物理学发展的两大趋势
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彭桓武
21世纪物理学将更精致、更复杂，并与生物学、化学携手前进。
随着科学技术发展的深化，开发工作中的研究成分不断加大；随着研究所要求的条件更加精
致，研究工作更需要开发工作的支持。
对于21世纪物理学的发展作探讨，我现在所讲的或所想的都是属于科学未来学的问题。我设
想时间步长不妨也取为60年，即来想象一下2050年的物理学。跟其他未来学问题一样，首先
要考虑到方法论，即用什么方法去预测60年后的物理学。因为用不同方法所得结果的可靠程
度可以大不相同。下面我就物理学当前发展大趋势作探讨。
我只想突出下面两点大趋势：一点是物理科学与生物科学相结合；另一点是研究与开发相结
合。这些趋势当然也符合发展规律。
一、物理科学与生物科学相结合
在探讨物理科学与生物科学相结合的前景之前，不妨简略地回顾物理学与化学相结合的历史
。按科学分类，物理学与化学同属于物理科学，物理科学与生物科学同属于自然科学，自然
科学与社会科学同属于科学。所以上述两个相结合相差一个层次，但总还有参考价值。
19世纪初期对气体的化学和物理研究导致原子、分子概念的形成。1858年坎尼扎罗的著名演
讲，可认为是物理学与化学相结合的第一个回合。19世纪中期以来，物理学建立起分子运动
论、热力学和平衡态的统计物理，这些理论在化学领域中得到大量应用，促进了包括化学热
力学在内的、内容十分丰富的交叉学科——物理化学的成长和发展。这可看作是物理学与化
学相结合的第二个回合。1926年量子力学诞生，1927年海特勒与伦敦用它来解释氢分子的结
合能与振动频率，1928年伦敦用它来讨论氢分子与氢原子的碰撞，引入了3个原子的位能面，
开辟了用量子力学解释化学反应和计算化学反应率的道路。这些工作虽属近似工作，但正如
狄拉克所说，量子力学能解释一切化学问题，因为从本质上讲，原子、分子的化学性质取决
于其电子的快速运动，而后者是个量子力学多体问题。所以量子力学诞生后，化学与物理学
实现了根本性的结合。应用量子力学去解释大量化学问题促进了更带有数学物理气味的交叉
学科化学物理学的发展。这是物理学与化学相结合的第三个回合。60年来，对氢分子与氢原
子这个最简单的化学体系，用量子化学方法定量地计算位能面的工作，愈来愈精确，对热化
学反应率和态-态化学反应率的理论计算结果与实验结果也符合。位能面包括了电子快速运动
必须用量子力学处理，而对原子的运动除量子力学处理处还可用经典力学近似计算其轨进。
比较态-态反应率发现还是量子力学计算结果更接近实验值，这些定量计算都依赖于计算机。
现在考虑物理科学与生物科学的结合问题。物理学的描述是数理的，近乎哲学；生物学的描
述是图形的。近乎历史。特别是生物的分类和演化。我见到的第一本将物理学用到生物学上
的书是“Growth and Form（生长与形态）”，书中讨论细胞分裂，认为除体积能外还考虑到
表面能时，分裂便是自然的。印象更深刻的是谈到有按形态分类的两种鱼：一种扁些，一种
圆些；一种习居于浅海，一种习居于深海。但将前一种鱼取来加压力，其形态便变为后一种
。按物理学家看来是一种鱼，形态不同是由于环境（压力）不同所致。后来在都柏林听薛定
谔的公开演讲“生命是什么？”好像他提过生命秩序的维持要靠“吃”负熵，指的是带进生
物体的各种物质的总熵比从生物体排出的各种物质的总熵少。因我在清华大学上叶企孙先生
的热力学课时已听过这类话，所以再听时不觉新鲜，但今天回味起来，我怀疑这可能只是说
说而已，不知有人认真核算过没有。在薛定谔的演讲中，给我印象最深刻的一点，是他对基
因遗传的稳定性所作的量子解释。他将包含许多基因排序的染色体比作他命名的非周期性晶
体。根据量子力学，要改变这晶体的能级，需要一定的较大能量。譬如说，需要的能量差不
多是X射线的光子能量那么大，比通常温度下原子的平均动能大很多倍。这就解释了用x射线
