百年物理学启示，本文主要内容关键词为：物理学论文,启示论文，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。
一百年以前，爱因斯坦写下了五篇科学史上著名的论文，第一篇是《关于光的产生和转化的一个推测性观点》，这篇论文讨论了光量子及光电效应。第二篇是《分子大小的新测定法》，推导出分子计算速度的计算公式。第三篇是《热的分子运动论所要求的静液体中悬浮粒子的运动》，提出了原子确实存在的证明。第四篇是《论动体的电动力学》，提出了时空关系的新理论，正是因为这篇论文，拉开了近代物理学的序幕。第五篇是《物体的惯性同它所含的能量有关吗？》，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。
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，人类的认知伸向了广袤的宇宙，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，伸向了生命领域跟神经、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，催生出了核能、半导体、激光、新材料和超导技术等，促进了一批新技术的飞速发展，并且借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。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。尤其是我们生活在当代中国，我们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做出贡献，为世界科学的发展做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、实验和理论之间的矛盾，催生了新的科学概念。当时一些新的物理现象的发现，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的解释电磁波以及光的传播，但是对于热辐射的辐射跟吸收无能为力。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。量子场论的发展，经历了经典量子场论，规范量子场论，分别是对称的跟不对称的，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。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。
第二、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，可能比解决问题更为重要。问题提出了，即便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。
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，时空空间与物质分布相联系，物质和能量相联系，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，深刻的影响了人们以后的思维方式以及世界观。
爱因斯坦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。他在《论动体的电动力学》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，跟挑战已有理论跟理论体系的勇气。
第三、科学的想象力需要严谨的实验证据支持。前面讲到，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。1915年，爱因斯坦发表了根据广义相对论对宇宙学做出考察这篇论文，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。稍候一些，1917年荷兰著名的天文学家德西特、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等。红移现象等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，他的学生阿尔法等人，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在研究卫星的电波通信的时候，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，跟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的接受，并且发展成为当代宇宙学的一个标准模型。
我们从爱因斯坦相对论宇宙大爆炸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，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。
第四、我认为在物理学启示当中，一条重要的启示是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，所以物理的规律，往往用数学语言来表达。
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世纪天体力学的主要进展也多数是通过数学方法取得的，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里得到证实，因为生命科学尤其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。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。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，物理学不仅是让数学家面临大量的、新的数学问题，而且某种意义上也能够引领着数学家朝着起先想不到的地方前进。
今天我们应对生命科学的数学化还要有充分的思想准备，数学与生命科学的之间的关系，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。兴许我们的后代，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利用那些为描述生命现象提前准备了的数学工具，数学家也要沿着生命科学提出的那些过去的数学，还未曾想到的方向努力。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的关心跟参加到生命科学与认知科学研究当中去。
第五、新仪器的发明为当代科学打开了新的途径跟窗口。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，它们在20世纪分别发展成为射电望远镜和电子显微镜，一个宏观观测生物宇宙空间，一个深入微观观测生命现象和分子构造，观测物质的分子原子结构。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。到现在， 加速器的发明跟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，许多新粒子接踵被发现，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。
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，核磁共振设备等等。
第六、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的规律的研究。物理学与其他自然科学交叉与相互作用，曾经产生并形成了科学物理学、生物物理学、心理物理学、天体物理学、地球物理学、大气物理学、海洋物理学和空间物理学等诸多的交叉学科，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信息。
1953年美国生物学家沃森和英国化学家克里克发现了DNA双螺旋结构。1954年俄国籍的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，在这些以后，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，发展成为了发展生物技术的源泉。
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的前景。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，学生命科学跟学物理之间，包括跟数学之间，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、化学等其他领域。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波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。当然我们今天，物理学家已经把一部分眼光注意力转到软物质，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。半导体集成电路由于需求的拉动，飞速的发展，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。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、脑与神经生物学产生革命性的影响。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。
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与控制，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、科技管理人员要摒弃封闭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来推动现代化建设的发展中国家科技人员来说，更是需要如此。
最后讲一下物理学的魅力和未来。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，尤其需要指出的是近代物理学，彰显出科学给人类带来认知能力上的不断的升华。从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。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的原理，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。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、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，但是科学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应用。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。