物理学的过去、现在与未来(3)

冯 端

(南京大学 物理学院,南京 210093)

3 学科的前沿与展望

下面我们来讨论有关学科前沿与展望这方面的问题。

3.1 物质结构层次化的结果

当代物理学的研究表明，物质结构在尺度上和能量上都呈现不同的层次(见图1)。明确了物质结构的不同层次之后，当代物理学的分支学科如何划分的问题，也就迎刃而解了(见图2)。最微小(也是能量最高)的层次是粒子物理学(也称为高能物理学)，然后是原子核物理学，再上去就是原子物理学和分子物理学。原子或分子聚集起来构成了不同的聚集相：气相、液相和固相，乃至于固液之间的中介相，如液晶、复杂流体与聚合物等软物质。另一类气相(由宏观中和的正负带电粒子所构成的)就是等离子体，相应的是等离子体物理学。大尺度的固体与流体运动的研究归结为固体力学与流体力学。聚集相的复杂组合构成了岩石、土壤、河流、山脉、湖泊、海洋及大气等，成为地球物理学的研究对象：而细胞、器官、植物、动物及人体构成了生物物理学的研究对象。继续扩大物质研究的空间尺度，就引导到空间物理学和行星物理的领域。进而包括太阳、恒星、星系、星系团，乃至于整个宇宙，都构成了天体物理学和宇宙论的内容。在这里似乎遗漏了一些传统物理学的分支学科，如光学与声学。目前的情况是，它们的部分内容正在朝向偏重技术的工程学科转化，而另一部分则和某些结构层次的物理学相结合。例如光物理学就和原子与分子物理学密不可分，也和凝聚态物理学关系密切；而物理声学则与凝聚态物理学及固体与流体力学密切相关。

图1 物质结构的不同层次

图2 物理学不同分支学科与所研究结构的尺度

从物质结构层次化的图表来看，物理学的主要空白区域突出地显示为图表的底部和顶部。其一是尺度上最最微小但能量最高的世界，对应的学科为粒子物理学(亦称高能物理学)；其二是最最宏大的世界，即天体与宇宙，对应的学科为天体物理学与宇宙论。这两者，表面上看来，南辕北辙，结果却殊途同归，有合二为一的趋向，奇妙地体现了大与小辩证的统一。粒子物理学所面临的挑战在于探索更加细微尺度下，也就是更高能区物质结构的规律，希望能够超越现有的标准模型，追求相互作用的进一步统一。而宇宙大爆炸的标准模型则表明早期的宇宙是处于超高能的状态。因而高能物理学的研究，从某种意义上来说，是对宇宙进行考古学的研究。提高研究的能量范围，就等于追溯到更早期的宇宙。高能物理和天体物理的实验研究都属于大科学的范畴。大科学威风凛凛，但大也有大的难处，正如《红楼梦》中王熙凤所说的。大科学所面临的问题在于如何持续地获得社会的支持。在冷战时期，巨型加速器成为国力的象征，理所当然地得到了国家的支持。冷战以后，情况显然有所不同，需要考虑这类基础科学研究的社会效益问题。美国超级超导对撞机的下马似乎暗示了：即使像美国那样的富裕发达国家，对大科学项目的支持还是有条件的。看来今后的出路在于走国际合作的道路。对这两个前沿而言，目前是机遇和挑战并存。

除了这两个很明显的前沿外，应该还存在一个前沿问题，即存在于结构层次之间，总的说来，就是朝复杂物质展开：固体物理早期所研究的多半是简单的物质。在进一步研究中，方始接触到比较复杂的物质，当中蕴含有许多尚待发展、挖掘的物性。下面以半导体为例作些说明。最简单的硅，研究得最清楚，应用得最广泛；然后是复杂一点的砷化镓这类化合物半导体(Ⅲ—Ⅴ族与Ⅱ—Ⅵ族)；更进一步就涉及结构更加复杂的聚合物半导体。近年来，聚合物半导体研究十分引人注目，已能做出聚合物晶体管来。当然，聚合物的集成电路在当前还不能与硅片竞争，但它有廉价、容易制备的优点，因而可以在其他方面发展。由聚合物，我们想到人的大脑问题，大脑里头并没有硅片，但大脑思维复杂程度远远超过现代大型计算机。故从简单物质的研究到复杂物质的研究的发展过程中，物理学应该是大有用武之地的。所以我们可以认定，除了前面两个(实际上已经合二而一了的)前沿外，应该还存在另一个物理学前沿，即探讨复杂物质的结构与物性。

