路甬祥：百年物理學的啟示-萬松浦--齊魯晚報文學頻道

路甬祥：

同志們，同學們，為了慶祝中國科學院學部建立50周年，同時也紀念世界物理年，我非常高興地來到中國科學院研究生院，跟大家一起回顧百年物理學的進展，以及對我們的啟示。一百年以前，愛因斯坦寫下了五篇科學史上著名的論文，他們是：討論了光量子以及光電效應的「關於光的產生和轉化的一個啟發性觀點」，這篇論文討論了光量子及光電效應；第二篇是推倒出計算分子擴散速度數學公式的「分子大小的新測定」；第三篇是提供了原子確實存在證明的「關於熱的分子運動論所要求的靜止液體中懸浮小粒子的運；第四篇是提出時空關係新理論的「論動體的電動力學」，正是因為這篇論文，拉開了近代物理學的序幕；第五篇是「物體的慣性是否決定其內能」，根據狹義相對論提出了質量與能量可互換的思想，這應該是原子能釋放的理論基礎。我們可以看到，這五篇論文每一篇都具有重大的科學意義，其中因為第一篇，諾貝爾獎委員會授予愛因斯坦諾貝爾獎。其實，第四篇和第五篇更重要，但是由於當時學術界還有爭議，所以諾貝爾獎委員會選擇了第一篇，實際上第一篇僅僅是把量子論推演到光電效應領域。我特別要指出的是，愛因斯坦寫下這五篇論文的時候，他還是一個非常年輕的學者，他還沒有在大學或者研究機構里得到一個正式的職位，他這個論文，實際上都是在巴爾尼專利局任低級的專利審查員期間業餘完成的。 以量子論和相對論為基礎的近代物理學革命，將科學引入到了一個新的時代，人類認知的觸角伸向了廣袤的宇宙，伸向了遙遠的宇宙起源之初，伸向人類未曾了解過的微觀物質層面，伸向了生命領域以及神經、腦等認知器官的領域。近代物理學革命，在以後的歲月里，還引發了生命科學的革命。這一切都改變了人類的物質觀、時空觀、生命觀和宇宙觀。近代物理學革命，它催生出了核半導體、激光、新材料和超導的技術物理，促進了一批新技術的飛速發展，並且籍此而改變了人類現代的生產與生活方式，將人類推進到了一個知識經濟的新時代。 愛因斯坦以及近代物理學革命的締造者們無疑是科學史上，乃至人類歷史上一批劃時代的偉人。今天我們紀念他們，回顧一百年來物理學的發展歷程，並不僅僅是為了感念和追思，我以為更重要的應該從他們的成就和發現的歷程中汲取可貴的經驗與啟示，以便把握科學的未來，推動科技的創新。尤其是我們生活在的當代中，當今時代，更應該從中吸取啟示，提升我們的創新自信心，為國家民族自主創新能力的提升，作出貢獻，為世界科學的發展作出中華民族應該有的新的貢獻。 我們現在來看看他們的成就究竟給我們帶來一些什麼啟示呢？

第一，我認為是實驗和理論之間的矛盾催生了新的科學概念。當時一些物理現象的發現，已經預示了經典物理學解釋的局限性。比如熱輻射現象的新的實驗觀測對當時的經典物理學理論提出了置疑，麥克斯韋電磁場理論雖然能夠比較好地解釋電磁波以及光的傳播，但是對於熱輻射的發射跟吸收無能為力。當時有一位科學家叫基爾霍夫，他提出了黑體作為理想模型來研究熱輻射，科學家維恩確認可以將一個帶小孔空腔的熱輻射性能看作一個理想的黑體。因為如果這個假設存在，那麼就可以得到一個比較理想的電荷級的輻射源，這個對做實驗研究方面是非常有利的。一系列的實驗表明，黑體它所輻射的輻射能量的密度與溫度有關，而與其形狀和組成的物質無關，怎樣從理論上解釋黑體能譜曲線，成了當時熱輻射研究的關注焦點。而熱輻射研究又引發了一系列物理學新的發現。我們大家都已經知道，量子理論的起點是源於熱輻射的研究。這裡特別要提到德國的物理學家普朗克，為了解釋黑體輻射光譜的能量分布曲線，普朗克在1900年提出了一個與實驗結果非常吻合的公式，表明輻射能量也像物質一樣也具有粒子性，而不是連續性的，能量的分離性，輻射的能量也具有粒子性，也就是不連續性，這實際上被公認為量子理論的起點。 