物理學發展的兩大趨勢
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彭桓武
21世紀物理學將更精緻、更複雜，並與生物學、化學攜手前進。
隨着科學技術發展的深化，開發工作中的研究成分不斷加大；隨着研究所要求的條件更加精
致，研究工作更需要開發工作的支持。
對於21世紀物理學的發展作探討，我現在所講的或所想的都是屬於科學未來學的問題。我設
想時間步長不妨也取為60年，即來想象一下2050年的物理學。跟其他未來學問題一樣，首先
要考慮到方法論，即用什麼方法去預測60年後的物理學。因為用不同方法所得結果的可靠程
度可以大不相同。下面我就物理學當前發展大趨勢作探討。
我只想突出下面兩點大趨勢：一點是物理科學與生物科學相結合；另一點是研究與開發相結
合。這些趨勢當然也符合發展規律。
一、物理科學與生物科學相結合
在探討物理科學與生物科學相結合的前景之前，不妨簡略地回顧物理學與化學相結合的歷史
。按科學分類，物理學與化學同屬於物理科學，物理科學與生物科學同屬於自然科學，自然
科學與社會科學同屬於科學。所以上述兩個相結合相差一個層次，但總還有參考價值。
19世紀初期對氣體的化學和物理研究導致原子、分子概念的形成。1858年坎尼扎羅的著名演
講，可認為是物理學與化學相結合的第一個回合。19世紀中期以來，物理學建立起分子運動
論、熱力學和平衡態的統計物理，這些理論在化學領域中得到大量應用，促進了包括化學熱
力學在內的、內容十分豐富的交叉學科——物理化學的成長和發展。這可看作是物理學與化
學相結合的第二個回合。1926年量子力學誕生，1927年海特勒與倫敦用它來解釋氫分子的結
合能與振動頻率，1928年倫敦用它來討論氫分子與氫原子的碰撞，引入了3個原子的位能面，
開闢了用量子力學解釋化學反應和計算化學反應率的道路。這些工作雖屬近似工作，但正如
狄拉克所說，量子力學能解釋一切化學問題，因為從本質上講，原子、分子的化學性質取決
於其電子的快速運動，而後者是個量子力學多體問題。所以量子力學誕生後，化學與物理學
實現了根本性的結合。應用量子力學去解釋大量化學問題促進了更帶有數學物理氣味的交叉
學科化學物理學的發展。這是物理學與化學相結合的第三個回合。60年來，對氫分子與氫原
子這個最簡單的化學體系，用量子化學方法定量地計算位能面的工作，愈來愈精確，對熱化
學反應率和態-態化學反應率的理論計算結果與實驗結果也符合。位能面包括了電子快速運動
必須用量子力學處理，而對原子的運動除量子力學處理處還可用經典力學近似計算其軌進。
比較態-態反應率發現還是量子力學計算結果更接近實驗值，這些定量計算都依賴於計算機。
現在考慮物理科學與生物科學的結合問題。物理學的描述是數理的，近乎哲學；生物學的描
述是圖形的。近乎歷史。特別是生物的分類和演化。我見到的第一本將物理學用到生物學上
的書是“Growth and Form（生長與形態）”，書中討論細胞分裂，認為除體積能外還考慮到
表面能時，分裂便是自然的。印象更深刻的是談到有按形態分類的兩種魚：一種扁些，一種
圓些；一種習居於淺海，一種習居於深海。但將前一種魚取來加壓力，其形態便變為後一種
。按物理學家看來是一種魚，形態不同是由於環境（壓力）不同所致。後來在都柏林聽薛定
諤的公開演講“生命是什麼？”好像他提過生命秩序的維持要靠“吃”負熵，指的是帶進生
物體的各種物質的總熵比從生物體排出的各種物質的總熵少。因我在清華大學上葉企孫先生
的熱力學課時已聽過這類話，所以再聽時不覺新鮮，但今天回味起來，我懷疑這可能只是說
說而已，不知有人認真核算過沒有。在薛定諤的演講中，給我印象最深刻的一點，是他對基
因遺傳的穩定性所作的量子解釋。他將包含許多基因排序的染色體比作他命名的非周期性晶
體。根據量子力學，要改變這晶體的能級，需要一定的較大能量。譬如說，需要的能量差不
多是X射線的光子能量那麼大，比通常溫度下原子的平均動能大很多倍。這就解釋了用x射線