3.2 复杂与简单的辩证关系

下面讨论一下复杂与简单的辩证关系问题，这里牵涉一点哲学观点的问题。因为物理学所研究的是一些最基本的问题，所以在探索和深入到一定程度后，某些哲学观点就会呈现出来了。

物理学家惯用的一个观点往往是还原论。所谓还原论，就是将世界分成许多小的部分，每一部分研究清楚了，最后拼起来问题就解决了。这个观点是很自然的，物理学家过去受到的是这个训练，基本上就接受这一观点。有很多著名的科学家支持这个观点，鼎鼎大名的爱因斯坦就讲过:“物理学家的无上考验在于达到那些普适性的基本规律，再从它演绎出宇宙”。这可以说是爱因斯坦的雄心壮志，也是几代物理学家抱有的看法，就是说，如果我们把世界基本规律搞清楚了，那么就一切事情都解决了。下面是著名理论物理学家狄拉克讲的话，他讲这一段话的时候正好是在量子力学初步建立之后，他说:“现在量子力学的普遍理论业已完成，作为大部分物理学与全部化学的物理定律业已完全知晓，而困难仅在于把这些定律确切应用将导致方程式太繁杂而难以求解”。他的意思是基本的物理规律已经知道了，下面似乎就是一个求解的问题，至于求解，由于方程过于复杂，似乎有些问题还解不出来。

尽管有许多物理学家是抱有这类观点，但现在来看问题似乎不这么简单，基本规律知道了，具体规律是不是就一定能够推出来，这个问题一直是有争议的。19世纪有一种极端的意见，就是所谓实证论的观点，以奥地利科学家马赫为代表，马赫也是个哲学家。他认为物理学家只要追求宏观物体之间的规律，去搞清微观的东西似乎没有用处，且微观是否存在，分子、原子是否存在，他一概采取否定的态度。显然这类观点过于极端。实际上应该看到，物质结构存在不同的层次，层次与层次之间是有关联的，有耦合的，因此，我们需要理解更深层次的一些规律。譬如遗传问题(这当然不是纯粹物理学问题)，可以从生物现象上求规律。早在19世纪，门德尔就总结了豌豆的遗传规律，这是个非常重要的基本规律，但为什么造成这个规律呢?显然跟遗传物质的结构有关。最关键的一步在于，1952年左右，生物学家华森(J. Watson)和晶体学家克里克(F.Crick)在英国卡文迪什实验室把DNA分子结构辨认了出来(在某种意义上是猜出来的)。这使我们晓得，遗传规律与DNA分子结构中某些单元的排列顺序有关，也就是说，在分子结构中有个密码存在，这密码规定了遣传情况，如果密码改变，遗传情况也就改变了。由此可以看到，分子结构与遗传物质这两个不同层次之间存在耦合的问题，理解了分子层次的结构，就把遗传规律基本上搞清楚了。再如，固体的导电问题，牵涉到电子在固体中的行为问题，如果我们把电子在固体中的行为搞清楚了，那么对固体为什么导电，为什么有的是半导体，有的是超导体这一类问题就都可以给出一个解释来。 这就有利于推动我们去研究导电现象，以及利用这些现象做出晶体管来，做出集成电路来，做出超导的约瑟夫森结，来为人类服务。这就说明层次与层次之间存在耦合现象。另一方面，层次与层次之间也存在脱耦现象。所谓脱耦现象，就是下一个层次的现象对上个层次未必有重要关系。例如，近年来粒子物理有一个重要的发现，就是1995年发现了顶夸克，这在粒子物理是件大事，因为设想的几种夸克，包括最后一种顶夸克也都发现了。但是顶夸克的发现对固体物理或凝聚态物理有没有可以观察到的影响呢?没有，到现在为止，似乎一点影响也没有。这表明，层次跟层次之间，在某些情况下，存在脱耦。我们说粒子物理的进一步发展，对本身，对理解粒子的性质和宇宙早期的问题，具有极大的重要性，但是，它的发展，对理解相隔了好几个层次的物质，就丧失了重要性。再如，原子核的壳结构对遗传有没有影响呢? 一般说来看不出太大的影响。这就是层次之间既存在耦合，又存在脱耦，而且大量粒子构成的体系往往有新的规律。

