物理学百年的回顾 -周光召-第1章
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人物简介
周光召，1929年出生，1954年北京大学物理专业研究生毕业，历任中国科学院理论物理研究所研究员、所长，中国科学院院长，中国科协主席，全国人大第九届副委员长。主要从事高能物理、理论物理方面的研究，在中国第一颗原子弹和氢弹的理论设计中做出过突出贡献。
内容简介
物理学在这一百年中间，有了极大的发展，同时从物理学中间这一百年也分化出了大量的学科。物理学进入化学、生物、天文、地学、数学、技术科学，就出现了所谓的化学物理、生物物理、天体物理、地球物理、计算物理、技术物理等等新兴的交叉学科。那么到底是什么动力使得物理学在这百年中间能够得到飞速的发展呢？我想首先是因为物理学是先进生产力的开拓者。二十世纪物理学的广泛的应用，不断提高国家和企业的竞争力，不断地开辟新的消费需求和市场。反过来呢，市场和国家的需求又推动物理学迅猛快速地发展。物理学在发展的历史过程中间，始终是先进文化的创造者，它始终激励一批科学家，在物理学的前沿去进行执着的追求。二十世纪物理学家在多层次变化无常而又丰富多彩的现象中间，去寻求宇宙所表现的真善美，寻求万物运动内在的统一规律，和理解外在显现的多样性，对人类的思维方式和世界观的进步做出了多方面的重要贡献。
物理学的发展不断开辟新的先进生产力，在外是受到社会经济需求的大力牵引，它又是人类先进文化的重要组成部分，在内部一直为人类强烈追求对宇宙运动规律的认识所推动，这两种动力都不会停止，在本世纪将继续推动物理学向前发展。物理学应用的领域将随着人类对物质结构和运动认识的深入，以及掌握的有力探测工具的增加而不断扩大，将在各种极端条件地下探索新的现象，将对不同层次的非线性复杂系统进行模拟和研究，将不断开拓新的研究领域。
在我们面前还有很多不解之谜，譬如说质量是怎么产生的，为什么存在三代的夸克和轻子，最基本的物质形态到底是什么，暗物质又是什么，四种相互作用力能不能够统一，怎么样统一，真空的结构，和对称性怎么样，相变和对称性的破缺是怎么发生的，量子力学的去相干过程又是怎么发生的，量子力学是不是最终的理论，宇宙的能量到底是从哪里来的，强烈的伽马线爆发是怎么产生的，黑洞的命运和结构又是怎么样？宇宙和时空是怎么起源的？是不是存在多个宇宙？宇宙的结构和发展的命运是唯一所决定的吗！数学将再为物理的理论的发展提供新的工具，而天体将再一次成为检验物理基本理论的场所，由于实验的困难，进程也许不会很快，但是相信在本世纪这些问题都能得到明确的回答，人类对宇宙万物的认识将会进入一个全新的阶段。
全文
今天我要向大家讲的是物理学百年的回顾和展望。物理学在这一百年中间，有了极大的发展，即使作为一个终生研究物理的人，我想也很难有一个人能够对它全面地了解。为了说明这一百年来的物理学的发展，我们先看看物理学研究的范围，有些什么样的进展？用时间来作为例子，物理学最近研究的顶夸克，它的寿命，只有四乘十的负二十五次方秒，这是个非常短的时间。同时物理学现在研究的宇宙的起源，现在我们知道大约是在一百到一百五十亿年的样子，可能在是一百三十亿年附近，这个相当于四乘十的十七次方秒，所以物理学研究的时间范围是横跨了四十二个数量级。我们讲每十倍就是一个数量级，所以一百就是两个数量级，一千就是三个数量级，我们现在差别有四十二个数量级，这么大的范围，都是物理学研究的对象。
物理学研究的对象的种类也日益增多，同时在研究物理宇宙中间，多层次的复杂而且差异非常巨大的各种物质的形态和结构。前不久我们测量出来中微子的质量，只有一乘十的负三十五克重，这是非常非常之轻的。当然我们举个例子，我们经常在研究太阳，太阳的质量是二乘十的三十次方公斤，所以可见我们研究的对象，光是从它质量的范围来看，差距就是极为巨大。
二十世纪是研究原子的世纪，在原子内部尺度的范围，差别也是非常之大的。我们一个原子大约是一百亿米分之一。可是原子下面是由原子核构成的，原子核比它小一万倍，原子核又是由质子和中子所组成的，质子和中子又是由夸克所组成的，这样又要相差一万倍。所以即使一个原子内部的结构，它的空间的尺度就相差了八个数量级。同时从物理学中间这一百年也分化出了大量的学科，到二十世纪，力学、热学、光学、声学、无线电、微电子，像激光、原子能现在都已经形成了独立学科，我们在学校里边有的还可以看到这样的系。这些学科支持了机械、冶金、建筑、电力、原子能、航空航天、计算机、通讯等等工程科学的发展。物理学进入化学、生物、天文、地学、数学、技术科学，就出现了所谓的化学物理、生物物理、天体物理、地球物理、计算物理、技术物理等等新兴的交叉学科。那么到底是什么动力使得物理学在这百年中间能够得到飞速的发展呢？我想首先是因为物理学是先进生产力的开拓者。二十世纪物理学的广泛的应用，不断提高国家和企业的竞争力，不断地开辟新的消费需求和市场。反过来呢！市场和国家的需求又推动物理学迅猛快速地发展。举例子，譬如雷达和原子弹，这个主要是物理学家在二战中间所做的工作，它在战争中间的作用促使美欧各国在战后就大量增加了对物理学的投资，设立了集中的研究机构，建造了巨型的加速器、核反应堆，来从事有潜在的军事价值和市场价值的研究。
