漫談物理學的過去、現在與未來

馮 端

(南京大學物理系 固體微結構物理國家重點實驗室 南京 210093)

摘 要 文章試圖對物理學的發展歷史作一透視，從而理解其現狀，並進而窺測其未來的前景。我們希望這一看法對於當今從事物理學教學與科研的人士有所助益。由於物理世界的層次化，諸層次之間既可能存在耦合，又可能出現脫耦。因而大量粒子所構成的複雜體系中所湧現的各種層展性質就不能簡單地還原成個別粒子所服從的規律。我們根據這一觀點並結合物理學的未來前景，討論了當今物理學研究的若干前沿問題。一切跡象預示着物理學將有光明的前景。

關鍵詞 物理學，歷史，現狀，前景，前沿，物理世界的層次化，層展性質
本文系國家自然科學基金資助項目

“物理學的過去、現在和未來”是一個非常大而且重要的題目，也是一個非常難講的題目，特別是涉及物理學的未來，結果往往是貽笑大方。這裡以歷史的透視為主線，提出一些個人不成熟的看法，拋磚引玉，希望得到大家的批評和指正。

1 歷史的透視

對物理學的發展歷史進行透視，將有助於我們來理解其現狀並進而展望其未來。歷史很長，不能樣樣都講到。我想從牛頓開始，牛頓以前還有很多先驅性的工作，只好從略了。

1.1 經典物理學的盛世(17世紀至19世紀末)
我們不想詳細討論歷史，主要考慮那些還在用的物理學知識。
第一次綜合(統一)是l7世紀牛頓力學構成了體系。可以說，這是物理學第一次偉大的綜合。牛頓力學實際上是將天上的行星運動與地上的蘋果下墜概括到一個規律裡面去了，建立了經典力學。至於蘋果下墜啟發了牛頓的故事究竟有無歷史根據是另一回事，但它說明了人們對於形象思維的偏愛。牛頓實際上建立了兩個定律，一個是運動定律，一個是萬有引力定律。運動定律就是在力作用下物體怎樣運動的規律；萬有引力是一種特定的物體之間存在的基本相互作用力。牛頓將兩個定律結合起來運用，因為行星的運動或者地球上的拋物體運動都離不開萬有引力的影響。牛頓從物理上把這兩個重要的力學規律總結出來的同時，也發展了數學。他也是微積分的發明人。他用微積分來解決力學問題。由運動定律得出來的運動方程，可以用數學方法把它具體解出來。這體現了牛頓力學的威力，它具有解決具體問題的能力。假如你要計算行星運動的軌道，基本上可以按照牛頓所給出來的物理規律，加上用數學方法解運動方程就行了。根據現在的軌道上行星位置，倒推千百年前或預計千百年後它們的位置都是輕而易舉的，從而開拓了天體力學這一學科。海王星的發現史就充分顯示了這一點。人們發現天王星的軌道偏離了牛頓定律的要求，問題在哪裡呢？結果認為牛頓定律正確無誤，而是在天王星軌道外面還有一顆星，對它造成影響，並估計出這個星球的位置。果然在預計的位置附近發現了這顆星，命名為海王星。這表示牛頓定律是很成功的。按照牛頓定律寫出運動方程，若己知初始條件位置和速度，原則上就可以求出以後任何時刻的粒子位置。
到19世紀，經典力學新的發展表現為一些科學家重新表述了牛頓定律。重新表述有拉格朗日(Lagrange)方程組、哈密頓(Hamilton)方程組。這些重新表述形式不一，實質並沒有改變。在不改變實質的條件下，用新的、更簡潔的形式來表述牛頓定律。這是一個方面。
