物理学的明天 |
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| 1。 物理学的明天
物理学是自然科学的基础，同时又是自然科学发展的前沿。物理学自诞生以来就具有两方面的基本作用：在精神上，它极大地满足了人们的求知欲，物理学帮助人们越来越深入地认识了自然界；在物质上，它有力地服务、造福于我们人类。
但是，今天我们才意识到，人们关于物理学的一些认识还未必正确，一些结论未免过早。在物理学轰轰烈烈走过了几个高潮之后，产生了一种倾向，一些人士开始了关于物理学的反思：物理学在悠久的人类历史长河中的几百年究竟起了什么作用？物理学所应用的方法对自然界是真的行之有效么？明天，未来的物理学会是怎样？
本文作者持积极乐观态度，坚信在未来的21世纪，物理学将不改初衷：
（1）继续满足人们不断增长的求知欲望，前沿不断发展，失误不断被纠正，而且人们将通过物理学加深对人类自身的认识。
（2）一如既往地满足人们物质上的需要将仍是物理学的主要目标。这也是物理学历尽沧桑而不断得以存在并发展的决定性因素。也正因此我们预言：应用物理在未来的物理学中将前所未有地起主导作用。与以往不同的是在未来的应用物理中，理论的探索将占更大的成份，具体而言之：
a．物理学60%-80%的理论探讨将围绕理论的应用展开，将集中探讨“理想化”的理论如何回归现实世界，以及检查“理想化”的理论是否背离了现实的轨道。
事实上，在一定意义上物理学研究的对象一直是理想的模型。这在一定阶段具有绝对进步的意义。但理想模型的建立过程即对现实世界的抽象处理过程因过分简单化难免使模型与现实对应物之间有了本质区别。这一点对物理学的影响是深重的。今天，我们已经有了关于实物的、关于场的、关于平衡态的、关于非平衡态的、关于线性的、关于非线性的物理理论。但是在每一领域的理论应用于现实时，仍会遇见巨大的困难，有时甚至会出现不可解的问题。笔者认为，这原因之一就是由于在“理想化”处理、抽象研究建立理论过程中隐匿了错误。在物理学中，甚至在过去的所有科学技术中，几乎处处离不开近似处理，“四舍五入”成了一条科学成语。但是就在这种近似处理中，物理学曾轻易地忽略掉了混沌理论。该理论承认“蝴蝶效应”：今天有一只蝴蝶在北京扇动翅膀就有可能在下个月引起纽约的一场风暴。这在只具备传统物理思想的人看来是不可思议的。
在未来对物理学既有的理论和方法的检验中，也许会发现许多错误，从而建立一系列新理论。
b．未来物理学最尖端的环节之一是材料物理学。一方面科技越先进，对各种仪器、设备的各项指标的要求就越高，而要达到这一要求在很大程度上取决于材料的性能；另一方面，一些新技术的诞生完全是由于新材料的发明及材料新性能的发现，具有了良好材料才能使器材的“硬件”真正“硬”起来。
高科技的发展和应用能促进生产力的飞跃，高科技是国家、企业竞争制胜的制高点。所谓高科技主要包括：信息技术、自动化技术、航天技术等等。而其中信息技术的基础技术主要就是新材料技术新能源技术。可以说没有新材料的不断问世就不会有高科技的健康发展。新材料的神奇作用有时是难以预料的。下列事实能充分说明这一点。
科学家预言在不久的将来光计算机将取代电子计算机，如同晶体管取代电子管一样。光计算机一秒钟可以进行一万亿次的逻辑运算，其存储器的存储量将提高几万亿倍。这一切都是电子计算机远远望尘莫及的。使这种“神话”得以成真的关键是找到可以取代晶体管的新材料。如今研究已初步成功。新材料是一种特殊的晶体，照射到它上面的光束，强度发生一点变化，透过去的光将发生很大变化，即它对光有放大作用。
有一种新材料叫功能陶瓷，具有光、声、热和电磁学等多种功能相互转换的特性。这种材料在信息工程中大显神通，得到了广泛的应用。同样，已被大家熟悉的不再神奇的“形状记忆”镍钛合金，在航空中也有了特殊的应用，显示出了巨大的优越性。
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| | 2。 物理学的明天 | | c．能源问题将是未来物理必须解决的难题。新能源的开发成败关系着人类的存亡。化石能源之枯竭是人类在不久的将来必须面队的现实。虽然人们对新能源的开发研究早已开始，但目前还没有任何一种新型能源足以完全取代生活中化石能源的地位。地热能、水能、风能、原子能、太阳能等的科学利用方法仍必须投入大气力去研究。