在2000年美国工程院选择了二十项二十世纪最伟大的工程，其中采用的技术大部分都直接或间接跟过去三百年物理学的发现有关系。这二十项工程是首先是电气化、汽车、飞机、自来水系统、微电子、无线电广播和电视，我在这些项目的后边都打上了星号，这个星号越多的，表示它和物理学的关系越密切。以下是农业机械化、计算机、电话、空调和冰箱、高速公路、卫星、因特网、摄影。然后是家用电器，医疗技术，石油和石油化工，激光和光纤，核技术，高性能材料，大家可以看出来其中大多数都打了星号都跟物理学直接或间接有关。
物理学在半导体、集成电路、激光、磁性、超导等方面的发现，这都是二十世纪所发现的，奠定了信息革命的科学基础。在市场推动下边，由物理学延伸的高技术产业应运而生，这些高技术产业，在二十世纪下半叶的全球经济中扮演了重要的角色。它为家庭开发了从微波炉到液晶电视等多种的家用电器，引导了以微电子、光电子、网络和微光机电技术为核心的第三次工业革命，为信息社会的到来奠定了技术基础。由物理学研究带来的新技术和新产品层出不穷，从根本上改变了人们的生产方式和生活方式。
我们看看所有这些是由哪些物理学的发现所导致的。当然有很多是与二十世纪以前的物理学有关系。在二十世纪以前，以牛顿力学、热力学和麦克斯韦电动力学为代表的古典物理学，到十九世纪末已经形成了完整的理论体系，并且在工业革命中间起了重要的作用。这些物理学的成就反映在工业上，就是发明了电话、电灯、汽车等等，并且开始了社会的电气化进程。十九世纪末还相继发现了X光、放射性、电子，测定了光速和部分物质的光谱，这些都为人类在二十世纪进入微观世界奠定了基石。
二十世纪以古典物理学为基础，还有很多重要的发明。譬如说1901年马可尼成功地发射了无线电波，进行了跨越大西洋的无线电接收，那么无线电广播和通讯就得到了大规模的推广应用。火箭技术在二十世纪开始发展，提出了克服地球引力进入太空的设想，这是俄国人提出来的。然后1930年首次提出了火箭发动机的专利，1926年开始了第一次电视图像的传输；1928年第一次完成了跨大西洋的图象无线的传输；1938年发现了硒在光照底下变成良导体，当时的XEROX公司就应用它造成了第一台复印机；1936年又发明了磁带录音；1937年发明了雷达；1939年开始调频广播；1949年用X光分析了盘尼西林的晶体结构；1958年超声技术开始在医疗中间应用；1967年家用微波炉上市。而这些都是和二十世纪以前的物理学的发明相关的。到二次世界大战以前，在二十世纪物理学家深入研究了物质的各种形态，又发现了一系列新的现象。譬如说1911年发现超导；1911到1912年通过X光衍射，发现了晶体原子的对称排列；1932年发现了中子；1934发现了人工放射性元素；1938年发现超流；1939年发现了裂变现象。像战后那就有更多的发明，比如1947年发现了晶体管；1954年发明太阳能的光伏电池；1955年制造了第一根光纤；1959年发明了集成电路，集成电路是刚刚获得诺贝尔物理学奖的；1960年发现了红宝石激光器；1966年提出了能够实用的光纤的设想；1971年发明了微处理器；1975年液晶显示用于计算器；1982年激光唱盘问世。物理学还为所有其他的科学提供了强有力的研究工具，比如中子衍射可以确定原子核的位置和运动，可以探测物体内应力的分布，是判定物质结构有力的工具。像加速器产生的同步辐射强光源，已经广泛用于研究材料的性能和结构，化学反应过程，生物细胞的活动等等。1989年在欧洲核物理研究中心工作的Berners－Lee他为了在网络上传输高能物理的数据，就提出了超文本协议，这个协议现在已经成为全球万维网信息传输的标准。