另一個方面，就是將牛頓定律推廣到連續介質的力學問題中去，就出現了彈性力學、流體力學等。在這一方面,20世紀有更大的發展，特別是流體力學，空氣動力學和航空技術的發展密切相關,而氣動力學的發展又和噴氣技術密切相關，進而牛頓力學還構成了航天技術的理論基礎。因此我們說牛頓定律到現在為止還是非常重要的，牛頓定律還是我們大學課程中不可缺少的一個組成部分。當然，其表述方法應隨時代發展而有所不同。讀者如果有興趣，不妨去翻一翻牛頓當年的表述。牛頓關於力學研究的成果，寫在一本叫《自然哲學的數學原理》(簡稱《原理》)的巨著中。只要稍微翻一下這本書，就會發現它非常難懂。牛頓的一個重要貢獻是從萬有引力定律和運動定律把行星運動的軌道推了出來。我們現在學理論力學時，行星運動的橢圓軌道問題是不太難的，解微分方程就可以求出來。但牛頓在《原理》裡，沒有用他的微積分，更沒有用解微分方程的方法，他純粹是用幾何方法把橢圓軌道推出來的。現代科學家就不一定能看懂他這一套東西。舉個例子來說，費曼(R.Feyman),有名的理論物理學家，他寫過一本書，他說他自己對現代數學比牛頓強得多，但對17世紀牛頓當時熟悉的幾何學他就不一定能全部掌握，他花了好些時間，想用牛頓的思路把橢圓軌道全部證出來，結果，中間還是有些環節證不出來，最後他不得已調整了一下方法，沒有完全依照牛頓的證法，但基本上還是用幾何方法把這個問題證明出來了。科學理論的表達是隨時代變化的。現在來看，牛頓運動定律的關鍵問題，譬如行星運動是橢圓軌道，現在應有可能在普通物理中講了，因為簡單的微分方程已經可以用計算機求解了。由於計算機的發展，也許今後在普通物理中講牛頓定律時，就可以在課堂上把行星運動橢圓軌道的一些基本概念說清楚了。在這裡也可以說，教學問題與現代科技發展是息息相關的。
第二次綜合是麥克斯韋的電磁學。大家都知道，最初是庫侖定律，用以表達電荷與電荷間的相互作用力，也表達磁極與磁極之間的相互作用力。然後電與磁之間的關聯被發現了：奧斯特的電流磁效應，安培發現的電流與電流之間相互作用的規律，然後是法拉弟的電磁感應定律，這樣電與磁就連通成為一體了。最後，19世紀中葉，麥克斯韋提出了統一的電磁場理論。電磁定律與力學規律有一個很大的不同。力學考慮的相互作用，特別是萬有引力相互作用，根據牛頓的設想，是超距的相互作用，沒有力的傳遞問題(當然用現代觀點看，引力也應該有傳遞問題)。現在從粒子的超距作用改成電磁場的場的相互作用，這在觀點上有很大變化，重點從粒子轉移到場。麥克斯韋考慮電磁場的相互作用，導致電磁波，電場與磁場不斷相互作用造成電磁波的傳播，後來赫芝在實驗室中證實電磁波的發射。另外，電磁波不但包括無線電波，實際上包括很寬的頻譜，很重要的一部分就是光波。光學在過去是與電磁學完全分開發展的，到了麥克斯韋的電磁理論出來以後，光學也變成了電磁學的一個分支了，在這裡，電學、磁學、光學得到了統一。這在技術上有重要意義，發電機、電動機幾乎都是建立在電磁感應的基礎上的，電磁波的傳播導致現代的無線電技術。電磁學直到現在，在技術上還是起主導作用的一門學科，故在基礎物理學中電磁學始終保持它的重要地位。
第三次綜合是從熱學開始的，涉及到宏觀與微觀兩個層次。根據熱學研究總結出熱力學的兩大基本規律：第一定律，即能量守恆律；第二定律，即熵恆增律。但科學家不滿足於單純在宏觀層次上來描述，還想追根問底，企圖從分子和原子的微觀層次上來闡明物理規律。氣體分子動理學便應運而生，用以闡述氣體物態方程、氣體導熱性與粘滯性等物性參量的微觀基礎。進一步就是玻爾茲曼與吉布斯所發展的經典統計力學。熱力學與統計物理的發展，促使物理學家接觸到具體的物性問題，加強了物理學與化學的聯繫，建立了物理化學這一門交叉學科。