愛因斯坦在1905年把量子的概念推廣到光的傳播過程，提出了光量子理論，並且成功地解釋了當時已經有的光電效應實驗的結果。丹麥的物理學家玻爾，在1913年又把能量子的概念推廣到了原子，以原子的能量狀態假設為基礎，建立了量子論的原子結構模，當時玻爾堅信，原子是有核的，但是當時已經有的原子模型，不能解釋一些實驗看到的物理現象，比如最典型的當時做氫的能譜實，發現有四條譜線，而且是互相分離的，玻爾受到普朗克量子論的啟示，認為有不同能帶的軌道，到高能帶到低能帶躍遷的時候，就可能發出光量子，能帶的極差如果不同，當然量子所含的能譜，所反映出來的能譜也是不同的。軌道如果是有限的，當然它的能譜是不連續的，成功地把量子概念引入到原子模型當中。但是玻爾建立起來的原子模型，它滿足了粒子性的條件，但是又不能夠滿足波動性的條件，因此德國另外一位物理學家海森伯，他直接走了另外一條途徑，直接從光譜的頻率和強度的經驗資料出發，在1925年提出了矩陣量子力學。 另外有一位差不多同時，或者說稍晚一些，奧地利的物理學家薛定諤，他改進了德布羅意基於波粒二象性的物質波理論，提出了波動量子力學。費曼等人的研究不僅證明了矩陣和波動兩種量子力學的數學的等價性，而且又發展出了第三個等價的方法，即路徑積分量子力學，從這裡我們也可以看到，量子論的發展不是一個人的貢獻，而是一批科學家的共同貢獻，對一個物理現象的數學描述，使用的工具與方法，也並不完全都是唯一的，至少在發展的過程當中，它也是多樣性的，最後當然大家會逐步統一到一個最佳的方法上面來。正是熱輻射這一個疑難問題，成為了量子論誕生的邏輯起點，作為能量的量子概念誕生是在1900年，普朗克最早提出的，它的推廣導致描述微觀粒子運動的量子力學在1920年以後逐步完善，大概25、26年左右，並且進而與狹義相對論結合，發展出描述微觀粒子產生和湮滅奧秘的量子場論。量子場論的發展，也經歷了經典量子場論，規範量子場論，分別是對稱的、不對稱的和超對稱量子場論這三個發展階段。量子場論不僅揭開了人們肉眼看不見的微觀物質世界的規律，也加深了人類對宇宙演化的理解，更新了人們認識客觀世界的方式，並且也帶來了一系列重大的技術方面的突破。 因此，從這點可以看到，科學歸根到底是證實知識體系，一旦理論與嚴密的實驗結果出現了不一致，無論這種理論權威性如何，無論這種理論曾經得到多少人、多少年的信奉，作為一名科學家，都有理由去質疑這個理論本身，並且努力去完善它，或者創造新的理論去替代它。科學探索的最終結果是對發現的自然現象做出精確的理論解釋，而做出理論解釋，不僅需要有嚴謹的科學態度，理性的質疑精神，更需要深邃的思考能力和縝密的分析能力，以及理論思維的能力。我們前面看到的這些科學家，他們不光注重實驗，而且注重理性的思維，注重運用數學的工具來進行科學的概括。

第二，我以為重大的科學突破往往始於凝練出重要的科學問題。提出問題，可能比解決問題更重要。問題提出了，即便你提出問題的人在有生之年沒有能解決，其他的科學家或者我們的子孫後代，總有一天會解決這個問題。所以凝練科學目標，凝練科學問題，在當代顯得更加重要。 如果你提不出科學問題，你就沒有明確的工作目標。愛因斯坦提出的相對論，就是一種嶄新的時空觀。相對論的關鍵科學問題，是在於同時的相對性。相對論合理地解釋了時空相互之間的聯繫，時空與物質分布相聯繫，物質和能量相聯繫，根本改造了牛頓以來經典的物理學知識體系，不僅與量子力學一起構成了20世紀物理學發展的基礎，而且把人類對於自然的認識提升到了一個全新的水，深刻地影響了人們以後的思維方式以及世界觀。 相對論的創立，實際上源於作為電磁波假設載體「以太」的一個質疑。美國物理學家邁克爾遜，於1887年公布了一個實驗報告，稱為「地球和光以太的相對運動」。