照射染色体可能引起基因突变，而不照射则不引起突变。基因遗传的稳定性是个量子效应，
基因信息即包含在晶体的非周期结构中。到70年代末，我才从我国生物界同事那里听说，薛
定谔40年代演讲后出版的小册子早已成为经典著作，曾引起人们广泛注意，并与50年代X射线
对生物大分子的结构分析和其他实验一起，影响到DNA的双螺旋模型和三联体遗传码的建立。
我觉得这表明，物理科学和生物科学相结合是可能的，可以作为物理科学和生物科学相结合
的第一个回合。
在这基础上，分子生物学迅速发展，同时促进了生物物理学的广泛而深入的发展。对生物大
分子的结构研究有X射线衍射（定晶体结构）、核磁共振（定溶液中构象）和分子动力学（计
算机上模拟）方法。结构中包括多种类型的原子运动，运动尺度快慢有若干个量级的差别。
以球蛋白为例，在室温下，运动的空间幅值为0.001～10纳米，时间快慢为10-15～103秒，能
量为0.1～100千卡/摩，而运动类型有局部运动（原子涨落、侧键振动、环与臂的位移），刚
体运动（螺旋、区域、亚单位），大尺度运动（开启涨落、折叠与去折叠），集体运动（弹
性体方式、偶联的原子涨落、孤子与其他非线性运动）等。
生物科学的对象是复杂而具有多层次性的，如分子、细胞、器官、整体、群落、生态环境等
。对细胞中的生物膜结构与功能的研究也是当前的一个热点，因为膜是物质输运、能量转换
与信息传递的重要场所。膜为中间疏水两面亲水的脂双层，层中镶嵌着蛋白质，后者必有一
头或两头伸到膜外。膜脂能进行侧向扩散和翻转、旋转、摆动（链内的或链间的）等运动，
膜蛋白则仅有侧向扩散和旋转运动。对神经系统和脑的研究又是一个热点，神经网络的Hopf
ield模型与凝聚态物理的自旋玻璃有些类似，它提供一个解释记忆、学习和图像识别等脑功
能的信息处理的可能模型。
生物功能多种多样，生命表现有低等与高等之分。要达到对生命的本质有所了解，需要物理
科学与生物科学从根本上相结合。物理学方面，特别像对生物大分子和细胞这样的复杂体系
的力学和统计处理，还需要很大发展。
三、研究与开发相结合
前面曾提过科学技术是通过实现条件而使现象出现，以资利用。无论是为研究而制造的新仪
器设备，或是为生活而生产的新产品，都需要开发。随着科学技术的深化，开发工作中的研
究成分加大，随着研究所要求的条件更加精致，研究工作更需要开发工作支持。研究与开发
在相互作用下相伴发展的趋势愈来愈明显。
以开发受控核聚变能源为目标，对产生高温高密度等离子体（磁约束、惯性约束）已研究了
几十年，到真正开发商用产品还需要几十年。在物质结构研究方面，在原子以下层次即核层
次已获得丰富成果，因而开发出核武器、核电站、多种核技术与仪器设备，以及同位素的广
泛应用；而研究更深层次（基本粒子）的粒子物理则需要开发高能加速器与探测器，这方面
已有很大进展，需要高技术和大量投资；如能同时开发出副产品，才容易赢得社会的支持。
在原子、分子和它们的较简单的组合如无生命的凝聚态这个层次，包括与光、声和电磁场的
作用在内，基础研究与产品开发距离较近，其中与信息和材料关系更密切的如半导体和高分
子等人工材料，其结构与性能的研究更是为产品开发和生产开路；在这方面如能继续维持节
约材料与能耗，其生产的经济效益能补偿研究开发费用而多有盈余。现代生物学研究与工程
开发相结合，常听到基因工程、蛋白质工程、生物医学工程等等，后者还包括一些物理工作
在内。人们常常向往仿叶绿素进行高效利用太阳能，或仿细菌在常温常压下进行化工生产。
在物理科学与生物科学相结合进行研究的同时，向生命学习，寻求启发，这对我们向工、医
、农等领域开发新技术或许是很有利的。日本政府前几年提出的《人类前沿科学计划》便是
一个以开发促研究和以研究促开发的范例，很好地体现了研究与开发相结合。不妨猜测21世
纪物理学将是更精致、更复杂，并与生物学、化学携手前进。让我们能过上节约能源、节约
资源、减少污染、增进健康的幸福生活。我个人还盼望在21世纪我国在认识能力的工具方面
也能赶到世界前列。