1.2 轉折與突破(19世紀至20世紀初)
正是由於經典物理學取得了非凡的成就，給人們印象太深刻了，遂使有些科學家產生了錯覺，認為巨大發現的時代業已過去。這種悲觀的論點在上世紀末相當流行。具有典型意義的據稱是著名物理學家邁克耳孫(A.A.Michelson)說過的一段話，“當然無法絕然肯定物理科學不再會有像過去那麼驚人的奇蹟，但非常可能的是大部分宏偉的基本原理業已確立，而今後的進展僅在於將這些原理嚴格地應用於我們所關注的現象上。在這裡測量科學的重要性就顯示出來了——定量的結果比定性的結果更為可貴。一位卓越的物理學家曾經說過，物理科學未來的真理將在小數點六位數字上求索”，(1898年芝加哥大學導學手冊)。值得注意，這類悲觀論點，在20世紀科學的重大發展之後，又在本世紀末重新問世。具有代表性的是美國資深科學記者霍根(J.Horgan)訪問許多知名學者之後，寫出了《科學的終結》一書，在斷章取義地引述若干科學家的談話之後，得出了荒謬的結論，不僅是物理學走向了窮途末路，而是一切自然科學都到了散場的地步，堪稱為上一世紀末悲觀論點變本加厲的新版本，其命運必將重蹈前者的覆轍。
富有洞見的是英國著名物理學家凱爾文(L.Kelvin)於1900年所作的演說。他在對19世紀物理學的成就表示滿意的同時，提出了“在物理學晴朗天空的遠處，還有兩朵令人不安的烏雲”。這兩朵烏雲指的是：其一實驗察覺不到物體和以太的相對運動；其二是氣體多原子分子的低溫比熱不符合能量均分定理。這兩朵烏雲迅速導致傾盆大雨，即相對論和量子論的兩場物理學的革命。
19世紀的科學家不滿足於用麥克斯韋方程組來解釋電磁現象，熱衷於採用機械模型來說明問題，即使是大師麥克斯韋本人也不例外。以太被引入作為真空中傳播電磁波的媒質。邁克耳孫與莫萊(Morley)設計了精巧的實驗來驗證物體和以太的相對運動，取得了負的結果。愛因斯坦提出了狹義相對論(1905年)，其物理洞見在於摒棄了不必要的以太假設，進而肯定電磁學的規律對於一切慣性參考系都是成立的，而且具有相同的形式，真空的光速不變，不同慣性系之間的變換關係為洛倫茲變換。我們知道，牛頓力學也是對於慣性參考系才成立，而不同慣性系之間的變換關係為伽利略變換。這樣經典力學和經典電磁學之間就存在矛盾。愛因斯坦肯定了經典電磁學，而對經典力學作了相應的修正，摒棄了牛頓的絕對的時空觀，認為空間、時間與運動有關，並首創性地提出了質量與能量的對等關係，將牛頓力學修正後成功地應用於高速運動的情形。
牛頓力學的另一局限性表現在它不能圓滿地解釋強引力場中物體的運動，這從它無法定量地解釋水星軌道近日點的進動問題而初露端倪。另一帶根本性的問題是它對萬有引力的存在沒有任何理論解釋。這些缺陷尚有待發展進一步的理論來彌補。l916年，愛因斯坦的廣義相對論應運而生。這一理論的出發點在於肯定慣性質量與引力質量等同的等效原理(這己為實驗所證實)，將非慣性參考系中觀測到的慣性力與局域的引力等同起來。進而提出一切參考系均有相同的物理規律這一廣義相對性原理。廣義相對論成功地預言了一些效應，如強引力場中光線的彎曲，引力強度與光譜線頻移的關係，並用空間的彎曲很自然地解釋了引力的存在。由於廣義相對論是針對強引力場和大質量物體而提出來的，因而廣泛應用於天體物理學，也構成了現代宇宙論的基礎。