照射染色體可能引起基因突變，而不照射則不引起突變。基因遺傳的穩定性是個量子效應，
基因信息即包含在晶體的非周期結構中。到70年代末，我才從我國生物界同事那裡聽說，薛
定諤40年代演講後出版的小冊子早已成為經典著作，曾引起人們廣泛注意，並與50年代X射線
對生物大分子的結構分析和其他實驗一起，影響到DNA的雙螺旋模型和三聯體遺傳碼的建立。
我覺得這表明，物理科學和生物科學相結合是可能的，可以作為物理科學和生物科學相結合
的第一個回合。
在這基礎上，分子生物學迅速發展，同時促進了生物物理學的廣泛而深入的發展。對生物大
分子的結構研究有X射線衍射（定晶體結構）、核磁共振（定溶液中構象）和分子動力學（計
算機上模擬）方法。結構中包括多種類型的原子運動，運動尺度快慢有若幹個量級的差別。
以球蛋白為例，在室溫下，運動的空間幅值為0.001～10納米，時間快慢為10-15～103秒，能
量為0.1～100千卡/摩，而運動類型有局部運動（原子漲落、側鍵振動、環與臂的位移），剛
體運動（螺旋、區域、亞單位），大尺度運動（開啟漲落、摺疊與去摺疊），集體運動（彈
性體方式、偶聯的原子漲落、孤子與其他非線性運動）等。
生物科學的對象是複雜而具有多層次性的，如分子、細胞、器官、整體、群落、生態環境等
。對細胞中的生物膜結構與功能的研究也是當前的一個熱點，因為膜是物質輸運、能量轉換
與信息傳遞的重要場所。膜為中間疏水兩面親水的脂雙層，層中鑲嵌着蛋白質，後者必有一
頭或兩頭伸到膜外。膜脂能進行側向擴散和翻轉、旋轉、擺動（鏈內的或鏈間的）等運動，
膜蛋白則僅有側向擴散和旋轉運動。對神經系統和腦的研究又是一個熱點，神經網絡的Hopf
ield模型與凝聚態物理的自旋玻璃有些類似，它提供一個解釋記憶、學習和圖像識別等腦功
能的信息處理的可能模型。
生物功能多種多樣，生命表現有低等與高等之分。要達到對生命的本質有所了解，需要物理
科學與生物科學從根本上相結合。物理學方面，特別像對生物大分子和細胞這樣的複雜體系
的力學和統計處理，還需要很大發展。
三、研究與開發相結合
前面曾提過科學技術是通過實現條件而使現象出現，以資利用。無論是為研究而製造的新儀
器設備，或是為生活而生產的新產品，都需要開發。隨着科學技術的深化，開發工作中的研
究成分加大，隨着研究所要求的條件更加精緻，研究工作更需要開發工作支持。研究與開發
在相互作用下相伴發展的趨勢愈來愈明顯。
以開發受控核聚變能源為目標，對產生高溫高密度等離子體（磁約束、慣性約束）已研究了
幾十年，到真正開發商用產品還需要幾十年。在物質結構研究方面，在原子以下層次即核層
次已獲得豐富成果，因而開發出核武器、核電站、多種核技術與儀器設備，以及同位素的廣
泛應用；而研究更深層次（基本粒子）的粒子物理則需要開發高能加速器與探測器，這方面
已有很大進展，需要高技術和大量投資；如能同時開發出副產品，才容易贏得社會的支持。
在原子、分子和它們的較簡單的組合如無生命的凝聚態這個層次，包括與光、聲和電磁場的
作用在內，基礎研究與產品開發距離較近，其中與信息和材料關係更密切的如半導體和高分
子等人工材料，其結構與性能的研究更是為產品開發和生產開路；在這方面如能繼續維持節
約材料與能耗，其生產的經濟效益能補償研究開發費用而多有盈餘。現代生物學研究與工程
開發相結合，常聽到基因工程、蛋白質工程、生物醫學工程等等，後者還包括一些物理工作
在內。人們常常嚮往仿葉綠素進行高效利用太陽能，或仿細菌在常溫常壓下進行化工生產。
在物理科學與生物科學相結合進行研究的同時，向生命學習，尋求啟發，這對我們向工、醫
、農等領域開發新技術或許是很有利的。日本政府前幾年提出的《人類前沿科學計劃》便是
一個以開發促研究和以研究促開發的範例，很好地體現了研究與開發相結合。不妨猜測21世
紀物理學將是更精緻、更複雜，並與生物學、化學攜手前進。讓我們能過上節約能源、節約
資源、減少污染、增進健康的幸福生活。我個人還盼望在21世紀我國在認識能力的工具方面
也能趕到世界前列。
