漫談物理學的過去現(xiàn)在和未來

漫談物理學的過去、現(xiàn)在與未來馮端(南京大學物理系固體微結構物理國家重點實驗室南京210093)摘要文章試圖對物理學的發(fā)展歷史作一透視，從而理解其現(xiàn)狀，并進而窺測其未來的前景。我們希望這一看法對于當今從事物理學教學與科研的人士有所助益。由于物理世界的層次化，諸層次之間既可能存在耦合，又可能出現(xiàn)脫耦。因而大量粒子所構成的復雜體系中所涌現(xiàn)的各種層展性質(zhì)就不能簡單地還原成個別粒子所服從的規(guī)律。我們根據(jù)這一觀點并結合物理學的未來前景，討論了當今物理學研究的若干前沿問題。一切跡象預示著物理學將有光明的前景。關鍵詞物理學，歷史，現(xiàn)狀，前景，前沿，物理世界的層次化，層展性質(zhì)本文系國家自然科學基金資助項目“物理學的過去、現(xiàn)在和未來”是一個非常大而且重要的題目，也是一個非常難講的題目，特別是涉及物理學的未來，結果往往是貽笑大方。這里以歷史的透視為主線，提出一些個人不成熟的看法，拋磚引玉，希望得到大家的批評和指正。1歷史的透視對物理學的發(fā)展歷史進行透視，將有助于我們來理解其現(xiàn)狀并進而展望其未來。歷史很長，不能樣樣都講到。我想從牛頓開始，牛頓以前還有很多先驅性的工作，只好從略了。1.1經(jīng)典物理學的盛世(17世紀至19世紀末)我們不想詳細討論歷史，主要考慮那些還在用的物理學知識。第一次綜合(統(tǒng)一)是l7世紀牛頓力學構成了體系?？梢哉f，這是物理學第一次偉大的綜合。牛頓力學實際上是將天上的行星運動與地上的蘋果下墜概括到一個規(guī)律里面去了，建立了經(jīng)典力學。至于蘋果下墜啟發(fā)了牛頓的故事究竟有無歷史根據(jù)是另一回事，但它說明了人們對于形象思維的偏愛。牛頓實際上建立了兩個定律，一個是運動定律，一個是萬有引力定律。運動定律就是在力作用下物體怎樣運動的規(guī)律；萬有引力是一種特定的物體之間存在的基本相互作用力。牛頓將兩個定律結合起來運用，因為行星的運動或者地球上的拋物體運動都離不開萬有引力的影響。牛頓從物理上把這兩個重要的力學規(guī)律總結出來的同時，也發(fā)展了數(shù)學。他也是微積分的發(fā)明人。他用微積分來解決力學問題。由運動定律得出來的運動方程，可以用數(shù)學方法把它具體解出來。這體現(xiàn)了牛頓力學的威力，它具有解決具體問題的能力。假如你要計算行星運動的軌道，基本上可以按照牛頓所給出來的物理規(guī)律，加上用數(shù)學方法解運動方程就行了。根據(jù)現(xiàn)在的軌道上行星位置，倒推千百年前或預計千百年后它們的位置都是輕而易舉的，從而開拓了天體力學這一學科。海王星的發(fā)現(xiàn)史就充分顯示了這一點。人們發(fā)現(xiàn)天王星的軌道偏離了牛頓定律的要求，問題在哪里呢？結果認為牛頓定律正確無誤，而是在天王星軌道外面還有一顆星，對它造成影響，并估計出這個星球的位置。果然在預計的位置附近發(fā)現(xiàn)了這顆星，命名為海王星。這表示牛頓定律是很成功的。按照牛頓定律寫出運動方程，若己知初始條件位置和速度，原則上就可以求出以后任何時刻的粒子位置。到19世紀，經(jīng)典力學新的發(fā)展表現(xiàn)為一些科學家重新表述了牛頓定律。重新表述有拉格朗日(Lagrange)方程組、哈密頓(Hamilton)方程組。這些重新表述形式不一，實質(zhì)并沒有改變。在不改變實質(zhì)的條件下，用新的、更簡潔的形式來表述牛頓定律。這是一個方面。另一個方面，就是將牛頓定律推廣到連續(xù)介質(zhì)的力學問題中去，就出現(xiàn)了彈性力學、流體力學等。在這一方面,20世紀有更大的發(fā)展，特別是流體力學，空氣動力學和航空技術的發(fā)展密切相關,而氣動力學的發(fā)展又和噴氣技術密切相關，進而牛頓力學還構成了航天技術的理論基礎。因此我們說牛頓定律到現(xiàn)在為止還是非常重要的，牛頓定律還是我們大學課程中不可缺少的一個組成部分。當然，其表述方法應隨時代發(fā)展而有所不同。讀者如果有興趣，不妨去翻一翻牛頓當年的表述。牛頓關于力學研究的成果，寫在一本叫《自然哲學的數(shù)學原理》(簡稱《原理》)的巨著中。只要稍微翻一下這本書，就會發(fā)現(xiàn)它非常難懂。牛頓的一個重要貢獻是從萬有引力定律和運動定律把行星運動的軌道推了出來。我們現(xiàn)在學理論力學時，行星運動的橢圓軌道問題是不太難的，解微分方程就可以求出來。但牛頓在《原理》里，沒有用他的微積分，更沒有用解微分方程的方法，他純粹是用幾何方法把橢圓軌道推出來的?，F(xiàn)代科學家就不一定能看懂他這一套東西。