d．在生命科学领域物理学将有更深入更广泛的渗透。在已往的岁月里，物理学家曾对生命科学的发展做出了卓越的贡献。薛定谔为解释生命现象而提出的负熵概念已广泛地被生物学家采纳。受薛定谔影响而半途改弦易辙的沃森和克里克确定了DNA模型，成为当时生物界最出色的研究者。玻尔也十分热衷于生命现象，他先后写过《光和生命》、《生物学和原子物理学》、《物理科学和生命问题》以及《再论光和生命》等论文。普里高津用耗散结构理论解决了热力学第二定律与达尔文进化论的冲突。协同学、混沌学等将成为未来生命科学某些领域的主要理论工具。基因工程、细胞工程已成为生物高科技主要内容，在这些微观领域，离开物理学理论的指导和精密物理设备将寸步难行。关于脑的研究已形成一门新学科——脑物理学。
中国的物理直到今天在一些领域还处于落后的地位。但我们中国人自己已凭事实说明了自己具有高度的物理智慧。过去我们起步晚，主要是向人家学。但在70-80年代以来一些新学科相继出现，应该说我们具有与他人平等的机会，如耗散结构论、协同学、分形物理学、非线性混沌理论等。协同学创立者哈肯说过：“我认为协同学和中国古代思想在整体性观念上有很深的联系。”耗散结构理论提出者普律高津也说过类似的话。然而，没有一位新领域的开山鼻祖是我们中国的物理学家。这对那些仍然盲目偏执地认为强调整体的中国科学思想（实际上这是极不全面的看法）还会再次导致科学复兴的人们是一个辛辣的讽刺。造成这一状况的原因是复杂的多方面的。笔者认为主要与我们的意识有关。我们的科学家多是亦步亦趋地跟在别人的后面走，缺乏超前意识，自己感受不到物理学以及科学的其他领域发展的内在节奏、规律与趋势。这极大地阻碍了我们物理学家个人创造力的发挥，也自然妨碍了中国物理发展，影响中国物理的世界地位。
但愿我们的展望能引起物理界同仁尤其是那些凭实力已跻身世界一流行列的大家们的共鸣。果如此，我们将无比欣慰。
以上是本书作者1996年发表于《现代物理知识》上的一篇科普文章。在物理学的历史上曾有很多人在不同的时代对物理学的发展做过预言。事实上有的历史人物真不愧被称为预言家：达芬奇的一些天才预言设想已为我们熟知，英国人赫伯特 乔治 威尔斯（1866—1946）预言了太空飞行时代的来临并表示了对人们是否能明智地利用科学的担忧，而英国人莱昂 巴格瑞特于20世纪60年代就预言了今天计算机的几乎全部主要功能。然而与这些成功的预言截然不同的是几乎历史上关于物理学未来的预言都以失败而终。最为大家所熟悉的是著名物理学家开尔文于1899年除夕之夜在新年贺词中的预言：物理学的大厦已经建成，今后物理学家的任务只是修饰和完美这所大厦。今天我们再重温这一预言不难想象，当时的开尔文该是多么的心情舒畅踌躇满志啊。然而这种好心情实在称得上只是昙花一现。1900年普朗克即提出了能量量子化假说粉碎了经典物理自然过程没有飞跃的信条；1905年名不见经传的爱因斯坦就革命性地完成了狭义相对论……
20世纪物理学的辉煌实在令物理界留恋与神往，而这一切辉煌几乎是随着这个新世纪的光临而接踵而来的。因此在21世纪翘首可待之际，许多物理人又纷纷作出预言。这与其说是预言不如说是良好的期盼，期盼新世纪能给物理学再次带来新的辉煌。
1997年第9期《物理通报》发表了李政道先生的文章：《21世纪物理科学的发展前景》。李先生认为，21世纪物理学的主要任务是：“激发真空、微观和宏观的物理的结合、制造像宇宙开始的状态，了解暗物质，了解类星体的能源，了解CP不对称的原理。”
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| 3 | 。物理学的明天 | | 1997年第12期《物理教师》发表了物理学史专家、首都师大申先甲教授文章，“对下一个世纪最初二三十年的发展趋势作‘豹斑之窥’”：“可以相信，在科学技术整体发展的推动下，物理学仍将朝着各分支学科不断深入而整体领域综合交叉的整体化方向发展。物理学作为精密科学的典范，并以其探索视野的广阔性，研究层次的广谱性，理论适用的广泛性，在今后很长时间内仍将发挥其中心科学和基础科学的作用。它仍将不断地推出新思想、新原理和新方法，孕育出功能奇特、威力巨大的新技术，成为高新技术和新兴产业部门的喷发源泉和生长点，充当科学技术革命深入发展的主旋律。”