報告表明，在牛頓力學領域裡普遍成立的相對性原理在麥克斯韋電磁場理論中不成立。荷蘭物理學家洛侖茲和法國物理學家彭加勒等都想在保留以太假說的基礎上解決這一矛盾，洛侖茲通過引入長度收縮、局部時間和新的變換關係，證明了在一級近似下，地球系統與以太服從相同的規律；而彭加勒提出的相對性原理和洛侖茲提出的變換群則強調相對性原理普遍的有效性。彭家勒和洛侖茲的工作已經不自覺地偏離了經典物理學的框架，並且在向相對論的大門前進，甚至有的人說已經扣響了對論的大門，但是他們沒有勇氣再向前突破原來經典理論的框架。因此創立相對論的機會和重任還是留給了愛因斯坦。 愛因斯坦就是敢於質疑前人提出的但後來被實驗證明是有缺陷的、有矛盾的假說或者是理論，他認為，以太學說是多餘的，而且更重要的是他提出了同時的相對性這一關鍵的科學問題。愛因斯坦在「論動體的電動力學」論文當中，通過嚴密的分析指出，同一地點發生的兩個事件同時性是不依賴於觀察者的，而異地發生的兩個事件的同時性則是依賴於觀察者的，只有指明相對哪一個觀察者不同地點的同時性才有意義。同時這種相對性，我們在日常生活當中幾乎觀察不到，觀察者的運動速度只有當接近光速的時候，才能發現它，愛因斯坦藉助於同時相對性的概念，通過光速恆定和相對性兩條原理，推導出狹義相對論的主要結論。狹義相對論的進一步發展就是廣義相對論和統一場論，愛因斯坦以其相對論研究的三部曲向物理學的同行展示了他非凡的科學思維創造力，和挑戰已有理論體系的勇氣。

第三，我認為是科學的想像力需要嚴謹的實驗證據支持。前面講了，提出科學問題很重要，要勇於挑戰已有的科學理論，勇敢的提出質疑，但是這種質疑絕不是胡思亂想，絕不是毫無根據的，狂妄的去挑戰已有的真理，而是需要嚴謹的實驗作為依據。 在廣義相對論發表的翌年，愛因斯坦發表了「根據廣義相對論對宇宙學所作的考察」這篇論文，標誌著現代宇宙學的誕生。儘管愛因斯坦的宇宙模型還是沿襲了牛頓靜態宇宙觀，但是他所給出的場方程，卻允許宇宙動態解的存在。在1917年，荷蘭著名的天文學家德西特，在1922年，俄國數學家弗里德曼以及1927年比利時的物理學家勒梅特先後提出了膨脹宇宙論。美國的天文學家哈勃，所觀測到的紅移定律，有力地支持了宇宙膨脹理論。俄國出身的美國物理學家加莫夫，在1946年基於膨脹理論的基礎上，根據引入核物理的知識，提出了宇宙大爆炸理論，認為宇宙的起源是溫度和密度接近無窮大的原始火球爆炸而產生的。他的學生阿耳法等人，1948年進一步推算出了宇宙大爆炸應該發生在150—200億年以前，並且預言大爆炸所形成的餘燼在今天應該表為5K左右的宇宙背景輻射。1964年，美國兩位電訊工程師彭齊亞和威爾遜在研究衛星的電波通信的時候，他們製作了一個非常靈敏的接收機，接收到了來自宇宙各方向強度都不變的背景微波輻射，這種微波輻射恰好相當於3.5K左右的遙遠宇宙的黑體輻射，和前面的預言是非常之接近的。這一表現被認為是證實了宇宙大爆炸學說的背景輻射的預言，隨後大爆炸學說被廣泛地接受，並且發展成為當代宇宙學的一個標準模型。 早在20世紀初，愛因斯坦就把地球磁場的起源也列為物理學的五大難題之一，但直到地震波方法確認了地球全層結構以後的1960年代，人們才提出「自激發電機」假說，而它的科學認證卻要等到1995年核-幔差異運動的證據獲得，對於固體地球內部結構了解的進展主要藉助於地震波方式，通過穿透地球內部的地震波速度變化的分析，逐步地形成了關於地球圈層結構的概念，克羅埃西亞地球物理學家莫霍洛維奇發現地殼與地幔的分界面。德裔美國地震學家古登堡發現了地幔與地核還有一個分界面，就是固體地球內部是由多層構成的，而且層與層之間有明顯的分界面。