舉個例子來說，費曼(R.Feyman),有名的理論物理學家，他寫過一本書，他說他自己對現(xiàn)代數(shù)學比牛頓強得多，但對17世紀牛頓當時熟悉的幾何學他就不一定能全部掌握，他花了好些時間，想用牛頓的思路把橢圓軌道全部證出來，結果，中間還是有些環(huán)節(jié)證不出來，最后他不得已調(diào)整了一下方法，沒有完全依照牛頓的證法，但基本上還是用幾何方法把這個問題證明出來了?？茖W理論的表達是隨時代變化的?，F(xiàn)在來看，牛頓運動定律的關鍵問題，譬如行星運動是橢圓軌道，現(xiàn)在應有可能在普通物理中講了，因為簡單的微分方程已經(jīng)可以用計算機求解了。由于計算機的發(fā)展，也許今后在普通物理中講牛頓定律時，就可以在課堂上把行星運動橢圓軌道的一些基本概念說清楚了。在這里也可以說，教學問題與現(xiàn)代科技發(fā)展是息息相關的。第二次綜合是麥克斯韋的電磁學。大家都知道，最初是庫侖定律，用以表達電荷與電荷間的相互作用力，也表達磁極與磁極之間的相互作用力。然后電與磁之間的關聯(lián)被發(fā)現(xiàn)了：奧斯特的電流磁效應，安培發(fā)現(xiàn)的電流與電流之間相互作用的規(guī)律，然后是法拉弟的電磁感應定律，這樣電與磁就連通成為一體了。最后，19世紀中葉，麥克斯韋提出了統(tǒng)一的電磁場理論。電磁定律與力學規(guī)律有一個很大的不同。力學考慮的相互作用，特別是萬有引力相互作用，根據(jù)牛頓的設想，是超距的相互作用，沒有力的傳遞問題(當然用現(xiàn)代觀點看，引力也應該有傳遞問題)。現(xiàn)在從粒子的超距作用改成電磁場的場的相互作用，這在觀點上有很大變化，重點從粒子轉移到場。麥克斯韋考慮電磁場的相互作用，導致電磁波，電場與磁場不斷相互作用造成電磁波的傳播，后來赫芝在實驗室中證實電磁波的發(fā)射。另外，電磁波不但包括無線電波，實際上包括很寬的頻譜，很重要的一部分就是光波。光學在過去是與電磁學完全分開發(fā)展的，到了麥克斯韋的電磁理論出來以后，光學也變成了電磁學的一個分支了，在這里，電學、磁學、光學得到了統(tǒng)一。這在技術上有重要意義，發(fā)電機、電動機幾乎都是建立在電磁感應的基礎上的，電磁波的傳播導致現(xiàn)代的無線電技術。電磁學直到現(xiàn)在，在技術上還是起主導作用的一門學科，故在基礎物理學中電磁學始終保持它的重要地位。第三次綜合是從熱學開始的，涉及到宏觀與微觀兩個層次。根據(jù)熱學研究總結出熱力學的兩大基本規(guī)律：第一定律，即能量守恒律；第二定律，即熵恒增律。但科學家不滿足于單純在宏觀層次上來描述，還想追根問底，企圖從分子和原子的微觀層次上來闡明物理規(guī)律。氣體分子動理學便應運而生，用以闡述氣體物態(tài)方程、氣體導熱性與粘滯性等物性參量的微觀基礎。進一步就是玻爾茲曼與吉布斯所發(fā)展的經(jīng)典統(tǒng)計力學。熱力學與統(tǒng)計物理的發(fā)展，促使物理學家接觸到具體的物性問題，加強了物理學與化學的聯(lián)系，建立了物理化學這一門交叉學科。1.2轉折與突破(19世紀至20世紀初)正是由于經(jīng)典物理學取得了非凡的成就，給人們印象太深刻了，遂使有些科學家產(chǎn)生了錯覺，認為巨大發(fā)現(xiàn)的時代業(yè)已過去。這種悲觀的論點在上世紀末相當流行。具有典型意義的據(jù)稱是著名物理學家邁克耳孫(A.A.Michelson)說過的一段話，“當然無法絕然肯定物理科學不再會有像過去那么驚人的奇跡，但非?？赡艿氖谴蟛糠趾陚サ幕驹順I(yè)已確立，而今后的進展僅在于將這些原理嚴格地應用于我們所關注的現(xiàn)象上。在這里測量科學的重要性就顯示出來了——定量的結果比定性的結果更為可貴。一位卓越的物理學家曾經(jīng)說過，物理科學未來的真理將在小數(shù)點六位數(shù)字上求索”，(1898年芝加哥大學導學手冊)。值得注意，這類悲觀論點，在20世紀科學的重大發(fā)展之后，又在本世紀末重新問世。具有代表性的是美國資深科學記者霍根(J.Horgan)訪問許多知名學者之后，寫出了《科學的終結》一書，在斷章取義地引述若干科學家的談話之后，得出了荒謬的結論，不僅是物理學走向了窮途末路，而是一切自然科學都到了散場的地步，堪稱為上一世紀末悲觀論點變本加厲的新版本，其命運必將重蹈前者的覆轍。富有洞見的是英國著名物理學家凱爾文(L.Kelvin)于1900年所作的演說。他在對19世紀物理學的成就表示滿意的同時，提出了“在物理學晴朗天空的遠處，還有兩朵令人不安的烏云”。這兩朵烏云指的是：其一實驗察覺不到物體和以太的相對運動；其二是氣體多原子分子的低溫比熱不符合能量均分定理。這兩朵烏云迅速導致傾盆大雨，即相對論和量子論的兩場物理學的革命。19世紀的科學家不滿足于用麥克斯韋方程組來解釋電磁現(xiàn)象，熱衷于采用機械模型來說明問題，即使是大師麥克斯韋本人也不例外。以太被引入作為真空中傳播電磁波的媒質(zhì)。