楊振寧：加速的科技應用

今天我和大家談論的題目，叫做“加速的科技應用”。

20世紀人類生產(chǎn)力猛增，大家有目共睹。這個猛增的動力來源于物理學、化學、生物和醫(yī)學的一些世紀性進步。今天我只討論物理學對人類生產(chǎn)力猛增的貢獻。

我們先看19世紀。雖然近代科學從牛頓就開始了，可是起步后發(fā)展很慢，比如力學走過整個18世紀才成為一門相對完善的學科。今天看來，19世紀是一個關鍵的世紀，這個世紀大大地擴大了近代科學的發(fā)展，這其中一個最重要的發(fā)展是對電磁學的了解。

電磁學發(fā)展大概可分兩個階段：

在18世紀甚至于17世紀以前，中國和西方都對于“電”和“磁”有些初步的認識。關于電和磁，一個關鍵性的發(fā)展是在1820年，一個叫Orsted（奧斯特）的丹麥人 ,他第一次發(fā)現(xiàn)“電”和“磁”是有相互聯(lián)系的，在那之前電就是電、磁就是磁，電的表現(xiàn)如脫毛衣時有一些火花、天上的閃電等等，磁是更早就知道。可是第一次知道他們之間有著密切關系，是在1820年，Orsted發(fā)現(xiàn)電流可以影響周圍的磁鐵。那個時候已經(jīng)可以做出簡單的蓄電池，Orsted發(fā)現(xiàn)用蓄電池產(chǎn)生電流時，電流旁邊的指南針會動，第一次了解到原來這兩個很稀奇的現(xiàn)象是互相關聯(lián)的，這個發(fā)現(xiàn)具有決定性的影響。當時歐洲很多國家的學者都在拼命研究這個現(xiàn)象，其中有很多大科學家，如安培，今天電流的單位就是以“安培”命名的。

第二個大發(fā)展，是1831年Faraday（法拉第），他基本上沒有受過正式的學術訓練，所以他基本上不懂數(shù)學。他有好幾厚冊的研究報告，但里面沒有一個公式，因為他沒學過數(shù)學。可是他有很多的直覺，他把Orsted的發(fā)現(xiàn)拿來做反復的研究，之后他發(fā)現(xiàn)了一個基本的現(xiàn)象，西方叫做Electromagnetic Induction，中國叫做電磁感應。這個發(fā)現(xiàn)的重要性顯而易見，現(xiàn)在的發(fā)電機之所以能發(fā)電，就是應用了他的發(fā)現(xiàn)。

楊振寧院士題寫參觀三峽工程感言 攝影/劉華

法拉第日記（1831年10月17日）中的繪圖。它顯示了一個線圈連接到電流計的螺線管，將磁棒移入和移出螺線管會產(chǎn)生電力。

發(fā)電最早是用了簡單的線圈，這里有一張圖（下圖）是一個線圈，里頭放了一個磁鐵，F(xiàn)araday發(fā)現(xiàn)單是這樣放著，線圈中沒有電流，可是把磁鐵向里面推或向外拉的時候就會產(chǎn)生電流。因此Faraday發(fā)現(xiàn)動的磁鐵會產(chǎn)生電，這個叫做Electromagnetic Induction。這就是今天發(fā)電的基本道理。

Faraday反復研究，有了重大的發(fā)現(xiàn)。他把有些東西定量了，可是他不會寫成公式，尤其重要的是他引進了一個重要的觀念，是他自己也講不清的幾何觀念，他用種種的語言來描述這個觀念，人們多多少少可以感受到他的觀念，但是發(fā)現(xiàn)有時候是前后矛盾的，因為他無法用公式準確描述。比如，他覺得動的磁鐵和它產(chǎn)生的“電”，是在垂直的方向，他有這個幾何直覺，但是無法用公式寫出來。

1865年， Maxwell（麥克斯韋）來了，這個時候的Maxwell很年輕，差不多十年前他在英國劍橋大學畢業(yè)了，他給Thomson（威廉·湯姆森，后來被稱為開爾文爵士）寫了一封信。當時Thomson在學界遠比Maxwell有名，他比Maxwell大6歲，但是他已經(jīng)是大學教授了。Maxwell在信上說，我很想了解電是怎么回事，你可否告訴我要看哪些書。這封信現(xiàn)在留下來了，可是Thomson給 Maxwell的回信找不到。不過我們可以猜想，Thomson給 Maxwell回信說你去查我的某某篇文章，這篇文章里面引進了一個方程式:磁場H=▽×A，A即是電磁式。

楊振寧院士參觀三峽工程后題寫的感言 攝影/劉華

1865年，Maxwell發(fā)現(xiàn)這個A就是Faraday想要找到卻講不清楚的觀念。研究這段歷史多年后，我認為這是個真正的巨大發(fā)現(xiàn)，它使得Faraday的不能用數(shù)學表示的直覺，清楚地數(shù)學化了。過了幾年，Maxwell寫出了一組方程式，這組方程式有二十三個方程式，現(xiàn)在我們看到的四個方程式，是他的二十三個方程式簡化，概括了里面的基本精神。這對是人類歷史是非常大的貢獻。

