物理学的挑战（上），本文主要内容关键词为：物理学论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
我很高兴在中国科学院50周年纪念之际讲“物理学的挑战”这个题目，我想从三方面来讨论一下。首先讲一下中国古代的物理学，然后讲一下20世纪物理学的成就，最后猜测一下21世纪物理学的前景。
中国古代的物理学
中国古代的物理学与世界古代的物理学很相像，都以天体物理学为基础。“物理”这两个字的使用最早可能是杜甫。杜甫在公元758 年写的一首诗中有这样两句：
细推物理须行乐，何用浮名绊此生。
翻译成英文是：
To probe Wu Li with care and reason,One must feel happyand free one's body of concern for credit.
杜甫这两句话，现在应用仍很正确。杜甫对“物理”用了“细”和“推”两个字，“细”就是要仔细观察，“推”就是要推理，所以这两个字，一个是实验，一个是理论，每一个字的份量都很重，如果要取两个字来描写物理实验和理论，很难有比“细”和“推”用得更恰当的字来说明研究物理的方法，也可以说是科学研究的方法。杜甫是诗人，怎么对“物理”有如此深刻的理解呢？杜甫当时还是工部侍郎，实际上相当于现在的计委副主任，大家称他杜工部。可见在中国古代文化中，科学与文学艺术是密切相关的。
中国台湾“中央研究院”现保存有一片甲骨，其上所刻甲骨文的内容是世界上第一次关于新星（Nova）的观察记录。
所谓新星是与太阳相似的一颗恒星，一颗恒星的一生可以有几次突然变成新星的经历，每次它能够在几天，或者是一个月左右忽然亮度增加一万至十万倍。现在已知道了它的道理：太阳把氢烧成了氦，可是在燃烧过程中也产生一些比较轻的、但比氦重一点的核。太阳每制造一些相当比例的这一类核，它的半径就会收缩一点，亮度增加一点，经过一定的时间，它的亮度忽然增加一万至十万倍，然后再恢复原有的亮度。那片甲骨文的大意是，七日黄昏时有一颗新大星出现在大火附近。大火即心宿二星座。
甲骨文的“新”字跟我们现在的“新”字不同，它的左边是个“辛”字。我们现在写的“新”字很难表达它的意义。
甲骨文的“新”字右边是一个箭头，箭头所指是发现一个新东西，新大星的“大”字很大，很形象。甲骨文的“星”字由三个“口”字构成，可是这三个方块大小不一，你对着它看，它好像会闪动，犹如星在放光。
在另一片甲骨上，记录着一星期之后，那颗新星的亮度减少很多。这两片甲骨上的甲骨文是世界上对新星最早的记录。
除新星外，还有超新星（supernova）。超新星的亮度是太阳的10[10]倍。像太阳这样的星，当它的氢核完全变成氦核时，就变成中子星，这个中子星直径只有几千米。所以像太阳这样大的星一下子变成几千米大，就要变成超新星了。关于超新星，全世界最早、最完整的记录也在中国，是1056年宋朝时发现的。宋朝的天文记录已经很详细，每天有记录，记录中说，当超新星刚出现的时候，大如鸡蛋，然后它的亮度一天天慢慢变小。从记录中可以推出现在的蟹状星云是哪个时候哪颗超新星演变产生的。这颗超新星的寿命差不多是一年。
我想介绍一下中国古代对于天体构造的看法。中国很早就推测地是圆的，天也是圆的。这是诗人屈原推测的。屈原在他的《天问》里写着：
记载新里爆发的一片中国古代甲骨，这是人类历史上最古老的新星观察记录。图中加方框的即“新大星”三字。
九天之际，安放安属？
隅隈多有，谁知其数？
东西南北，其修孰多？
南北顺椭，其衍几何？
屈原用解析推理的方法，也就是“细推”了地是圆的。当时没有实验的证明，是推理出来的。屈原充分运用了诗人的想象力和解析思考能力，那是公元前5世纪。得到了这样重要的结论：天像蛋壳，地像蛋黄，两者都可以转，所以中国从古代开始，天体的运行轨道就有黄道、赤道两个道。屈原接着推测，地的形状可能偏离完美的球形，可能是椭球形。他问：“东西南北，其修孰多？南北顺椭，其衍几何？”屈原问，赤道圆周比通过南北两极的圆周，哪个更长。南北顺椭圆的长度到底多长。但是屈原并没有回答这个问题，因为他那时不知道，我们现在才知道地球的赤道直径和极直径差得很小，可是那个时候他问这个问题是相当了不起的。