雷曼發現了液體外地核和固體內地核之間也存在分界面，布倫提出了地球的分層模型，在前面發現的基礎上，布倫概括總結起來，提出了地球分層模型，已經到了1946年，核-幔旋轉差異，是為解釋地磁場起源而提出的一種假說，後來又被用來解釋地磁極性倒轉的一種機制，但開始沒有得到科學的證據。一直到1960年代到1990年代，美國哥倫比亞大學工作的宋曉東和理查茲，他們通過1967—1995年靠近南極的南美桑威奇群島附近發生的38次地震記錄的分析，測量了通過地球內核傳到靠近北極的阿拉斯加的克里奇地震台的地震波速度，發現30年當中南極發生的地震波到達北極快了0.3秒，也就是說傳播的速度不一樣，由此直接證實了地球內核比地殼和地幔轉動要稍稍快一點，大概三百年內要多轉一周，如果把地球看成雞蛋的話，蛋黃轉的快一點，三四百年當中要多轉一圈。這是一個重大的發現。 我們從愛因斯坦相對論宇宙大爆炸理論和地球磁場理論提出與完善過程當中可以看到下面幾點：第一、在科學發展中，解決問題是重要的，而提出重要的科學問題似乎更關鍵；第二、提出科學問題是科學研究的前提，提出重要的科學問題更能夠昭示科學所蘊含的創造力；第三、有時一個重要科學問題的提出甚至能夠開闢一個新的研究領域和研究方向；第四、提出問題，需要對已有知識的透徹理解，需要熱愛真理勝過尊重權威的科學態度，需要極強的科學觀察力和洞察能力，以及創造性的思維能力，同時還需要敢於創新的勇氣和信心。比如宋曉東他們兩位，實際上主要不是依靠自己的實驗數據，而是分析了近30多年的各地震台所記錄的實驗數據，找到了傳播速度的差異，這在當代這種情況可能性會更多，比如在生命科學領域，現在全世界有大量的基因組數據，包括人類基因組，水稻基因組，蠶的基因組等等，而且這些數據都是公開的，可以用。但是到現在為止，基因組的語法，基因組的功能，基因功能之間的關係的規律，並沒有被系統的揭示，我相信揭示這個規律的人，不一定是完成基因組的那群科學家，也許是其他另外的科學家，利用這些數據，創造性地揭示了基因組的語法，基因組的結構與功能之間的相互關係的規律。這點來說，對於發達國家和發展中國家工作的科學家，機會似乎是公平的，因為全世界科學家都可以用這些數據，天文觀測當中也同樣的，哈勃望遠鏡的數據，跟我們包括粒子物理當中對撞機的許多數據，也是可以公開的獲取，或者是半公開的獲取，你只要參與進去，就可以分享這些數據。

第四，物理學包括其他的自然科學，都需要數學語言。因為數學是對數與形的簡捷的概括和優美的表達方式，所以物理的規律，往往需要用數學語言來表達。 近代物理學的書寫語言幾乎都是數學，德國天文學家開普勒用代數方程總結出了行星運動的三定律，被譽為世界第一位數學物理學家。義大利物理學家伽利略以幾何學方法論證落體運動定律，牛頓力學的三定律，用最簡單的代數方程來表達的，樹立了近代科學成功的里程碑。18世紀天體力學主要進展也多數是靠數學方法取得的，19世紀實驗開始上升為物理學的重要方法，實驗物理學的數學化成了19世紀物理學的特點，革命導師馬克思曾經認為，只有當一門科學成功地運用數學才可以認為是成熟了的學科。但是，現在馬克思的這一結論，還需要在生命科學領域得到證實，因為生命科學尤其是到了分子生物學這個階段，目前還沒有一個統一的、成熟的數學方程可以概括它的規律，也許人們還沒有走到這一步。在20世紀，物理學與數學的緊密關係，遠非其前三個世紀所能比，並且越來越顯示出數學與物理的內在的一致性。比如非歐幾里得幾何學與廣義相對論，比如希爾伯特空間與量子力學，微分幾何學與規範場論之間，似乎當代的一些新的物理理論出現的時候，都能夠找到數學工具，或者是創造新的數學工具，來為之服務，來描述。因此我們可以認為，物理學不僅使數學家面臨大量新的數學問題，而且從某種意義上也能夠引領數學家朝著起先還夢想不到的地方前進。物理學家狄拉克