Maxwell寫出方程式后，用數(shù)學的方法計算下去，得出一個結論，就是應該存在電磁波，而且電磁波的速度可以算出來。當時已經(jīng)有人把光的速度測出來了，Maxwell把他算出來的電磁波速度和已知的光的速度對比，發(fā)現(xiàn)二者很接近。于是他大膽地推測光就是電磁波。在人類歷史上這一發(fā)現(xiàn)，無論是從知識方面、還是應用方面來說都是極大的發(fā)現(xiàn)。我曾在一篇文章中寫到：“Maxwell是一個虔誠的基督徒，不知道他有這個發(fā)現(xiàn)后，是否向上帝懺悔，因為他把上帝一個最重要的秘密展現(xiàn)給人世”。但是電磁是否有波，在Maxwell的有生之年，沒有做成實驗，因為那時候電流還很弱，沒人能做出這個實驗來。

在1887年Maxwell去世以后，一位叫Hertz（赫茲）的德國人，做成了這個實驗，Hertz讓一個很小的線圈里面有電流，旁邊又放一個線圈，結果發(fā)現(xiàn)旁邊的線圈有感應。這是人類第一次知道電磁波可以制造出來，并且可以傳遞信息，今天的網(wǎng)絡就是這個發(fā)現(xiàn)的擴充和補充。

是這些電磁的發(fā)展引導出來整個20世紀的物理學。

這個影響有兩方面，一個是理論方面，一個是應用方面。

20世紀物理學理論方面的發(fā)現(xiàn)基本上是以電磁學所引導出來的。首先是狹義相對論，這是1905年愛因斯坦所提出來的。他當時研究電磁傳遞在一個移動空間上的傳遞與地面上的傳遞有什么關系，他在26歲的時候大膽的寫了一篇文章，就是現(xiàn)在說的狹義相對論。

又過了差不多十年，愛因斯坦把狹義相對論推廣，變成了廣義相對論。廣義相對論和狹義相對論可以說是把電磁學本身的結構充分發(fā)揮了，可是這發(fā)揮后又出現(xiàn)了新的問題：“原子是什么結構？”當時已經(jīng)知道了原子，是有一個原子核，周圍有電子在轉動。問題是電子在周圍轉的時候會有向心加速度，根據(jù)Maxwell的方程式，任何帶電的東西加速度以后就會放射電磁波，電磁波放射出來后，能量就會降低。比如說一個氫氣的原子，它的原子核即質(zhì)子，旁邊有電子在轉，根據(jù)電磁學原理，這會產(chǎn)生電磁波放射，氫原子能量降低，軌道就會縮小，最后就會縮到原子核里面，所以所有氫氣的原子都不會永久下去，而且能算出來它們在很短時間內(nèi)就會被消滅掉。

這就產(chǎn)生了一個大的問題，就是量子力學，在20世紀的頭三十年之間被解決了。量子力學有很多人在其中做了貢獻，包括愛因斯坦等。量子力學的發(fā)展使得人類對于原子、分子的結構有了非常清楚地了解，并大量應用，比如激光。可以說沒有量子力學的發(fā)展，就不可能有今天對于分子、原子的了解，那今天的世界就不會是現(xiàn)在這樣子。

到了20世紀50年代，人們對原子、分子結構的方程式基本是知道的，但是這些方程式還沒有完全。當 時，在50年代，我做研究生的時候，就要研究原子核的里面是什么？

對原子核內(nèi)部結構的研究，產(chǎn)生出一個新的領域，是基本物理學領域叫做高能物理學，為什么叫高能，因為關閉在越小的空間里面，能量就越大。原子核里面的能量是外面的幾千倍，這就是為什么原子彈的威力比炸藥的威力大很多，因為炸藥的威力是原子核外面的，原子彈的威力是原子核里面的。

最近這六七十年人們主要是研究這個領域，雖然沒有完全解決，但是有了長足的進展，最后得出的結果叫做“標準模型”。大家可能在報紙上看到，2012年在日內(nèi)瓦發(fā)現(xiàn)了一個粒子叫做Higgs（希格斯），這個發(fā)現(xiàn)對原子核結構有一個相當完整的了解。Higgs是個人的名字，他最早提出這個觀念。

20世紀基本理論物理學的發(fā)展，其實都和電磁學的發(fā)展有直接的關系，標準模型中最基本的觀念其實就是把Maxwell方程式推廣。那么是否現(xiàn)在是什么都了解了，沒有新的問題了？其實不然。又出現(xiàn)了新的問題，新的問題是不知道把引力拿來怎么辦。

現(xiàn)在基本上知道，世界上所有力量分為四種：最弱的是萬有引力，我們在日常生活就能知道引力的重要（原子之間也有引力，不過很小很小）。再次是弱力，即放射線。其次是電磁力。再后，是高能，也就是原子核力。