邁克耳孫與莫萊(Morley)設計了精巧的實驗來驗證物體和以太的相對運動，取得了負的結果。愛因斯坦提出了狹義相對論(1905年)，其物理洞見在于摒棄了不必要的以太假設，進而肯定電磁學的規(guī)律對于一切慣性參考系都是成立的，而且具有相同的形式，真空的光速不變，不同慣性系之間的變換關系為洛倫茲變換。我們知道，牛頓力學也是對于慣性參考系才成立，而不同慣性系之間的變換關系為伽利略變換。這樣經(jīng)典力學和經(jīng)典電磁學之間就存在矛盾。愛因斯坦肯定了經(jīng)典電磁學，而對經(jīng)典力學作了相應的修正，摒棄了牛頓的絕對的時空觀，認為空間、時間與運動有關，并首創(chuàng)性地提出了質(zhì)量與能量的對等關系，將牛頓力學修正后成功地應用于高速運動的情形。牛頓力學的另一局限性表現(xiàn)在它不能圓滿地解釋強引力場中物體的運動，這從它無法定量地解釋水星軌道近日點的進動問題而初露端倪。另一帶根本性的問題是它對萬有引力的存在沒有任何理論解釋。這些缺陷尚有待發(fā)展進一步的理論來彌補。l916年，愛因斯坦的廣義相對論應運而生。這一理論的出發(fā)點在于肯定慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量等同的等效原理(這己為實驗所證實)，將非慣性參考系中觀測到的慣性力與局域的引力等同起來。進而提出一切參考系均有相同的物理規(guī)律這一廣義相對性原理。廣義相對論成功地預言了一些效應，如強引力場中光線的彎曲，引力強度與光譜線頻移的關系，并用空間的彎曲很自然地解釋了引力的存在。由于廣義相對論是針對強引力場和大質(zhì)量物體而提出來的，因而廣泛應用于天體物理學，也構成了現(xiàn)代宇宙論的基礎。如果說相對論消除了經(jīng)典物理學的內(nèi)在矛盾并推廣其應用范圍，那么量子論就開啟了微觀物理學的新天地。在l9世紀，化學家道爾頓提出了原子論，物理學家也提出原子-分子微觀運動的概念來構筑分子動理學和統(tǒng)計物理學。特別是著名物理學家玻爾茲曼在發(fā)展原子-分子運動理論，推動統(tǒng)計物理學的發(fā)展上作出了杰出的貢獻。但是這些工作受到馬赫(E.Mach)與奧斯特瓦爾德(W.F.Ostoold)等人從實證論哲學觀點的質(zhì)疑。按照實證論的觀點，只有為人們所感知的事物是存在的。而當時由于顯微術觀測條件的制約，原子與分子都無法直接看到，因而有關的理論受到實證論者的否定。玻爾茲曼為捍衛(wèi)原子-分子理論進行了激烈的爭辯。愛因斯坦于1905年提出布朗運動的理論，為分子運動的圖像提供了有力的旁證。隨后,佩蘭(J.B.Perrin)的實驗觀測提供了更加確鑿的證據(jù)。在明確了宏觀世界之外存在有微觀世界后，進一步的問題在于探索微觀世界的物理規(guī)律。上世紀90年代中葉后，有一系列重要發(fā)現(xiàn)，對這方面的研究起了很大促進作用：1895年，倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線，隨后X射線成為揭示物質(zhì)的微觀結構的重要工具；1896年貝克勒爾發(fā)現(xiàn)了放射性，隨后居里夫婦發(fā)現(xiàn)了強放射性元素鐳，盧瑟福確認了a,β,γ射線的本質(zhì)，這些工作揭開了原子核科學研究的序幕。l897年,湯姆孫發(fā)現(xiàn)了電子，這是最早發(fā)現(xiàn)的一種基本粒子，隨后也被作為重要的工具應用于研究物質(zhì)的微觀結構，而操縱電子的器件成為現(xiàn)代信息技術的基礎。作出這些重大發(fā)現(xiàn)的科學家也都獲得了新世紀初諾貝爾獎的桂冠。如果說證實原子與分子的存在就意味著揭示物質(zhì)結構在微小尺度上具有不連續(xù)性，那么早期量子論則揭示了能量在微小尺度上的不連續(xù)性。1900年,普朗克為擬合黑體能量分布的實驗數(shù)據(jù)，在經(jīng)典物理學的理論無效之后，挺而走險，提出了包括作用量子h的量子論。隨后，1905年，愛因斯坦根據(jù)光電效應存在能量閾值的規(guī)律提出了在物理上更明確的具有能量為hv的光子這一種基本粒子。1911年，盧瑟福根據(jù)金箔對于a粒子的散射實驗結果，提出了有核的原子模型：正電荷集中在原子核這一微小區(qū)域之內(nèi)，而外圍則為電子所環(huán)繞。1913年,玻爾提出了量子論的原子模型，認為原子中的電子處于確定的軌道上,處于定態(tài)，在定態(tài)之間的量子躍遷則導致發(fā)光。玻爾用這種半經(jīng)典的量子理論相當滿意地解釋了氫原子的線系光譜，面對著更復雜的原子光譜問題就遇到了困難?？茖W家需要改弦易轍，發(fā)展更全面的量子理論。1924年,德布羅意正確地指出，正如電磁波也具有粒子性質(zhì)(光子)，而具有粒子性質(zhì)的電子等也將具有波動性。