和費曼提出了路徑積分與泛函的內在聯繫，使得費曼積分的嚴格數學成為21世紀重要的數學問題之一。統計物理學與概率數學的內在聯繫，逐漸使得相變數學理論成為統計物理嚴格數學基礎的核心問題之一。這僅僅是兩個例子，我們認真去研究物理數學的對應關係，還可以找到很多。 今天我們應對生命科學的數學化還要有充分的思想準備，數學與生命科學之間的關係，雖然現在看來，並不緊密，但是我相信，必將隨著理論生物學的成長而變得越來越密切。也許我們的後代，能夠為複雜的生命現象找到簡捷而美妙的數學描述方法。不僅生命科學要善於利用那些為描述生命現象提前準備了的數學工具，這在歷史上也是有的，數學家也要沿著生命科學提出的那些過去的數學還未曾夢想到的方向努力。所以這就需要生命科學家在研究工作當中，積極主動的邀請吸引理論物理學家和數學家去參與，也要求理論物理學家和數學家積極主動地關心和參加到生命科學與認知科學研究當中去。 另外一方面，數學與物理的結合一個重要標誌是電子數字計算機，我們不妨看看，計算機理論發展的歷程，1936年英國數學家圖靈提出機械計算機模型。這可以認為是本來需要人腦所進行的計算過程，有可能依靠機器來進行。1938年，香農提出用布爾代數分析複雜的開關電路，這當然應該是當代計算機的一個數學基礎。1940年，美國數學家維納提出，自動計算機應該採用電子管的高速開關組成邏輯電路，以進行二進位加法和乘法的數字運算。維納的貢獻，就是把香農提出的二進位方法找到了物理模型來實踐，高速開關電路，包括他的計算器，也是兩種狀態的計算器，一直沿用到現在仍然是主流。1945年匈牙利出生的美國數學家馮諾依曼提出了計算機應該有內存預製的，而且可編的程序，就是說計算機不光要有運算器，要有集成器，而且還應該有一個可編程序系統，從而完善了當代計算機的理論框架。 在這些思想指導下，人們研製出數字電子計算機。電子計算機經過了電子管、晶體管、集成電路等各階段，發展成為能為廣大公眾普遍運用的PC電腦。電子計算機是一種延擴大腦的機器，它是數學與物理結合的產物，而它的產生又對數學和物理學產生巨大的影，不僅是數學和物理，對所有的人，包括自然，乃至於經濟社，產生出了物理學的數學實驗，我們有理由期待數學與生命科學結合的生物計算機的出現，並且通過它來理解人的大腦的運作等諸多生命活動複雜的規律，這些至今人們還不太清楚。

第五、新儀器的發明為當代科學打開了新的窗口。人類最早的時候是用肉眼來觀察周圍世界的，後來出現了光學望遠鏡和顯微鏡，他們在20世紀分別發展成為射電望遠鏡和電子顯微鏡，一個是宏觀觀測，觀測宇宙空間，一個是微觀觀測，深入觀測生命現象和分子構造，觀測物質的分子原子結構，甚至人們還想深入到原子內部，這就不是顯微鏡可以看到的，因此發展了粒子加速器，發展了超級的計算機。科學家們依靠放射性物質和來自宇宙空間的高能粒子，對一些原子核內部的物質特性進行探索，加速器的發明使人類深入到微觀的粒子世界，發現了μ介子，π介子和K介子等重要粒子。加速器的發明和發展也經歷了差不多70年左右時間的努力。自加速器產生了π介子以後，許多新粒子接連被發現，1960年又發現了一批被稱之為共振態的粒子，正是在這些粒子的分類研究基礎上，建立了夸克模型，並且不斷驗證和完善，推動了基本粒子的標準模型的建立和完善。在加速器原理的基礎上，發展起來的同步輻射裝置和自由電子激光裝置，作為可調光源在基礎科學研究和工業領域都有著廣泛的應用。現在，我們國家除了北京對撞機作為同步輻射光源使用以外，我們也有科大的專用同步輻射光源，也有正在建設新一代的上海同步輻射光源。 