如果說相對論消除了經典物理學的內在矛盾並推廣其應用範圍，那麼量子論就開啟了微觀物理學的新天地。在l9世紀，化學家道爾頓提出了原子論，物理學家也提出原子-分子微觀運動的概念來構築分子動理學和統計物理學。特別是著名物理學家玻爾茲曼在發展原子-分子運動理論，推動統計物理學的發展上作出了傑出的貢獻。但是這些工作受到馬赫(E.Mach)與奧斯特瓦爾德(W.F. Ostoold)等人從實證論哲學觀點的質疑。按照實證論的觀點，只有為人們所感知的事物是存在的。而當時由於顯微術觀測條件的制約，原子與分子都無法直接看到，因而有關的理論受到實證論者的否定。玻爾茲曼為捍衛原子-分子理論進行了激烈的爭辯。愛因斯坦於1905年提出布朗運動的理論，為分子運動的圖像提供了有力的旁證。隨後,佩蘭(J.B.Perrin)的實驗觀測提供了更加確鑿的證據。
在明確了宏觀世界之外存在有微觀世界後，進一步的問題在於探索微觀世界的物理規律。上世紀90年代中葉後，有一系列重要發現，對這方面的研究起了很大促進作用：1895年，倫琴發現了X射線，隨後X射線成為揭示物質的微觀結構的重要工具；1896年貝克勒爾發現了放射性，隨後居里夫婦發現了強放射性元素鐳，盧瑟福確認了a,β,γ射線的本質，這些工作揭開了原子核科學研究的序幕。l897年,湯姆孫發現了電子，這是最早發現的一種基本粒子，隨後也被作為重要的工具應用於研究物質的微觀結構，而操縱電子的器件成為現代信息技術的基礎。作出這些重大發現的科學家也都獲得了新世紀初諾貝爾獎的桂冠。
如果說證實原子與分子的存在就意味着揭示物質結構在微小尺度上具有不連續性，那麼早期量子論則揭示了能量在微小尺度上的不連續性。1900年,普朗克為擬合黑體能量分布的實驗數據，在經典物理學的理論無效之後，挺而走險，提出了包括作用量子h的量子論。隨後，1905年，愛因斯坦根據光電效應存在能量閾值的規律提出了在物理上更明確的具有能量為hv的光子這一種基本粒子。1911年，盧瑟福根據金箔對於a粒子的散射實驗結果，提出了有核的原子模型：正電荷集中在原子核這一微小區域之內，而外圍則為電子所環繞。1913年,玻爾提出了量子論的原子模型，認為原子中的電子處於確定的軌道上,處於定態，在定態之間的量子躍遷則導致發光。玻爾用這種半經典的量子理論相當滿意地解釋了氫原子的線系光譜，面對着更複雜的原子光譜問題就遇到了困難。科學家需要改弦易轍，發展更全面的量子理論。1924年,德布羅意正確地指出，正如電磁波也具有粒子性質(光子)，而具有粒子性質的電子等也將具有波動性。1925-1926年,海森伯與薛定諤分別完成了量子力學的兩種表述，矩陣力學與波動力學,強調了波動與粒子的二象性。電子衍射的實驗結果證實了電子具有波動性，而量子力學的理論全面地解讀了紛紜繁複的原子光譜實驗結果,一舉解決了原子結構的問題。隨後狄拉克將非相對論的薛定諤方程推廣到(狹義)相對論的情形，建立了狄拉克方程，為量子力學作了重要的補充。這樣，微觀世界的物理規律終於確立。