1925-1926年,海森伯與薛定諤分別完成了量子力學的兩種表述，矩陣力學與波動力學,強調(diào)了波動與粒子的二象性。電子衍射的實驗結果證實了電子具有波動性，而量子力學的理論全面地解讀了紛紜繁復的原子光譜實驗結果,一舉解決了原子結構的問題。隨后狄拉克將非相對論的薛定諤方程推廣到(狹義)相對論的情形，建立了狄拉克方程，為量子力學作了重要的補充。這樣，微觀世界的物理規(guī)律終于確立。2當代情景在量子力學確立之后，物理學進入了新的時期，這里統(tǒng)稱為當代物理學。由于當代情景錯綜復雜，頭緒繁多，難以用甚短的篇幅來進行概括。下面就以實驗和理論這兩條主線，對此作一粗略的介紹。2.1實驗技術20世紀是實驗技術突飛猛進的時期。早期盧瑟福的a粒子散射實驗為隨后的核物理與粒子物理的研究樹立了樣版。但技術上的改進是多方面的。轟擊的粒子束有質(zhì)子、中子、電子和各種離子等。30年代初,中子被發(fā)現(xiàn)后，由于其散射截面大，容易引起核反應，受到學術界的重視。費米及其合作者系統(tǒng)地用中子來轟擊周期表中不同元素，發(fā)現(xiàn)了一系列的核反應和新的放射性元素。1938年，哈恩(0.Hahn)與邁特納(L.Meitner)終于發(fā)現(xiàn)和確認鈾的裂變。隨后原子核裂變的鏈式反應得的實現(xiàn)，導致了裂變反應堆的問世。它為實驗技術提供了新的手段，又為裂變能的軍事與和平利用鳴鑼開道。隨后,輕元素的聚變提供了另一種核能源。聚變能的爆炸式的軍事應用于50年代初即已實現(xiàn)，但可控的和平利用卻經(jīng)歷了漫長的發(fā)展過程。兩種方法,磁約束與慣性約束，雖則取得不少科學成果，但作為能源，尚處于得失相抵(breakeven)的前夕，要點火尚需繼續(xù)努力。到30年代，科學家開始認識到天然放射性元素發(fā)射的粒子能量太低，束流也不夠強，不能適應實驗物理學的要求。在這種情況下，加速器技術就應運而生。早期有高壓倍加器和靜電加速器，主流是勞倫斯開創(chuàng)的回旋加速器及其變型。以后加速器的能量愈做愈高,技術愈來愈精。能量已從早期的MeV量級升高到如今的TeV量級。一代代的加速器為核物理和粒子物理的研究立下了汗馬功勞，發(fā)現(xiàn)了幾百種粒子。與之并行發(fā)展的還有粒子檢測技術，從早期的蓋革計數(shù)器、云霧室，到照相乳膠、氣泡室、火花室和閃爍晶體列陣等。雖然技術的進展十分引人注目，但許多物理實驗的基本思路,例如通過質(zhì)子對高能電子的深度非彈性散射來論證質(zhì)子具有夸克結構，仍然和盧瑟福的原型實驗十分相似。值得注意,加速器與反應堆也被用于非核物理學以至于其他科學的研究，同步輻射和高通量中子源就是例證。另一高速發(fā)展的物理科學領域是天體物理學。光學望遠鏡愈做愈大；射電望遠鏡是在第二次世界大戰(zhàn)中由雷達技術推動而發(fā)展起來的，也朝向巨型發(fā)展；而依據(jù)射電望遠鏡發(fā)展起來的綜合孔徑技術也反饋到光學望遠鏡的技術中去了。新波段，如紅外、X射線和γ射線的望遠技術得到了發(fā)展，還有新的檢測技術如CCD列陣。為了超越大氣層的吸收和干擾，還將望遠鏡放到太空中去，如哈勃、愛因斯坦、康普頓望遠鏡等?？梢哉f當代也是天體物理學的黃金時代。大量天體譜線紅移的數(shù)據(jù)為宇宙膨脹提供證據(jù)，3K微波背景、脈沖星、類星體及γ射線爆等重大發(fā)現(xiàn)，為理論天體物理和宇宙論提供了大量數(shù)據(jù)，使星體和宇宙成為檢驗物理理論的龐大實驗室?，F(xiàn)代高能物理學(包括部分核物理)及天體物理學已經(jīng)成為大科學主宰的領域。其特征在于設備龐大，人員眾多，經(jīng)費數(shù)額巨大，計劃實施時間漫長。到30年代，光譜學研究已有盛況不再之感。但第二次世界大戰(zhàn)中雷達技術的發(fā)展又為微波波譜及磁共振的研究提供機遇。50年代初，首先在微波頻段實現(xiàn)了受激發(fā)射，隨后轉移到光學頻段，導致激光器的問世。激光技術引起了光學和光譜學的一場革命,導致量子光學的誕生，影響十分深遠。應該指出,早在1917年,愛因斯坦就提出了受激發(fā)射的理論，而實驗室中的實現(xiàn)卻延遲到40年之后。激光技術引入物理實驗室，為小型精巧的實驗研究提供了機會。X射線和由之衍生的電子衍射與中子衍射，導致了晶體結構分析的發(fā)展。它為凝聚態(tài)物理和材料科學奠定基礎，而且大大地促進了化學、生物學和礦物學的研究。出自這一領域的科學家獲得了諾貝爾獎多達十幾次。電子顯微術超越了光學顯微術的分辨極限，并實現(xiàn)了原子尺度的成像。80年代以后，掃描隧道顯微術發(fā)展成為花樣繁多的顯微探針技術，不僅實現(xiàn)了原子尺度的成像，還實現(xiàn)了多種原子尺度的測量和操縱技術，充分顯示了小規(guī)模精巧創(chuàng)新的實驗技術仍然富有生命力。