 与 形 的 科 学, 其 简 洁 精 确 优 美 的 表 述 方 式 继 续 在 自 然 科 学、 应 用 技 术 与 社 会 人 文 科 学 中 得 到 更 为 广 泛 的 利 用。 信 息 技 术 作 为 研 究 与 知 识 信 息 交 流、 传 播 的 技 术 手 段, 会 随 着 自 身 发 展 及 其 与 其 他 领 域 的 结 合 不 断 进 步, 并 通 过 广 泛 渗 透 促 进 社 会 各 个 领 域 的 发 展。 各 自 然 系 统 的 研 究 以 及 自 然 科 学 人 文 社 会 科 学 之 间 的 结 合 将 成 为 跨 学 科 研 究 的 新 的 生 长 点, 他 们 的 发 展 和 广 泛 运 用, 都 将 有 力 地 推 动 学 科 间 整 合 和 交 叉 学 科 的 诞 生 与 繁 荣。

以 上 正 是 我 在 纪 念 物 理 学 百 年 的 时 候 想 说 的 话, 谢 谢 大 家!
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