電子數字計算機對於物理學研究來說，我看有兩方面的意義：一方面是面對沒有解析解的無理方程現在可以用計算機實現數值解；另外一方面，對實際上不能實現的某些設想的實驗，可以先由計算機來進行模擬，因此在原有的實驗方法和理論方法之外，物理學又獲得了一種新的方法，數學實驗，數學實驗是一種介於經典演繹法和經典實驗方法之間新的科學探索的方法，其實質是對於客觀現象進行實驗，它並不是對客觀現象進行真正的實驗，而是對它們的數學模型進行驗證和實驗。數學模擬包括四個基本方面：一個是建立對象的數學模型，擬定分析模型的數值方法，編製實現分析方法的程序，在電子計算機上執行程序。數學實驗使得物理學最終形成了實驗物理、理論物理和計算物理三足鼎立的格局，但是光靠計算是計算不出真理來，計算物理最後的結果，還是要通過實驗物理進行驗證，還要尋求更加精確的理論構造，這是無疑的。 在科學已經越來越依賴於研究手段的今天，實驗手段的進步不僅可以有助於理論突破，甚至可以打開新的窗口，改變科學家的思路，開闢新的研究領域，任何輕視實驗手段和方法的思想，都可能使科學處於停滯和陷於困境。這也是為什麼在理論物理取得巨大成就的今天，人們還要耗費巨資，去製造對撞機，去製造天文望遠鏡，去製造聚變實驗裝置，去製造一個又一個有巨大解析度的電子計算機等等。

第六，是物理學與生命科學之間相互作用。生命是物質的，所以物理學的發展也必定要涉及涵蓋生命物質規律的研究。物理學與其他自然科學交叉與相互作用，曾經產生並形成了化學物理學、生物物理學和心理物理學以及天體物理學、地球物理學、大氣物理、海洋物理和空間物理等諸多的交叉學科，這種交叉和相互作用最突出的表現還在於，20世紀的生命科學在物理學的基礎上發生了革命性的變化，也就是DNA雙螺旋結構的發現以及分子生物學的發展。 1953年，美國生物學家沃森和英國化學家克里克發現了DNA的雙螺旋結構。1954年，俄裔美國物理學家伽莫夫提出核苷酸三聯體的遺傳密碼。1958年，克里克提出了遺傳信息傳遞從DNA到RNA再到蛋白質的中心法則。1961年，法國生物學家雅各布和莫諾提出了基因的功能分類和調節基因的概念等等，在這以後，幾乎所有對生命現象的研究，都深入到了分子水平，去尋找生命本質規律，分子生物學成為了生命現象研究的核心領域和發展生物技術原理的源泉。 1970年，基因重組開闢了基因技術工程應用的可能性，從而使人類看到了運用生物技術造福人類的廣闊前景。生命科學的這種革命性的變革，正是物理學、化學和生物學等相互交叉的結果，在這個過程當中，物理學的概念與方法以及物理學家深入到生命科學領域進行探索，為此做出了重要的貢獻。所以現在看來，學生命科學和學物理之間，包括和數學之間，沒有不可跨越的鴻溝。許多有成就的生命科學家，有些就是來自於物理學、化學等其它領域。有許多原本學物理的科學家，他成名以後，興趣轉移到去參與生命科學的研究。量子力學的創立者薛定諤，1944年寫過《生命是什麼》，這本書曾深刻地影響了一批物理學家和生物學家的思想，促成了分子生物學誕生出了三個基本的學派，這就是比德爾代表的化學學派，德爾布呂克代表的信息學派，以及肯德魯代表的結構學派。 物理學的X射線晶體衍射方式，為結構學派認識生物大分子的晶體結構提供了有力的手段。我們科學院的生物物理所，在這方面比較強。物理學家伽莫夫率先提出了三聯體密碼方案，有利地推動了信息學派的成長。我相信，三個學派最終是要共同合作，才能根本揭示生命現象的整體奧秘。結構是重要的，生命現象內部以及內外之間的信息傳遞，也肯定是重要的。生命現象的信息傳遞，能量傳遞，物質傳遞，許多是通過化學方法轉化的。因此生化也依然是生命科學一個的重要基礎，這是毫無疑問的。同時，我們也要重視生命科學對物理學的影響，量子論的重要創立者之一玻爾曾經號召物理學家關心生命現象研究，他當時的目的，主要還是想在生命現象中尋找量子物理適用的界限。當然，今天的物理學家已經把一部分注意力轉到生命物質方面來，這是一個大的趨勢。

