科學成功需要幾個必要條件，這些條件可以簡單地歸納為人才、環境、方向和時間。先就人才問題談一點看法：科學成就出在青年。我想首先簡單地講一下科學成就對社會的影響，然後再闡述青年在攻克科學難點時所起的作用。19 世紀末、20世紀初，物理學存在兩大謎。一個是1887年邁克爾孫、莫雷關於光速的實驗。大家都知道地球在轉動，一般人憑直覺都會認為光的速度順着地球轉動的方向與背着地球轉動的方向會不一樣，順着地球轉會快一點，可是實際測出的結果卻是一樣的。看上去這個結果有點奇怪，也許大家都會認為這個結果與我們日常生活關係不大。可是，根據這個實驗，愛因斯坦創造了狹義相對論。另一個謎是1900年初普朗克公式的發現。普朗克的目的是要研究黑體輻射。物體熱了以後總是要輻射的，輻射光中包含各種波長，但是每種波長的光的輻射能量密度是不同的，有一定的分布。這種能量密度的公式無法用經典力學和經典物理學推導出來。普朗克猜了一下，提出了量子的假設，根據普朗克假設導出的公式，其結果與實驗結果完全符合。這個公式導致了量子力學的誕生。有了狹義相對論和量子力學就產生了原子物理學（包括對原子結構的了解）、分子物理學、核物理學（包括對核能的認識）、激光、半導體、超導體和超級計算機，等等。可以這樣說，20世紀絕大多數科學文明都是從這兩個理論引導出來的。沒有相對論，沒有量子力學，就沒有這些現代文明。青年人才在科學成就的取得中起了關鍵作用，1905 年，愛因斯坦創立了相對論，那時他25歲。1912年，玻爾創立量子論時才27歲。到1925年，量子力學大發展階段，愛因斯坦只有45歲，玻爾也還年輕，而創立並建立量子力學的不是愛因斯坦，也不是玻爾，而是薛定諤、海森伯和泡利，他們當時分別是37歲、24歲和25歲，是一代新的人才。到1927年，當時25歲的狄拉克建立了狄拉克方程，完成了相對論量子力學的建立。至此，整個量子力學的框架及其相對論性全部建立起來了。到了30年代，又迎來了原子核物理的新挑戰。當年創建量子力學的英雄們都還年輕，只有30來歲，有的40餘歲，可是解決問題的是日本28歲的湯川秀樹（Yukawa Hideki）。第二次世界大戰以後，又有新的一代青年科學家向量子電動力學挑戰。以上事實充分說明了科學成就出在青年。但是，僅僅是年紀輕，不一定能取得成功，還需要有合適的環境和正確的方向。講到環境，需要指出的是，以上科學成就的取得，玻爾研究所起了很大作用。前面提到，玻爾自己創立了量子論，而這些青年科學家都是因為有機會在玻爾的研究所內工作才獲得成功的，所以環境是相當重要的因素。又如，湯川秀樹與攻量子電動力學的朝永振一郎（Tomonaga Shinichiro）是在日本理研所（RIKEN）工作的。量子電動力學理論基礎的研究工作完成於1945-1947年，當這些主要文章發表的時候，朝永振一郎 36歲，施溫格（J.S.Schwinger）和費恩曼（R.P. Feynman）都是29 歲。50年代，在高能物理實驗和對宇宙線的觀測中都發現了奇異粒子。奇異粒子的發現向科學家發起了新一輪的挑戰，又是新一代青年物理學家迎接了挑戰。24歲的蓋爾曼（M.Gell-Mann）提出了奇異量子數。在理論方面，我自己（29歲）與楊振寧（33歲）發現了弱相互作用下宇稱不守恆定律。1957年，吳健雄（當時45歲）用實驗驗證了這個定律。到60年代，我們要把弱相互作用和電磁相互作用統一起來，格拉肖（S.L.Glashow）於1961年（當時29歲），溫伯格（S.Weinberg）於1967年（當時37歲）分別發表並完善了電弱統一理論。新的環境也形成了，這就是美國哥倫比亞大學物理系和普林斯頓高等研究中心。施溫格和我都在哥倫比亞大學工作，蓋爾曼在哥倫比亞大學工作過，吳健雄是哥倫比亞大學的教授，溫伯格是我的助教，也是哥倫比亞大學的，楊振寧是在普林斯頓大學高等研究中心做研究工作的。這些事實充分證明了科學成就出在青年，當然還需要另外幾個條件。環境條件的重要性已顯示出來。方向和時間這兩個條件下面會提到。到了70年代，量子電動力學，奇異粒子問題和電弱作用統一理論都被解決了，強相互作用發出了新的挑戰，它是由量子色動力學作為其理論基礎的，這一難題的主要解決者是26歲的胡夫特（G.'t Hooft）和28歲的波利策（D.Politzer），又是一代新人。