為了消除熱運動對固體中許多現(xiàn)象的干擾，將試樣冷卻到低溫下進行研究成為重要的手段。現(xiàn)代低溫技術始于氮的液化(4.2K)，進一步采取稀釋致冷機可以達到mK的溫度，再進行核退磁致冷，可以達到μK的量級。近年來發(fā)展起來的激光冷卻，再加上蒸發(fā)致冷，可以使原子氣體達到μK以下的溫度。低溫物性的研究取得許多重要的成果：金屬與合金的超導電性，4He液體的超流動性，3He液體的超流動性，多種非常規(guī)的超導性(如有機化合物、重費米子、銅氧化物超導電性，其中最后一種已經(jīng)超出低溫的范圍)。1995年起，又在μK溫度以下觀測到堿金屬氣體的玻色-愛因斯坦凝聚，隨后，相位相干的原子束得到了實驗演示，即所謂原子波激射(atomiclaser)。晶體純度和完整性對物性有重要的影響，促使固體制備技術有了較大的發(fā)展：單晶拉制、區(qū)熔提純、控制摻雜等技術成功地應用于半導體的制備。1947年,晶體管的發(fā)明也許是20世紀中物理學家所作出的取得最大經(jīng)濟與社會效益的一項成就。70年代后，超高真空技術成為實驗室中的常規(guī)手段，在超高真空下的結構與能譜測試手段相繼問世，開拓了表面物理的新領域。以分子束外延為代表的當代薄膜與異質(zhì)結制備技術的開發(fā)，引起量子納米結構(量子阱、量子線與量子點等)的熱潮，并向磁性材料(巨磁阻效應)和超導電體方面延伸。許多新的物理效應的發(fā)現(xiàn)，諸如整數(shù)與分數(shù)量子霍爾效應、介觀量子輸運等，顯示了凝聚態(tài)物理尚大有可為。2.2理論與計算在量子力學建立之后，理論發(fā)展就分道揚鑣，其中一條道路是深入到更加微小尺度的微觀世界中去。首先發(fā)展的是原子核結構與動力學理論。雖然核子之間存在強相互作用，但基于平均勢場中作有效單粒子運動的殼模型也取得成功。還有強調(diào)核的集體行為的液滴模型和復合核模型，也有將單粒子運動和集體運動結合起來的綜合模型，核子配對的相互作用玻色子模型等，頗成功地說明原子核的某些性質(zhì)。進入更深層次的物質(zhì)結構就到達了粒子物理學的研究領域。50和60年代，除核子以外,又發(fā)現(xiàn)大量的強子(具有強相互作用的粒子)，其中多數(shù)是不穩(wěn)定的。1964年,蓋爾曼(M.GellMann)等提出了強子的夸克模型，認為強子并非基本粒子，而是由具有分數(shù)電荷(1/3或2/3電子電荷)、還具有色荷(紅、藍、綠三種顏色之一)的夸克所構成的。質(zhì)子的夸克結構已為實驗所證實。理論所預言三色六味的各種夸克，一一被實驗所揭示，最后一種頂夸克是到1995年才發(fā)現(xiàn)的?？淇穗m然存在于強子結構中，但獨立存在的自由夸克卻一直沒有觀測到?？茖W家又提出夸克禁閉模型來說明這一事實。到本世紀中葉，已經(jīng)明確了自然界只有四種基本相互作用，即引力、電磁力、弱力與強力。其中引力和電磁力是長程的，而弱力與強力是短程的，限于原子核的范圍之內(nèi)。愛因斯坦晚年致力于統(tǒng)一場論，試圖將引力和電磁力統(tǒng)一起來，未取得成功。量子力學建立之后，處理量子體系與互作用場的理論(量子場論)得到了發(fā)展。首先發(fā)展的是，處理電磁相互作用的量子場論，即量子電動力學。在40年代末，利用重正化消除了發(fā)散的困難，使量子電動力學的理論預言得到了高精確度的實驗證實(有效數(shù)字高達十幾位)。隨后，處理強相互作的量子場論、量子色動力學得到了發(fā)展。弱相互作用的理論始于費米的自衰變理論，60年代末，溫伯格(S.Weinberg)與薩拉姆(A.Saiam)成功地將電磁相互作用與弱相互作用統(tǒng)一起來。在量子場論中，一些粒子被理解為場的激發(fā)態(tài)，而另一些粒子則成為傳遞相互作用的玻色子。進一步探索各種相互作用的統(tǒng)一理論尚在進行之中。大統(tǒng)一理論企圖將統(tǒng)一的范圍包括強相互作用，尚有待實驗的證實。進而將引力包括在內(nèi)的超大統(tǒng)一理論的設想也被提出。三代夸克與輕子的粒子模型，量子色動力學與電-弱統(tǒng)一理論，被統(tǒng)稱為粒子物理學的標準模型，在概括和預言實驗事實取得了非凡的成功。它預言了62種基本粒子，其中60種已被發(fā)現(xiàn)，只剩下希格斯玻色子與引力子尚待發(fā)現(xiàn)。但標準模型仍帶有唯象性質(zhì)，它包含十幾個參量，而且對粒子的質(zhì)量不提供理論解釋。如何超越標準模型，并從更根本的微觀模型來解釋粒子物理，就成為對理論物理學家的重大挑戰(zhàn)。在這方面的努力以超弦理論最引人注目。這一理論極其精巧，也推動了相關數(shù)學問題的研究。但最終如何評價這一理論尚有待于實踐來檢驗。當代天文學研究總結出來的大爆炸理論被稱為宇宙論的標準模型。