第七，社會需求的拉動以及科學與技術之間的相互作用是推動物理學近百年進步的根本原因。1897年，物理學家提出晶體的生長取決於結晶核的數目、結晶速度和熱導率三個獨立變數以來，對微觀結構和宏觀性質認識得最深入，並對它的加工製備技術掌握得最成熟的材料應該推半導體。 我們簡略的看一下半導體發展的歷程。英國物理學家法拉第發現氧化銀的電阻率隨溫度升高而增加之後，隨著又發現光電導、光生伏打和整流三種半導體物理效應，英國物理學家威爾遜提出半導體導電模型，這是1931年。美國貝爾實驗室的肖克利、巴丁和布拉頓研製出晶體管，體積小壽命長的晶體管很快就取代了真空電子管，到了1950年，記得我小的時候，還裝過真空管的收音機，現在真空管收音機，除了音響發燒友，為保真度好，用它之外，其他的還是用半導體。英國達默提出了集成電路的設想，美國人基爾比和諾依斯各自獨立研製出了最早的集成電路。 半導體集成電路由於需求的拉動，飛速地發展，從小規模一直到極大規模，相應的加工尺寸已經到了0.1微米，人們利用微電子材料和工藝製作出了微形的梁、槽、齒輪和薄膜乃至於微型的馬達，他們也可以像製作晶體管那樣成批地製造。基因晶元是固化大量生命信息的DNA晶元，其空間解析度正是從微米向納米發展，現在已經應用於生物醫學、分子生物學的基礎研究、人類基因組研究和醫學的臨床實驗。基因晶元將對生物學基礎研究和臨床醫學、診斷學和腦與神經生物學等產生革命性的影響。集成電路的製作使用半導體材料也經歷了鍺—硅—砷化鎵等三五屬半導體的變化，生產工藝則從平面工藝到分層工藝再到圖形，包括光刻、刻蝕可視、沉澱、外延、擴散、濺射，測試、封裝等微米亞微米的加工工序。集成電路材料與工藝不斷進步，以及物理學的不斷發展，導致了微納電子學的產生，微米級的技術本身延伸出X光刻機，電子束爆光機，例子束光刻機以及對材料進行原子級的修飾技術，首先成為發展納米技術的工具。但目前最精細的工具還是新發展出來的用於原子尺度加工的掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡等掃描探針顯微鏡，當然它也有局限，因為它的效率不高。電子爆光機和離子爆光機是目前實用的納米加工工具，掃描探針顯微鏡目前為止可作為原子尺寸加工的唯一工具，我相信總有一天要取得新的突破。 以納米技術為基礎，新的工具將導致小於100納米超微分子器件的誕生，這些分子器件可能具有更為主動和複雜的性能，能夠幫助人類完成更為複雜的操作，或者精確的操作，基於分子裝配的納米技術，將能夠對物質結構進行完全的事先的設計和控制，使人類能夠按照自然規律製備出超微的智能器件，半導體集成電路和納米科技的發展表明，導致科技進步的動力不僅來源於科學家和工程師的創造欲，而且來源於社會需求的拉動。自第二次世界大戰以來，社會需求對科學發現和技術發明的拉動作用越來越大，要求我們科技人員和科技管理人員要摒棄封閉的經院式的思考方法和管理方式，密切與社會的聯繫，準確把握社會需求，有效而又有針對性地推動科技進步和創新。特別是對於我們這樣一個急需利用有限的科技資源推動現代化建設的發展中國家的科技人員來說，更是需要如此。我們中國的兩彈一星，當然是科學家在黨和國家的領導下取得的成就，但後面的動力，還是來源於國家安全需求的強大推動。我們袁隆平教授所完成的雜交水稻這個巨大的成就，顯然他的研究動力，不僅是袁隆平先生的創造力，其背後也來源於中國13億人口對糧食需求的推動。這個需求反映到科學家身上，反映到袁隆平教授腦海里，成為探索的不竭動力。