我们来看看另外一个观点，所谓层创论的观点。这里是著名凝聚态理论学家安德森(P.W. Anderson)讲的一段话:“将一切事物还原成简单的基本规律的能力，并不意味着我们有能力从这些规律来重建宇宙，当面对尺度与复杂性的双重困难时，构筑论的假设就被破坏了。大量的复杂的基本粒子的集体，并不等于几个粒子性质的简单外推”。也就是说我们知道两三个或四五个粒子的规律，并不能说明1020或1024个粒子的集体的规律，在每一种复杂的层次上，会有完全新的性质出现，而且对这些新的性质的研究，其基本性并不亚于其他研究。 也就是说物质结构存在不同的层次，而层次跟层次之间，往往到上一个层次就有新的规律出现，对这些新的规律的研究，本身也具有基本性。

另外，要引一段卡达诺夫(L.P. Kadanoff)的讲话。他说:“我在这里要反对还原论的偏见，我认为已经有相当的经验表明物质结构有不同的层次，而这些不同层次构成不同群落的科学家研究的领域，有一些人研究夸克，另外一些人研究原子核，还有的研究原子、分子生物学，遗传学，在这个清单中，后面的部分是由前面部分构成的，每一个层次可以看成比它前面的好像低一些，但每一个层次都有新的、激动人心的、有效的、普遍的规律，这些规律往往不能从所谓更基本的规律推导出来。从最不基本的问题向后倒推，我们可以看到一些重要的科学成果。像门德尔的遗传律与DNA的双螺旋结构，量子力学与核裂变，谁是最基本的?谁推导谁?要将科学上的层次分高低的话，往往是愚蠢的，在每一层次上都有的普遍原则中，都会出现宏伟的概念”。重要的是要认识到各个层次之间既有耦合，也存在脱耦。 并非是探究清楚最微观层次的规律，就可以把世界上的问题全部解决。近年来有一种提法，说粒子物理面临新的挑战，要建立一种所谓“万事万物的理论”。有些科学家说粒子理论现在已经建立了标准模型，然后下一步就希望建立万事万物的理论。进行这类尝试是完全应该的，要向未知领域再推进! 但一定要采取辩证的观点来对待这一问题。即使这个理论取得进展，也并不意味着万事万物的问题就可以迎刃而解了。应该说物理学现在还是很有生命力的科学，但并不意味着要把它的全部命运都跟万事万物理论联系在一起，而是有很多新的发展余地。

3.3 物理学的开放性

物理学一直是一门生气勃勃的学科，这和它具有高度的开放性是密切相关的。它和技术并没有截然的分界线，它和其他的自然科学也没有截然的分界线。它的门户总是开放的，鼓励跨学科的交流与沟通。

物理学和技术关系密切。当今的许多工程学科都是植根于经典物理学的某一分支，而20世纪的物理学进而诱发许多新兴的技术科学，如原子能技术、微电子技术、光电子技术等。即使像高能物理学那样的以基础研究为主的学科，由于它采用了大量和高技术有关的研究手段，因而并不出人意料之外，它会对当代信息、网络技术作出重要的贡献。

另外，在促进进交叉学科方面，物理学也大有可为。物理学是严格的定量科学。卢瑟福有句戏言“ 一切科学，要么是物理学，要么就是集邮术”，显然已经不适合当代的情况。其他的自然科学早已摆脱了类似于集邮术的情况，在定量化方面，向物理学靠扰。20 世纪的化学是巩固地建立在量子力学基础上的，和物理学已密不可分，有许多共同的研究对象。当然在观点上的差别还是有的，正如著名化学家赫许巴赫(D. Herschbach)所指出的，“典型化学家高于一切的愿望是理解为什么一种物质和其他物质行为不同；而物理学家则通常期望寻找出超出特定物质的规律”，正好使双方的研究互相补充。现代生物学早已面目一新，将它的基础建立在分子生物学上。而分子生物学本身就是诞生在卢瑟福的后继者主持的剑桥大学卡文迪什实验室.生物学的面貌显然已大为改观。正如著名生物学家吉尔勃特(S. W. Gilbert)所说的，“传统生物学解决问题的方式是完全实验的。而正在建立的新模式是基于全部基因都将知晓，并以电子技术可操作的方式驻留在数据库中，生物学研究模式的出发点应是理论的。一个科学家将从理论推测出假定，然后回到实验中去，追踪或验证这些假定”。看来物理学家在交叉科学方面尚大有可为。