2 當代情景

在量子力學確立之後，物理學進入了新的時期，這裡統稱為當代物理學。由於當代情景錯綜複雜，頭緒繁多，難以用甚短的篇幅來進行概括。下面就以實驗和理論這兩條主線，對此作一粗略的介紹。

2.1 實驗技術
20世紀是實驗技術突飛猛進的時期。早期盧瑟福的a粒子散射實驗為隨後的核物理與粒子物理的研究樹立了樣版。但技術上的改進是多方面的。轟擊的粒子束有質子、中子、電子和各種離子等。30年代初,中子被發現後，由於其散射截面大，容易引起核反應，受到學術界的重視。費米及其合作者系統地用中子來轟擊周期表中不同元素，發現了一系列的核反應和新的放射性元素。1938年，哈恩(0.Hahn)與邁特納(L.Meitner)終於發現和確認鈾的裂變。隨後原子核裂變的鏈式反應得的實現，導致了裂變反應堆的問世。它為實驗技術提供了新的手段，又為裂變能的軍事與和平利用鳴鑼開道。隨後,輕元素的聚變提供了另一種核能源。聚變能的爆炸式的軍事應用於50年代初即已實現，但可控的和平利用卻經歷了漫長的發展過程。兩種方法,磁約束與慣性約束，雖則取得不少科學成果，但作為能源，尚處於得失相抵(breakeven)的前夕，要點火尚需繼續努力。
到30年代，科學家開始認識到天然放射性元素髮射的粒子能量太低，束流也不夠強，不能適應實驗物理學的要求。在這種情況下，加速器技術就應運而生。早期有高壓倍加器和靜電加速器，主流是勞倫斯開創的回旋加速器及其變型。以後加速器的能量愈做愈高,技術愈來愈精。能量已從早期的MeV量級升高到如今的TeV量級。一代代的加速器為核物理和粒子物理的研究立下了汗馬功勞，發現了幾百種粒子。與之並行發展的還有粒子檢測技術，從早期的蓋革計數器、雲霧室，到照相乳膠、氣泡室、火花室和閃爍晶體列陣等。雖然技術的進展十分引人注目，但許多物理實驗的基本思路,例如通過質子對高能電子的深度非彈性散射來論證質子具有夸克結構，仍然和盧瑟福的原型實驗十分相似。值得注意,加速器與反應堆也被用於非核物理學以至於其他科學的研究，同步輻射和高通量中子源就是例證。
另一高速發展的物理科學領域是天體物理學。光學望遠鏡愈做愈大；射電望遠鏡是在第二次世界大戰中由雷達技術推動而發展起來的，也朝向巨型發展；而依據射電望遠鏡發展起來的綜合孔徑技術也反饋到光學望遠鏡的技術中去了。新波段，如紅外、X射線和γ射線的望遠技術得到了發展，還有新的檢測技術如CCD列陣。為了超越大氣層的吸收和干擾，還將望遠鏡放到太空中去，如哈勃、愛因斯坦、康普頓望遠鏡等。可以說當代也是天體物理學的黃金時代。大量天體譜線紅移的數據為宇宙膨脹提供證據，3K微波背景、脈衝星、類星體及γ射線爆等重大發現，為理論天體物理和宇宙論提供了大量數據，使星體和宇宙成為檢驗物理理論的龐大實驗室。
現代高能物理學(包括部分核物理)及天體物理學已經成為大科學主宰的領域。其特徵在於設備龐大，人員眾多，經費數額巨大，計劃實施時間漫長。
到30年代，光譜學研究已有盛況不再之感。但第二次世界大戰中雷達技術的發展又為微波波譜及磁共振的研究提供機遇。50年代初，首先在微波頻段實現了受激發射，隨後轉移到光學頻段，導致激光器的問世。激光技術引起了光學和光譜學的一場革命,導致量子光學的誕生，影響十分深遠。應該指出,早在1917年,愛因斯坦就提出了受激發射的理論，而實驗室中的實現卻延遲到40年之後。激光技術引入物理實驗室，為小型精巧的實驗研究提供了機會。
X射線和由之衍生的電子衍射與中子衍射，導致了晶體結構分析的發展。它為凝聚態物理和材料科學奠定基礎，而且大大地促進了化學、生物學和礦物學的研究。出自這一領域的科學家獲得了諾貝爾獎多達十幾次。電子顯微術超越了光學顯微術的分辨極限，並實現了原子尺度的成像。80年代以後，掃描隧道顯微術發展成為花樣繁多的顯微探針技術，不僅實現了原子尺度的成像，還實現了多種原子尺度的測量和操縱技術，充分顯示了小規模精巧創新的實驗技術仍然富有生命力。
為了消除熱運動對固體中許多現象的干擾，將試樣冷卻到低溫下進行研究成為重要的手段。現代低溫技術始於氮的液化(4.2K)，進一步採取稀釋致冷機可以達到mK的溫度，再進行核退磁致冷，可以達到μK的量級。近年來發展起來的激光冷卻，再加上蒸發致冷，可以使原子氣體達到μK以下的溫度。低溫物性的研究取得許多重要的成果：金屬與合金的超導電性，4He液體的超流動性，3He液體的超流動性，多種非常規的超導性(如有機化合物、重費米子、銅氧化物超導電性，其中最後一種已經超出低溫的範圍)。1995年起，又在μK溫度以下觀測到鹼金屬氣體的玻色-愛因斯坦凝聚，隨後，相位相干的原子束得到了實驗演示，即所謂原子波激射(atomic laser)。
晶體純度和完整性對物性有重要的影響，促使固體製備技術有了較大的發展：單晶拉制、區熔提純、控制摻雜等技術成功地應用於半導體的製備。1947年,晶體管的發明也許是20世紀中物理學家所作出的取得最大經濟與社會效益的一項成就。70年代後，超高真空技術成為實驗室中的常規手段，在超高真空下的結構與能譜測試手段相繼問世，開拓了表面物理的新領域。以分子束外延為代表的當代薄膜與異質結製備技術的開發，引起量子納米結構(量子阱、量子線與量子點等)的熱潮，並向磁性材料(巨磁阻效應)和超導電體方面延伸。許多新的物理效應的發現，諸如整數與分數量子霍爾效應、介觀量子輸運等，顯示了凝聚態物理尚大有可為。