最後講一下物理學的魅力和未來。相對論，量子論及其結合產生的量子場論和統一場論的近代物理學革命的主要成果，導致了人類物質與精神生活發生巨大變化。相對論對於時空關係和時空與物質關係的認識，量子力學對物質內部結構和運動規律認識，不僅深深地影響了人們的觀念，而且廣泛地改變並將繼續改變著人們的日常生活和生產方式。物理學的魅力不僅體現在其物化成果可以極大地改變人類文明，尤其需要指出的是物理學，特別是近代物理學，彰顯出科學給人類帶來認知能力上的不斷升華。物理學中紛繁複雜的事物當中抽象出物質的統一特性，更正了我們日常生活當中所看到的一些膚淺的認識，透過表象為我們揭示出物質本質的奇妙特徵，並且藉助數學和邏輯，做出了最為理性、簡潔和優美的數學物理表述。 物理學在為我們解釋周邊物質世界的同時，也為我們營造出了內容豐富、思維縝密、不斷創新、妙趣無窮的理論方法和實驗體系。20世紀的近代物理學革命與19到20世紀之交的物理學形勢相關，那時物理學上空有兩朵所謂烏雲，使得一些物理學家驚呼出現了物理學危機。近代物理學革命不僅解決了兩朵烏雲導致的這場危機，而且把整個物理學都置於以量子論和相對論兩大理論為支柱的現代物理學的基礎之上。 19世紀的最後一天，歐洲著名的科學家曾經歡聚一堂，會上，有一位英國著名的物理學家湯姆生，回顧物理學所取得的偉大成就時說，物理大廈已經落成，所剩的只是一些修飾工作，同時他在展望20世紀物理學前景時，卻若有所思地講，動力理論肯定了熱和光是運動的兩種方式，但在它的美麗而晴朗的天空卻被兩朵烏雲籠罩了，第一朵烏雲出現在光的波動理論上，第二朵烏雲出現在關於能量均分的麥克斯韋波茲曼理論上。這兩朵烏雲，現在被量子論跟相對論所驅散，雖然目前今天的物理學，誠然面臨著一些重要的理論與實驗問題亟待解決，比如類星體的能源問題，暗物質、暗能量和反物質的問題，愛因斯坦場方程的宇宙項問題，中微子振蕩問題，質子衰變問題等。但是到現在為止，物理學家還沒有人像19世紀20世紀驚呼物理學的危機。相對論和量子論在科學各個領域的擴展與應用，雖然已經取得了很大成功，但科學永無止境，沒有到非常完善的成動，看來一直作為精密科學典範的物理學還是魅力未減，作為其他經驗科學基礎的地位短時期還不會改變。現在我們的科學技術發展的重心開始向生命科學，向信息科學等傾斜，但是物理學依然是基礎，數學依然是基礎，是重要的工具，這一點並沒有改變。物理學的巨大魅力還在於它從理論認識中，延伸出眾多的技術原理，20世紀物理學為我們這個社會提供了四個主要的新技術原理，這就是核能技術，半導體技術，包括大規模集成電路的技術，激光技術和超導技術。半導體技術和激光技術還衍生出網路技術，雖然在20世紀近代物理學革命以後，在約為3/4世紀的時間內，物理學並沒有發生新的基礎性的革命性的重大變革，物理學的進展主要還表現為對於相對論量子論的完善及推廣應用上，但這並不意味著物理學的發展已經走到了盡頭。 當代科學發展的態勢和社會對科學的迫切需要，將在很大程度上影響科學未來發展的方向及特徵。一些傳統科學將繼續保持相當的獨特性，物理科學作為整個自然科學發展的基礎地位一時還不會動搖，但是科學的學科結構重心無疑將轉移到生命領域。 數學科學作為數與形的科學，其簡潔精確優美的表述方式繼續在自然科學、應用技術與社會人文科學中得到更為廣泛的利用。信息技術作為研究與知識信息交流、傳播的技術手段，會隨著自身發展及其與其他領域的結合不斷進步，並通過廣泛滲透促進社會各個領域的發展。各自然系統的研究以及自然科學人文社會科學之間的結合將成為跨學科研究的新的生長點，他們的發展和廣泛運用，都將有力地推動學科間整合和交叉學科的誕生與繁榮。 以上正是我在紀念物理學百年的時候想說的話，謝謝大家！

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