物理学还提供了强有力的探测和医疗设备，像五十年代就已经把X光用于生物分子的结构分析，最重要的是它在五十年代首次分析了DNA的双螺旋结构。而克利克和华生正是看到了这个照片以后，才提出了他们有名的双螺旋结构。像Rosalyn Sussman Yalow发明了核放射分析的技术，成功地应用于生物学的研究，超导SQUID器件用在地质探矿或者研究生物体磁性的变化。而CT、核磁共振、正电子CT、PET、基因芯片、激光、超声、微波等等都广泛用于医疗和生物的研究。用现代物理学开发出来的显微镜，我们已经可以清楚地看到细胞的活动。这里是一个巨噬细胞在吞噬一个外来的细菌，这是我们拍摄出来真实的DNA长链，打开了的DNA。这是我们从核磁共振拍摄到的脑的图象。
在量子力学和相对论的指导下面，上个世纪的下半叶，物理学在凝聚态、激光、表面等离子体等等方向上面，又发现了很多种有广泛应用前景的现象。有新的集体振荡的模式，新的相变和宏观量子态等等，像量子霍尔效应、分数电荷、稀土永磁、高温超导、量子点、量子计算和信息传输，玻色… 爱因斯坦的凝结态，相干原子束等等。同时也创造了崭新的探测和控制原子的手段，像同步辐射光源，快中子束和离子束，微光机电器件，功能核磁共振，隧道扫描显微镜，原子力显微镜，激光镊子等等，为开创纳米科技的研究提供了有力的工具。这是我们观察到一个在温度不断下降的时候所形成的玻色…爱因斯坦的一个凝结，这是用的铷原子做成的。纳米技术在上世纪末已经开始蓬勃地发展，这里面应用了大量的物理的新的思想和技术，它本身也是由一位有名的物理学家费尔曼所提出来的。这是用光刻技术所做出来的微机械，这里是移动单个的原子所做出来的一个算盘和写的字，这是世界上最小的字之一了。同时在量子场论还发展出一些新的计算的方法。譬如说重整化群的方法，这个对研究处于临界状态附近的各种自相似的结构非常之有用，已经广泛应用于各种不同的物质组成的复杂系统或者远离热平衡的开放的系统。在二十世纪企业已经成为物理学的应用研究开发的一个主力。在市场力量的推动下，我们看到有几项获得诺贝尔物理奖的重要的发现。譬如说晶体管、集成电路、电子隧穿效应、激光、隧道扫描显微镜、高温超导，这些都是获得诺贝尔物理学奖的。它们都在大工业的中央研究室里边完成的，所以在二十世纪有眼光的企业家，已经认识到基础研究在发展企业技术上的重要作用，从市场长远发展的需求，制定了他们研究的目标。他们不仅为大学基础研究提供了很多的资金，而且有组织地在企业内部开展了多学科的基础研究。企业的中央研究所，在世界上已经成为像物理学应用基础研究中间的非常重要的力量。
物理学在发展到历史过程中间，始终是先进文化的创造者，它始终激励一批科学家，在物理学的前沿去进行执着的追求。二十世纪物理学家在多层次变化无常而又丰富多彩的现象中间，去寻求宇宙所表现的真善美，寻求万物运动内在的统一规律，和理解外在显现的多样性，对人类的思维方式和世界观的进步做出了多方面的重要贡献。重要的我想有，一个是对宇宙观和认识论的贡献。相对论、量子力学和它们相结合产生的量子场论是从根本上改变了人类对物质运动、时空和相互作用的看法，使得十九世纪占统治地位的、绝对的决定论的宇宙观衰退，转变为辩证的惟实的宇宙观。
我们先看看古典物理学，从十七世纪开始，物理学一直处在科学研究的最前沿。到十九世纪末由牛顿力学、热力学和麦克斯韦电动力学构成的古典物理学，不仅已经发展成为一个完整的理论体系，而且形成了根深蒂固的机械唯物主义的思潮。应该说在十七世纪的时候，机械唯物主义是一个进步，因为当时人们是被神学所统治。在与此同时，将古典物理学应用于社会生产和技术，它也取得了非凡的成功。到十九世纪末从牛顿力学就发展出来分析动力学，同时这里边建立了非常多深刻的观念。像广义坐标和广义动量，对称性和守恒定理，最小作用量原理，拉格朗日作用量函数，哈密顿方程，雅可比括弧等等。这些都对以后的量子力学的发展做出了重要的贡献。而麦克斯韦方程又系统地展示了场的观念，预见了电磁波的存在，提出了光的本性就是电磁波。在麦克斯韦方程中间还隐含了和伽利略对称性不同的洛伦兹对称性。
物理学家认为牛顿力学、热力学和麦克斯韦电动力学建立了完整的对宇宙的说明，并且在应用中间取得了极大的成功。当时人们认识的宇宙是一个机械的宇宙，一切都像一个机械一样动作，它是只要一开始有一个第一推动力，它就会永远按照同样的规律不停地运行下去。在十九世纪末有一系列的实验使得人们对以前的完整的物理学的说明产生了怀疑，首先就是发现了光的运动速度和地球的运动没有关系，这样就形成的电动力学和牛顿力学的矛盾，又发现了古典的黑体辐射理论会导致在频率很高的地方，辐射量越来越大，会发散，这个和试验也不符合。另外从电动力学的观点出发，像原子是由带电粒子所构成的，电子在原子里面不断地运动，如果它不断地运动，有加速度的话，它就要辐射出电磁波来，它的能量就会不断减少，所以这样的原子它不可能稳定。刚才发现原子发的光它的频率谱不是连续的，而且其中有分