按此理論設想，宇宙起源于一百數(shù)十億年前的一次大爆炸：原先是時空奇點(密度和曲率卻無限大),各種相互作用統(tǒng)一在一起。到10-44s,發(fā)生了引力與其他相互作用分離的對稱破缺，到10-36s,發(fā)生強力與其他相互作用分離，到10-10s又發(fā)生弱力與電磁力的分離，成為如今四種相互作用并存的世界。到10-6s時,開始合成強子,到3min后形成原子核，再逐步形成各種原子及各種星體與星系。大爆炸宇宙論是建立在若干天文學觀測的結果上的：哈勃定律所描述的宇宙膨脹，3K宇宙背景輻射的發(fā)現(xiàn)，星體一些元素的豐度數(shù)據(jù)，是一種持之有效的物理學理論，當然還有許多問題尚有待于澄清。值得注意的是，早期的宇宙(3min之前)是粒子物理學的天下。著名物理學家溫伯格的有名科普著作《最初三分鐘》即以此而命名的。量子力學建立之后，另一條發(fā)展道路在于進入較大尺寸的物質(zhì)體系。將量子力學應用于分子，建立了量子化學；將量子力學與統(tǒng)計物理學應用于固體，建立了固體物理學，隨后發(fā)展為凝聚態(tài)物理學。涉及了這些問題，就需要明確區(qū)分量子力學和經(jīng)典物理學的各自適用的范圍。通常的提法是量子力學適用于微觀體系，而經(jīng)典物理學適用于宏觀體系，這顯然不夠精確，因為也存在宏觀量子體系。對于特定粒子構成的系統(tǒng)，可以采用量子簡并溫度(即粒子的德布羅意波長等于粒子的平均間距對應的溫度)來區(qū)分。這里h是普朗克常數(shù)，m為質(zhì)量，kB為玻爾茲曼常數(shù)，α為平均間距。如果溫度遠大于T0，則可以放心采取用于經(jīng)典物理學的理論方法來處理這一體系，否則，就得用量子力學的方法。至于T0的高低則取決于粒子的質(zhì)量m和體系的平均間距α(或密度)。對于固體和液體，α約為0.3nm，對電子系統(tǒng)而言，T0～105K，從而表明處理電子系統(tǒng)的問題，離不開量子力學。對于原子核或離子而言，T0～(50/A)K，A為原子質(zhì)量數(shù)，對于輕元素(如氮與氫)，在低溫下要考慮量子力學的效應。因而在通常情況下處理大量原子核(或離子)與電子的混合體系，對于電子這一子系統(tǒng)，必須采用量子力學的理論方法，而對于原子核這一子系統(tǒng)，則不妨采用經(jīng)典物理學的理論方法。凝聚態(tài)物理學和量子化學由于大量采用這種混合的處理方案而取得了成效。但應該指出，這類的電子理論涉及了相互作用粒子的多體問題?；谟行鰡坞娮咏频墓腆w能帶理論顯然很有成效；引入適度的相互作用而發(fā)展起來的費米液體理論、巡游電子鐵磁性理論和BCS超導理論也成績斐然；但是強關聯(lián)電子體系(包括高溫超導體)仍然是一根硬骨頭，對理論物理學家提出了強有力的挑戰(zhàn)。如果僅關注原子(或離子)與分子常溫下的位形與動力學問題，那么采用經(jīng)典物理學的方法是無可非議的，正如當代液體物理學和軟凝聚態(tài)物理學所作的那樣。當然，如果涉及鍵合的細節(jié)和電子的躍遷，還是需要量子力學。低溫下的量子流體(4He與3He)突出地體現(xiàn)了量子力學效應。在氣體中要體現(xiàn)這種效應，由于原子間距，簡并溫度要壓得很低。在進入90年代后，方始觀測到這類理論預期的效應，原子束光學和玻色-愛因斯坦凝聚都是例證。特高密度下的物質(zhì)，如中子星,使簡并溫度高達1010K，可能使這些星體內(nèi)部呈現(xiàn)超流性等量子力學效應。應該指出，當代也是經(jīng)典物理學復興的時代。在相變與臨界現(xiàn)象領域，研究了具有長程漲落的經(jīng)典統(tǒng)計體系，呈現(xiàn)了普造性和標度律，發(fā)展了重正化群理論。經(jīng)典動力學系統(tǒng)理論和非線性物理學都取得了長足的進展，像混沌、分形、孤子等概念，在交叉科學中獲得了廣泛的應用，成為理解復雜性的鑰匙，也為解決端流這個長期懸而未決的難題提供了有意義的線索。電子計算機的突飛猛進，對于當代物理學產(chǎn)生了異乎尋常的影響。量子化學與凝聚態(tài)電子理論的從頭(abinitio)計算方案變得切實可行，從而促進了計算材料科學這門新的交叉學科的發(fā)展。分子動力學、蒙特卡羅方法，乃至于元胞自動機為物理學的各個分支提供了鮮明生動的物理圖像和信息。以至于有些科學家認為計算和計算機模擬已成為可與實驗和理論并立的科學研究的第三個支柱。盡管由于物質(zhì)結構層次化的結果，使得當今的物理學家很難精通、也不必要精通物理學的各個分支。但是物質(zhì)結構在概念上是有其統(tǒng)一性的。相同的概念會在不同的層次上出現(xiàn)。著名物理學家巴丁(J.Bardeen)的一段話很有啟發(fā)性：“處在這日益專業(yè)化的時代之中，得以認識到基本物理概念可能應用于一大批看起來五花八門的問題，是令人欣慰的。