如果从物理学内史的角度，仔细分析一下物理学过去的发展过程,应该说还是不难看出物理学发展所呈现出的一定的规律性。对这种规律的研究有助于我们判断物理学发展的新生长点可能的所在。经典力学、热学、几何光学、电磁学理论的完成已经体现出一定的先后顺序，每个领域内部的发展情况也大致体现出了循序渐进的趋势。这是与人们探索自然奥秘的认识论规律相一致的。以这些为基础力学与热学的结合产生了统计物理学；力学与电磁学的结合产生了狭义相对论；狭义相对论再与力学（万有引力定律）的结合产生广义相对论；热学与电磁学的结合产生量子力学。按此模式狭义相对论与量子力学结合又产生了还不完善的相对论量子力学……从另一个角度看物理学由静态到动态、由离散到连续、再由连续到离散、由低速到高速、由宏观到微观、由平衡态到非平衡态、由线性到非线性、由有序到混沌的发展趋势告诉我们，物理学的发展至少在“逻辑空间”是遵守“各态历经假说”的：在“逻辑空间”不存在禁止科学理论进入的空白区域。人们的求知欲和社会发展的需要也不允许这样的未知的科学理论的空白空间的存在。物理学真正的进展或大飞跃必须建立在对新的“逻辑空间”的革命性开拓基础之上，因循老路不是重复就是照虎画猫很难走出原地踏步的怪圈。如此看来李政道先生关于21世纪的物理学将实现微观与宏观的结合的预言，从逻辑角度看也是很有道理的，是符合物理学过去的发展规律的。事实上，介观物理学、纳米物理学就应该属于这一范畴。而鉴于截止20世纪物理学所达到的理论及方法上的空前成就，申教授的预言也同样是值得信赖并给人以鼓舞的。然而过去在粒子或高能物理等领域已经出现的令人感到疲倦的缓慢发展态势难免让人怀疑，这种直线式的想将一条道进行到底的研究方向在一定的时间段是否还有光明前途。物理学已经是一门体系严谨比较完备的学科，要精通这门学科不是一件容易的事情。虽然如此，精通这门学科也只是能对其进一步发展作出贡献的一个必要条件。要做一个物理科学的革新家，还必须具备特殊的精神气质。贝弗里奇认为研究人员与开拓者需要相同的的品格：极强的事业心和进取心；随时准备以自己的才智迎击并战胜困难的精神状态；冒险精神；对现有知识和流行观念的不满足，以及急于试验自己判断力的迫切心情。研究人员最基本的两条品格就是对科学的热爱和难以满足的好奇心。而聪明、内在干劲、勤奋以及坚忍不拔的精神和丰富的想象力也是科研成功的重要条件。安德森和泰罗将现代的科学技术研究人员的能力和心理特点归纳为：突出的干劲、热情、勇气；沉着；诚实，正直；有较强的搜集整理的能力；有毅力，做事专心致志；有较强的协作能力；具有主动性，直率；具有一定的交际能力；勤奋、机智具有独创性；有较敏锐的直觉；有弄清事实、规律的渴望；具备一定的实验能力；具备迅速吸收知识的能力；有善于克服旧思想习惯的能力；有韧性，能适应新事物；具有扬弃非本质东西的判断能力；能从整体上全面看待问题；既具有分析能力又具备综合能力；有独立性和极强的怀疑精神，能够和敢于提出自己的创见；不修边幅；具有得到发展、获得再生的渴望；具有发挥自己才能的强烈渴望；具备善于发现问题的能力。可见要成为一个能够在物理学领域作出巨大贡献的人，有许多非知识因素需要培养。有些方面是学校教育比较忽视的，所以教育思想必须有所改变，每个有志于成为物理学家甚至物理学大师的人不仅要学习成功的物理学家们的工作方法，还应该有意识地对他们内在的宝贵的心理、性格等品质进行有目的地学习和研究。这实际上就是学习物理文化的精髓。
不同的人出自不同的知识背景、不同的学养，从不同的角度出发作出的预言不可能完全相同，时间是最可靠的证明大师，让我们满怀希望拭目以待。几年过去了，重温1996年的文字本书作者不变并更加强烈的一种感觉是，在未来的日子里，环境恶化、资源匮乏等人类无法回避的对人类生存状况构成威胁的现实问题也必然是物理学及物理学家们必须首要面对的，成功与否，直接关系人类的生存与灭亡。这不是杞人忧天也并非耸人听闻。今天的人类对自然的影响，不亚于中国古代神话传说中共工氏撞倒不周山的后果，更加可怕的是许多主宰世界的大国小国的政客们热衷的仍是他们的权利和财富，为了维持他们的一己之利（力），他们可以不顾民众生死而一味腐化享乐，为此他们更可以草菅人命发动战争。如今的人类缺乏大禹那样为救民众于水火三过家门而不入的王者，更缺乏女娲那样不畏劳苦肯为小民炼石补天的政治家。所有有良知的物理学家所有有良知的科学家所有有志爱民的政治家任重道远，他们是人类未来的希望。 |
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学生：才吉卓玛
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