最弱的力量和量子力學的關系搞不清楚，今天仍然在研究，產(chǎn)生了一個新的領域叫做弦論，弦論搞了這么些年，在數(shù)學上有一些成功，但是跟物理現(xiàn)象關系不大，仍在繼續(xù)研究。

以上大概描述了電磁學在20世紀在基本物理學所產(chǎn)生的影響。接著我們來討論電磁學從20世紀一直到今天，在應用方面的發(fā)展。這個大概可以分為三類。

第一類的影響是電的生產(chǎn)和應用。當初Faraday的小線圈，與現(xiàn)在70萬、100萬千瓦的機組，是不可同日而語的。電的生產(chǎn)和應用之重要是無法具體描述的，不能想象沒有電的世界現(xiàn)在是怎樣的。

第二類的影響是電磁波。剛才我講了是Hertz第一次證實電磁波可以制造，在這十多年后，意大利人Marconi真的做了一個無線電，可以短距離的傳遞信息。之后，到我出生的時候（1922年），無線電廣播就已經(jīng)有了，我讀小學、中學的時候在北平，家里有小的收音機可以收聽廣播。到1960年代，我在美國時有了電視。這些都是用不同的波長、不同的方法利用電磁波傳遞消息。另一個重要的應用是Radar（雷達），雷達的發(fā)展是在二次世界大戰(zhàn)的時候，美國為軍事應用而發(fā)明的。雷達的影響極大，戰(zhàn)后基于這發(fā)明的Nuclear Magnetic Resonance Imaging （核磁共振成像） 即MRI，對人類的健康有著非常大的貢獻，是巧妙地用了電磁波。到了20世界末，電磁波發(fā)展到了網(wǎng)絡，網(wǎng)絡尤其是現(xiàn)在的智能手機，直接影響了每個人每一天的生活，所以電磁波發(fā)現(xiàn)的重要性是無法講清楚的。而且，很顯然它要繼續(xù)發(fā)展下去。

第三類由電磁現(xiàn)象引發(fā)出來的對于應用有決定性影響的是半導體的發(fā)展。半導體是一九四七年戰(zhàn)后發(fā)現(xiàn)的。在30年代的無線電用的是什么呢？是真空管。真空管是什么呢？通常是玻璃的一個管子，有三極管、四級管、五級管，通過這造出無線電通訊，以及后來的計算機。半導體的發(fā)展對于計算機有重大的影響。半導體怎么發(fā)現(xiàn)的？

奧本海默和馮·諾依曼

19世紀人們知道有傳導體和絕緣體，在1949年左右，才發(fā)現(xiàn)有一種東西既不是Conductor（導體）又不是Insulator（絕緣體），是一種可以控制，可以是導體，也可以是絕緣體的東西，可以用來作開關，這是了不得的發(fā)現(xiàn)，因為這樣一來真空管就被半導體代替了，而半導體可以做得極小極小。

這張照片（見上圖）是1950年在Princeton Institute（普林斯頓高等研究院）照的，我當時是這個研究所的一個博士后，照片右邊這位是Oppenheimer (奧本海默)，他是物理學家（1904年出生的），他曾經(jīng)領導美國的原子彈工程，所以等到1945年原子彈成功爆炸以后，他立刻變成全世界最有名的學者。1950年他是這個研究院的院長，我在Institute（普林斯頓高等研究院）待了17年，在這期間他一直是院長，所以我跟他很熟。左邊的這位叫做馮·諾依曼（全名John von Neumann）。后面是當時世界最大的計算機Johniac，馮·諾依曼的名字叫做Johnny，所以大家昵稱這個計算機是Johniac，它極大把整個屋子都占滿了。這個計算機是革命性的計算機，因為馮·諾依曼引進了一個基本的觀念，叫做Stored Program Computer，在這之前最大的計算機叫做ENIAC，大的不得了，其程序，幾千個步驟。幾千個步驟怎樣記到計算機中去？它是用幾十個電話接線生，每一個前面都有一個交換機，幾十個接線生，幾千個程序，一個個插進去，需要花好幾個鐘頭。

楊振寧院士與中華鱘研究所科研人員 攝影/劉華

馮·諾依曼說這個辦法不好，應當把程序拿來當做數(shù)字，記到計算機中去。這個辦法的好處是：如果根據(jù)計算覺得需要修改程序，那可以立刻修改。不像ENIAC，要修改程序，須要把電話接線生請來，是好幾個鐘頭的事情。

用Stored Program Computer，程序指導了計算，計算的結果又改變了程序，這個循環(huán)不需要時間了，這是一個大的革命。今天所有的計算機都是這種存儲程序的計算機。

現(xiàn)在回想一下，從Faraday的線圈到Marconi的原始無線電，到Johniac計算機，再到今天的智能手機：20世紀科學應用的發(fā)展遠比19世紀快。而且，20世紀下半葉的發(fā)展又比上半葉快，發(fā)展是加速的。今后五年、十年、五十年會發(fā)生什么事情？我相信發(fā)展會更加速。