物理學的過去、現在與未來(3)

馮 端

(南京大學 物理學院,南京 210093)

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 物質結構層次化的結果

當代物理學的研究表明，物質結構在尺度上和能量上都呈現不同的層次(見圖1)。明確了物質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。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。繼續擴大物質研究的空間尺度，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容。在這里似乎遺漏了一些傳統物理學的分支學科，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，也和凝聚態物理學關系密切；而物理聲學則與凝聚態物理學及固體與流體力學密切相關。

圖1 物質結構的不同層次

圖2 物理學不同分支學科與所研究結構的尺度

從物質結構層次化的圖表來看，物理學的主要空白區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，南轅北轍，結果卻殊途同歸，有合二為一的趨向，奇妙地體現了大與小辯證的統一。粒子物理學所面臨的挑戰在于探索更加細微尺度下，也就是更高能區物質結構的規律，希望能夠超越現有的標準模型，追求相互作用的進一步統一。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。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地獲得社會的支持。在冷戰時期，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達國家，對大科學項目的支持還是有條件的。看來今后的出路在于走國際合作的道路。對這兩個前沿而言，目前是機遇和挑戰并存。

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，就是朝復雜物質展開：固體物理早期所研究的多半是簡單的物質。在進一步研究中，方始接觸到比較復雜的物質，當中蘊含有許多尚待發展、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；然后是復雜一點的砷化鎵這類化合物半導體(Ⅲ—Ⅴ族與Ⅱ—Ⅵ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，已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、容易制備的優點，因而可以在其他方面發展。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代大型計算機。故從簡單物質的研究到復雜物質的研究的發展過程中，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:“現在量子力學的普遍理論業已完成，作為大部分物理學與全部化學的物理定律業已完全知曉，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律已經知道了，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，但現在來看問題似乎不這么簡單，基本規律知道了，具體規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度。顯然這類觀點過于極端。實際上應該看到，物質結構存在不同的層次，層次與層次之間是有關聯的，有耦合的，因此，我們需要理解更深層次的一些規律。譬如遺傳問題(這當然不是純粹物理學問題)，可以從生物現象上求規律。早在19世紀，門德爾就總結了豌豆的遺傳規律，這是個非常重要的基本規律，但為什么造成這個規律呢?顯然跟遺傳物質的結構有關。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去研究導電現象，以及利用這些現象做出晶體管來，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象。另一方面，層次與層次之間也存在脫耦現象。所謂脫耦現象，就是下一個層次的現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現，就是1995年發現了頂夸克，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現了。但是頂夸克的發現對固體物理或凝聚態物理有沒有可以觀察到的影響呢?沒有，到現在為止，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展，對本身，對理解粒子的性質和宇宙早期的問題，具有極大的重要性，但是，它的發展，對理解相隔了好幾個層次的物質，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律。

我們來看看另外一個觀點，所謂層創論的觀點。這里是著名凝聚態理論學家安德森(P.W. Anderson)講的一段話:“將一切事物還原成簡單的基本規律的能力，并不意味著我們有能力從這些規律來重建宇宙，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的簡單外推”。也就是說我們知道兩三個或四五個粒子的規律，并不能說明1020或1024個粒子的集體的規律，在每一種復雜的層次上，會有完全新的性質出現，而且對這些新的性質的研究，其基本性并不亞于其他研究。 也就是說物質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律出現，對這些新的規律的研究，本身也具有基本性。

另外，要引一段卡達諾夫(L.P. Kadanoff)的講話。他說:“我在這里要反對還原論的偏見，我認為已經有相當的經驗表明物質結構有不同的層次，而這些不同層次構成不同群落的科學家研究的領域，有一些人研究夸克，另外一些人研究原子核，還有的研究原子、分子生物學，遺傳學，在這個清單中，后面的部分是由前面部分構成的，每一個層次可以看成比它前面的好像低一些，但每一個層次都有新的、激動人心的、有效的、普遍的規律，這些規律往往不能從所謂更基本的規律推導出來。從最不基本的問題向后倒推，我們可以看到一些重要的科學成果。像門德爾的遺傳律與DNA的雙螺旋結構，量子力學與核裂變，誰是最基本的?誰推導誰?要將科學上的層次分高低的話，往往是愚蠢的，在每一層次上都有的普遍原則中，都會出現宏偉的概念”。重要的是要認識到各個層次之間既有耦合，也存在脫耦。 并非是探究清楚最微觀層次的規律，就可以把世界上的問題全部解決。近年來有一種提法，說粒子物理面臨新的挑戰，要建立一種所謂“萬事萬物的理論”。有些科學家說粒子理論現在已經建立了標準模型，然后下一步就希望建立萬事萬物的理論。進行這類嘗試是完全應該的，要向未知領域再推進! 但一定要采取辯證的觀點來對待這一問題。即使這個理論取得進展，也并不意味著萬事萬物的問題就可以迎刃而解了。應該說物理學現在還是很有生命力的科學，但并不意味著要把它的全部命運都跟萬事萬物理論聯系在一起，而是有很多新的發展余地。

3.3 物理學的開放性

物理學一直是一門生氣勃勃的學科，這和它具有高度的開放性是密切相關的。它和技術并沒有截然的分界線，它和其他的自然科學也沒有截然的分界線。它的門戶總是開放的，鼓勵跨學科的交流與溝通。

物理學和技術關系密切。當今的許多工程學科都是植根于經典物理學的某一分支，而20世紀的物理學進而誘發許多新興的技術科學，如原子能技術、微電子技術、光電子技術等。即使像高能物理學那樣的以基礎研究為主的學科，由于它采用了大量和高技術有關的研究手段，因而并不出人意料之外，它會對當代信息、網絡技術作出重要的貢獻。

另外，在促進進交叉學科方面，物理學也大有可為。物理學是嚴格的定量科學。盧瑟福有句戲言“ 一切科學，要么是物理學，要么就是集郵術”，顯然已經不適合當代的情況。其他的自然科學早已擺脫了類似于集郵術的情況，在定量化方面，向物理學靠擾。20 世紀的化學是鞏固地建立在量子力學基礎上的，和物理學已密不可分，有許多共同的研究對象。當然在觀點上的差別還是有的，正如著名化學家赫許巴赫(D. Herschbach)所指出的，“典型化學家高于一切的愿望是理解為什么一種物質和其他物質行為不同；而物理學家則通常期望尋找出超出特定物質的規律”，正好使雙方的研究互相補充。現代生物學早已面目一新，將它的基礎建立在分子生物學上。而分子生物學本身就是誕生在盧瑟福的后繼者主持的劍橋大學卡文迪什實驗室.生物學的面貌顯然已大為改觀。正如著名生物學家吉爾勃特(S. W. Gilbert)所說的，“傳統生物學解決問題的方式是完全實驗的。而正在建立的新模式是基于全部基因都將知曉，并以電子技術可操作的方式駐留在數據庫中，生物學研究模式的出發點應是理論的。一個科學家將從理論推測出假定，然后回到實驗中去，追蹤或驗證這些假定”。看來物理學家在交叉科學方面尚大有可為。