在中国的古书上有一个很重要的观点，“以苍璧礼天，以黄琮礼地”。中国古代有天坛、地坛，现在又多了世纪坛。在中国天地观念很深，可是为什么是以苍璧礼天，以黄琮礼地呢？这个问题在文献上讨论繁多，李约瑟书上也讲，璧和琮与中国的古文化有很密切的关系。中国商代的璧是圆的，直径20.4厘米，以这个礼天，直觉上也许有道理。琮的结构比较奇特，外边是方的，中间是圆的、空的，其长度为48.9厘米。为什么琮代表地呢？下面谈一下我个人的见解，为什么古人用璧和琮来代表天地。
璇玑基本是圆形的，比璧稍复杂一点，样子与璧很像，大小也差不多，但周边有凹槽，中间有圆孔。按照西汉的文献《书尧典（疏）》记载：
璇美玉也。玑转运，径八尺，圆周二丈五尺强，是王者正天文之器。汉世以来，谓之浑天仪。
璇玑是一种“径八尺，圆周二丈五尺强”的圆盘，是“王者正天文之器”。自汉朝以来，很多人认为它是浑天仪的前身——璇玑玉衡中的一部件。为什么它是天文仪器？我根据它的结构假设它的作用，璧和琮合成象征同一件古代天文仪器，璧本身是璇玑的简化品。
我们祖先的初始文化跟其他地方的古文化不同，她产生于中原，而其他古文化都是在河流入海处产生的。埃及文化产生在尼罗河，美索不达米亚文化也产生在河流入海处，而中国是中原文化，她的发达和繁荣特别需要天文来确定四季。
假如拍摄夜空的话，就会发现一晚上每颗星都是沿圆弧运行的，但是作为一个整体，它们之间的相对位置是不变的。当然地球在转，所以我们看天都在动，所有星的转圈都是绕着一根不动的轴。我们的祖先也会发现天空的球面有一点是不动的，显然这一点有它的重要性。设想当时的天文仪器可能就是要固定这个不动点的位置，这样一个仪器显然也要转，此外还有一个必要条件是，把轴心固定，使之对着不动的这一点（称为正极）。
如何固定直径八尺的大圆盘呢？也许可以用琮，我考虑固定直径八尺的璧，圆心一定要对准那个正极，最好是用一个大的盘子——璇玑。盘子边上有三个凹槽，每个凹槽对着一颗比较亮的星。晚上天上星体是动的，使盘子随着这三颗星转，再用轴心把正极定出来。
假定就是这样一个构造，那么必需要有三个凹槽，璇玑有好几个凹槽，但其中有三个凹槽跟其他凹槽不同，每个都成正方形，而且相互间的位置近似一个正三角形的三个顶角位置。所以把这三个凹槽对着三颗比较亮的星，当晚上天上星在转时，璇玑跟着转。用很长的管子穿过璇玑中间的圆孔，管子中间是空的，它的轴心对准正极，用石基来固定长管。盘的凹槽对准三颗星，随天而转。长管子是竹头做的，中间空，这样就确定了正极的位置。这个竹做的长管子当然不太结实，要在其外面包以大石块，才能跟地固定，“与地永恒”，所以就呈琮的样子。天和地由此连起来了。
古代这样的仪器有多大准确性呢？假定竹管长十五尺，竹管的微孔直径为二毫米，大圆盘璇玑直径为八尺，可估计出正极的角位能定准到0.012度。近代的实验比这个还准确一点，但这样一个古仪器的准确度也至少可到1％度左右。这个仪器，就解释了璧代表天，琮代表地， 也解释了它们的形状，后来就演变成现在的璧和琮。中国的古文化是很值得骄傲的，它跟天文有密切关系。
使用这个天文仪器需要有几个条件，正极需要有一颗星，并且另外还要在三个最好的位置有成等角三角形的亮星。现在的星座，北极星在正极的位置，周围也有三颗亮星，可是，这个正极本身有一个轨道，正极的轨道每25000年走一圈，在商朝时，北极星不在正极的位置， 正极位置没有星。
那么更早在什么时候正极恰好有颗星呢？公元前2700年，紫微星座刚好有一颗星，右枢在正极的位置，比现在北极星离正极更近一点。周围刚好还有三颗星，对着凹槽，它们是紫微星座的少宰和上辅，北斗星座的摇光。所以说，假如这个假定是对的，那就是在公元前2700年。也就可以比较准确地定出中国文化的起始年代。
我常想一个问题：中华民族的文化为什么是连续的？这是有道理的。中国文化发源于中原，而且中华民族没有一个系统性的宗教，没有其他文化的宗教束缚。可能上述关于“璧、琮”假设和其他推理是对的，中国的天文在公元前2700年已经相当发达，对星的定位已准确到1％度，因而也可以确定耕种农时。如果到故宫去参观，可以看到很多铜器，其中大的鼎、尊等都跟吃喝有关。中国的文化一直延续至今是因为她以科技为基础，以民生为目的，所以比较容易延续。今天来庆祝中国科学院成立50周年，是要在我们老祖宗给我们打好的基础上，使中国文化更加发扬光大。
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