在理解某一領域所獲得的進展常?？梢詰糜谄渌I域。這不僅對材料科學的眾多領域是確實的，對廣義而言的物質(zhì)結構亦復如此。作為闡述的例證，為理解磁性、超流性和超導性所發(fā)展的概念也被推廣應用于眾多的領域，如核物質(zhì)，弱與電磁相互作用，高能物理學的夸克結構與眾多的液晶相”。這值得我們深思。3學科的前沿與展望下面我們來討論有關學科前沿與展望這方面的問題。3.1物質(zhì)結構層次化的結果當代物理學的研究表明，物質(zhì)結構在尺度上和能量上都呈現(xiàn)不同的層次(見圖1)。明確了物質(zhì)結構的不同層次之后，當代物理學的分支學科如何劃分的問題，也就迎刃而解了(見圖2)。最微小(也是能量最高)的層次是粒子物理學(也稱為高能物理學)，然后是原子核物理學，再上去就是原子物理學和分子物理學。原子或分子聚集起來構成了不同的聚集相：氣相、液相和固相，乃至于固液之間的中介相，如液晶、復雜流體與聚合物等軟物質(zhì)。另一類氣相(由宏觀中和的正負帶電粒子所構成的)就是等離子體，相應的是等離子體物理學。大尺度的固體與流體運動的研究歸結為固體力學與流體力學。聚集相的復雜組合構成了巖石、土壤、河流、山脈、湖泊、海洋及大氣等，成為地球物理學的研究對象；而細胞、器官、植物、動物及人體構成了生物物理學的研究對象。繼續(xù)擴大物質(zhì)研究的空間尺度，就引導到空間物理學和行星物理的領域。進而包括太陽、恒星、星系、星系團，乃至于整個宇宙，都構成了天體物理學和宇宙論的內(nèi)容。在這里似乎遺漏了一些傳統(tǒng)物理學的分支學科，如光學與聲學。目前的情況是，它們的部分內(nèi)容正在朝向偏重技術的工程學科轉化，而另一部分則和某些結構層次的物理學相結合。例如光物理學就和原子與分子物理學密不可分，也和凝聚態(tài)物理學關系密切；而物理聲學則與凝聚態(tài)物理學及固體與流體力學密切相關。從物質(zhì)結構層次化的圖表來看，物理學的主要空白區(qū)域突出地顯示為圖表的底部和頂部。其一是尺度上最最微小但能量最高的世界，對應的學科為粒子物理學(亦稱高能物理學)；其二是最最宏大的世界，即天體與宇宙，對應的學科為天體物理學與宇宙論。這兩者，表面上看來，南輾北轍，結果卻殊途同歸，有合二為一的趨向，奇妙地體現(xiàn)了大與小辯證的統(tǒng)一。粒子物理學所面臨的挑戰(zhàn)在于探索更加細微尺度下，也就是更高能區(qū)物質(zhì)結構的規(guī)律，希望能夠超越現(xiàn)有的標準模型，追求相互作用的進一步統(tǒng)一。而宇宙大爆炸的標準模型則表明早期的宇宙是處于超高能的狀態(tài)。因而高能物理學的研究，從某種意義上來說，是對宇宙進行考古學的研究。提高研究的能量范圍，就等于追溯到更早期的宇宙。高能物理和天體物理的實驗研究都屬于大科學的范疇。大科學威風凜凜，但大也有大的難處，正如《紅樓夢》中王熙鳳所說的，大科學所面臨的問題在于如何持續(xù)地獲得社會的支持。在冷戰(zhàn)時期，巨型加速器成為國力的象征，理所當然地得到了國家的支持。冷戰(zhàn)以后，情況顯然有所不同，需要考慮這類基礎科學研究的社會效益問題。美國超級超導對撞機的下馬似乎暗示了：即使像美國那樣的富裕發(fā)達國家，對大科學項目的支持還是有條件的?？磥斫窈蟮某雎吩谟谧邍H合作的道路。對這兩個前沿而言，目前是機遇和挑戰(zhàn)并存。除了這兩個很明顯的前沿外，應該還存在一個前沿問題，即存在于結構層次之間，總的說來，就是朝復雜物質(zhì)展開：固體物理早期所研究的多半是簡單的物質(zhì)。在進一步研究中，方始接觸到比較復雜的物質(zhì)，當中蘊含有許多尚待發(fā)物理展、挖掘的物性。下面以半導體為例作些說明。最簡單的硅，研究得最清楚，應用得最廣泛；然后是復雜一點的碑化鎵這類化合物半導體(Ⅲ-Ⅴ族與Ⅱ-Ⅳ族)；更進一步就涉及結構更加復雜的聚合物半導體。近年來，聚合物半導體研究十分引人注目，己能做出聚合物晶體管來。當然，聚合物的集成電路在當前還不能與硅片競爭，但它有廉價、容易制備的優(yōu)點，因而可以在其他方面發(fā)展。由聚合物，我們想到人的大腦問題，大腦里頭并沒有硅片，但大腦思維復雜程度遠遠超過現(xiàn)代大型計算機。故從簡單物質(zhì)的研究到復雜物質(zhì)的研究的發(fā)展過程中，物理學應該是大有用武之地的。所以我們可以認定，除了前面兩個(實際上已經(jīng)合二而一了的)前沿外，應該還存在另一個物理學前沿，即探討復雜物質(zhì)的結構與物性。3.2復雜與簡單的辯證關系下面討論一下復雜與簡單的辯證關系問題，這里牽涉一點哲學觀點的問題。因為物理學所研究的是一些最基本的問題，所以在探索和深入到一定程度后，某些哲學觀點就會呈現(xiàn)出來了。物理學家慣用的一個觀點往往是還原論。