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後，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)，然後是原子核物理學，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，乃至於固液之間的中介
相，如液晶、複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。聚集相的複雜組合構成了岩石、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、恆星、星系、星
系團，乃至於整個宇宙，都構成了天體物理學和宇宙論的內容。在這裡似乎遺漏
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係密
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。

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，南輾北轍，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於探索
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
處於超高能的狀態。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。提高研究的能量範圍，就等於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於大科學的範疇。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於如何持續地獲得
社會的支持。在冷戰時期，巨型加速器成為國力的象徵，理所當然地得到了國家
的支持。冷戰以後，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。看來今後的出路在於走國際合作的道
路。對這兩個前沿而言，目前是機遇和挑戰並存。

除了這兩個很明顯的前沿外，應該還存在一個前沿問題，即存在於結構層次之
間，總的說來，就是朝複雜物質展開：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，方始接觸到比較複雜的物質，當中蘊含有許多尚待發物理
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；然後是複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複雜的聚合物半導體。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、容易製備的優點，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，大腦裡頭並沒有硅片，但大腦思維複雜程度遠遠超
過現代大型計算機。故從簡單物質的研究到複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，即探討複雜物質的結構與物
性。

3.2 複雜與簡單的辯證關係

下面討論一下複雜與簡單的辯證關係問題，這裡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後，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，最後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於達
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，那麼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後，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
在於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，至於求解，由於方程過於
複雜，似乎有些問題還解不出來。

儘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麼簡單，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，他一概採取否定
的態度。顯然這類觀點過於極端。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
麼造成這個規律呢？顯然跟遺傳物質的結構有關。最關鍵的一步在於，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，那麼對固體為
什麼導電，為什麼有的是半導體，有的是超導體這一類問題就都可以給出一個解
釋來。這就有利於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係。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，包括最後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。這裡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，並不
意味着我們有能力從這些規律來重建宇宙，當面對尺度與複雜性的雙重困難時，
構築論的假設就被破壞了。大量的複雜的基本粒子的集體，並不等於幾個粒子性
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，並不能說明
1020或1024個粒子的集體的規律，在每一種複雜的層次上，會有完全新的性質出
現，而且對這些新的性質的研究，其基本性並不亞於其他研究。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:“我在這裡要反對還原論的
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，後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後倒推，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。並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，然後下一步就希望
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
定要採取辯證的觀點來對待這一問題。即使這個理論取得進展，也並不意味着萬
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
並不意味着要把它的全部命運都跟萬事萬物理論聯繫在一起，而是有很多新的發
展餘地。

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。
它和技術並沒有截然的分界線，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。

物理學和技術關係密切。當今的許多工程學科都是植根於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，由於它采
用了大量和高技術有關的研究手段，因而並不出人意料之外，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，要麼是物理學，要麼就是集郵術”，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於集郵術的情況，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
理學已密不物理可分，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,“典型化學家高於一切的願望是
理解為什麼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後繼者主持
的劍橋大學卡文迪什實驗室。生物學的面貌顯然己大為改觀。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於全部基因都將知曉，並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，然後回到實驗中去，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。

參考文獻

[1]美國物理學評述委員會著,長征等譯,90年代物理學(共9冊,原文於1986年出版,中譯
本).
北京:科學出版社.1992-1994

[2]Bardeen.J.Ann.Rev.Mat.Sci.,1980,l0;1

[3]Anderson P W.Science. 1972,177;393

[4]Kadanoff L P. From Order to Chaos. World Scientific. Singapore, 1993.399

[5]Gilbert S W. Nature, 1991,347;99