所謂還原論，就是將世界分成許多小的部分，每一部分研究清楚了，最后拼起來問題就解決了。這個觀點是很自然的，物理學家過去受到的是這個訓練，基本上就接受這一觀點。有很多著名的科學家支持這個觀點，鼎鼎大名的愛因斯坦就講過：“物理學家的無上考驗在于達到那些普適性的基本規(guī)律，再從它演繹出宇宙”。這可以說是愛因斯坦的雄心壯志，也是幾代物理學家抱有的看法，就是說，如果我們把世界基本規(guī)律搞清楚了，那么就一切事情都解決了。下面是著名理論物理學家狄拉克講的話，他講這一段話的時候正好是在量子力學初步建立之后，他說：“現(xiàn)在量子力學的普遍理論業(yè)已完成，作為大部分物理學與全部化學的物理定律業(yè)已完全知曉，而困難僅在于把這些定律確切應用將導致方程式太繁雜而難以求解”。他的意思是基本的物理規(guī)律已經(jīng)知道了，下面似乎就是一個求解的問題，至于求解，由于方程過于復雜，似乎有些問題還解不出來。盡管有許多物理學家是抱有這類觀點，但現(xiàn)在來看問題似乎不這么簡單，基本規(guī)律知道了，具體規(guī)律是不是就一定能夠推出來，這個問題一直是有爭議的。19世紀有一種極端的意見，就是所謂實證論的觀點，以奧地利科學家馬赫為代表，馬赫也是個哲學家。他認為物理學家只要追求宏觀物體之間的規(guī)律，去搞清微觀的東西似乎沒有用處，且微觀是否存在，分子、原子是否存在，他一概采取否定的態(tài)度。顯然這類觀點過于極端。實際上應該看到，物質(zhì)結構存在不同的層次，層次與層次之間是有關聯(lián)的，有耦合的，因此，我們需要理解更深層次的一些規(guī)律。譬如遺傳問題(這當然不是純粹物理學問題),可以從生物現(xiàn)象上求規(guī)律。早在19世紀，門德爾就總結了豌豆的遺傳規(guī)律，這是個非常重要的基本規(guī)律，但為什么造成這個規(guī)律呢？顯然跟遺傳物質(zhì)的結構有關。最關鍵的一步在于，1952年左右，生物學家華森(J.Watson)和晶體學家克里克(F.Crick)在英國卡文迪什實驗室把DNA分子結構辨認了出來(在某種意義上是猜出來的)。這使我們曉得，遺傳規(guī)律與DNA分子結構中某些單元的排列順序有關，也就是說，在分子結構中有個密碼存在，這密碼規(guī)定了遣傳情況，如果密碼改變，遺傳情況也就改變了。由此可以看到，分子結構與遺傳物質(zhì)這兩個不同層次之間存在耦合的問題，理解了分子層次的結構，就把遺傳規(guī)律基本上搞清楚了。再如，固體的導電問題，牽涉到電子在固體中的行為問題，如果我們把電子在固體中的行為搞清楚了，那么對固體為什么導電，為什么有的是半導體，有的是超導體這一類問題就都可以給出一個解釋來。這就有利于推動我們?nèi)パ芯繉щ姮F(xiàn)象，以及利用這些現(xiàn)象做出晶體管來，做出集成電路來，做出超導的約瑟夫森結，來為人類服務。這就說明層次與層次之間存在耦合現(xiàn)象。另一方面，層次與層次之間也存在脫耦現(xiàn)象。所謂脫耦現(xiàn)象，就是下一個層次的現(xiàn)象對上個層次未必有重要關系。例如，近年來粒子物理有一個重要的發(fā)現(xiàn)，就是1995年發(fā)現(xiàn)了頂夸克，這在粒子物理是件大事，因為設想的幾種夸克，包括最后一種頂夸克也都發(fā)現(xiàn)了。但是頂夸克的發(fā)現(xiàn)對固體物理或凝聚態(tài)物理有沒有可以觀察到的影響呢？沒有，到現(xiàn)在為止，似乎一點影響也沒有。這表明，層次跟層次之間，在某些情況下，存在脫耦。我們說粒子物理的進一步發(fā)展，對本身，對理解粒子的性質(zhì)和宇宙早期的問題，具有極大的重要性，但是，它的發(fā)展，對理解相隔了好幾個層次的物質(zhì)，就喪失了重要性。再如，原子核的殼結構對遺傳有沒有影響呢?一般說來看不出太大的影響。這就是層次之間既存在耦合,又存在脫耦，而且大量粒子構成的體系往往有新的規(guī)律。我們來看看另外一個觀點，所謂層創(chuàng)論的觀點。這里是著名凝聚態(tài)理論學家安德森(P.W.Anderson)講的一段話:“將一切事物還原成簡單的基本規(guī)律的能力，并不意味著我們有能力從這些規(guī)律來重建宇宙，當面對尺度與復雜性的雙重困難時，構筑論的假設就被破壞了。大量的復雜的基本粒子的集體，并不等于幾個粒子性質(zhì)的簡單外推”。也就是說我們知道兩三個或四五個粒子的規(guī)律，并不能說明1020或1024個粒子的集體的規(guī)律，在每一種復雜的層次上，會有完全新的性質(zhì)出現(xiàn)，而且對這些新的性質(zhì)的研究，其基本性并不亞于其他研究。也就是說物質(zhì)結構存在不同的層次，而層次跟層次之間，往往到上一個層次就有新的規(guī)律出現(xiàn)，對這些新的規(guī)律的研究，本身也具有基本性。另外，要引一段卡達諾夫(L.P.Kadanoff)的講話