生物學方面也是這樣，非常重要的DNA雙螺旋結構是由37歲的克里克（F.H.C.Crick）和25歲的沃森（J.D.Watson）在1953年發現的。科學的不斷進步，向人們提出了一輪又一輪新的挑戰，而同時又造就了一代又一代青年科學家。物理學方面是這樣，生物學和其他學科方面也是這樣。科學成就的取得在於青年，一代新人才，一片新科技。下面講一下方向、時間和人才、環境的結合。如何認識方向，製造環境，緊抓時間和機遇，需要老一代科學家和政府政策的支持。例如，創立了量子論的玻爾，量子力學雖然不是他創造的，丹麥也只是一個北歐小國，但是，在他主持下的玻爾研究所卻為年輕人提供了極好的環境。在他的引導下，海森伯等人才能集中精力創立非相對論性和相對論性量子力學，作出了劃時代的貢獻，奠定了20世紀現代物理學，以及幾乎所有其他科學和技術的基礎，包括激光、半導體、超導、核能等等。怎樣認識方向呢？認識方向，必須了解當代科學有哪些大問題還沒有解決。基礎科學與其他科學不很一樣。例如物理學，它的研究範圍很廣，可是它的目的是將一切宇宙間形形色色物質的現象歸納為很少的幾個基本定理，攻克這幾個基本定理就等於攻克整個宇宙的規律，就有可能解釋各種宇宙現象。物理學的手法與其他學科不大一樣，注重的是創造簡單的定理，完成精密的計算和實驗，然後普遍地、廣泛地向一切物質現象求證和應用，我們關心的是當代科學存在哪些未決的大問題。1. 對稱的理論與不對稱的實驗。我們知道，宇宙中存在着三大相互作用，強相互作用、電弱相互作用和引力相互作用，這三大相互作用都是基於對稱的理論歸納並分類的。可是實驗不斷地發現自然界存在着對稱不守恆，這是為什麼，我們不清楚。2. 看不見的夸克。基本粒子有兩大類，一類叫夸克，一類叫輕子。可是實驗發現所有的夸克都不能獨立存在，都是看不見的，這是為什麼呢？3. 反常的暗物質。宇宙中占90%以上的物質是暗物質。什麼是暗物質呢？通常物質中除了存在引力作用外，還存在着強相互作用和電弱相互作用。可是對於暗物質，我們只能從引力作用中發現它的存在，在這種物質中測不出任何強相互作用和電弱相互作用。所以，暗物質不同於通常（包括我們自身在內的）物質，而且通常物質占少數，暗物質占大多數。他們是什麼，我們不清楚。4. 巨能的類星體。據估計，宇宙中大約存在一百萬個類星體。每一個類星體的能量約為太陽能量的10”倍。一個太陽的能量比地球上已知的一般能源，如石油、煤炭等的能量總和大一百萬倍，可是類星體的能量比太陽的能量還要大一百萬的一百萬倍。這是什麼形式的能量，我們不知道，它的存在我們是知道的。所以宇宙中蘊藏着極大的挑戰。絕大多數物質我們不了解，巨大的能源我們也不了解。這些就是當代科學中存在的幾大問題。面對這些挑戰，我們應採取什麼措施？對於前兩個問題，即對稱的理論與不對稱的實驗和看不見的夸克問題，我們設想從探索真空的構造中來獲得解釋。當然，這僅僅是假設，還需要實驗來證實它。什麼是真空？真空是沒有物質的空間。假若把現在這個報告廳封起來，人都離開，把空氣抽掉，將內部的原子和分子都抽走，可使它近於真空。但是，雖然成了真空，萬有引力還是穿得過的。其他弱作用、電磁作用的場，還有色動力學的場也通得過。雖然沒有物質，但是因為有場的存在，就有漲落，真空就很複雜，是個媒介體，可以不對稱，也可以有相變，這種相變與超導的相變是一類的。我們希望能用實驗的方法改變真空。這是我們想要解決而面臨的當代一大挑戰。為此，我們必須對量子色動力學進行精密的計算，下面會談到如何進行計算。反常的暗物質和巨能的類星體的性質，我們都不懂，它們都是在“大爆炸”以後產生的。可以設想一種方法，那就是用高能加速器人為地製造“大爆炸”，模擬與“大爆炸”後比較接近的環境，並跟蹤研究，觀察其演變的動態過程，從而有可能得到暗物質或類星體在大爆炸以後生成和演化過程。這些問題的關鍵在於加速器。位於美國布魯克黑文實驗室的相對論性重離子對撞機（RHIC），能把重離子加速到20太電子伏的能量。利用金核與金核進行對撞，在如此巨大能量下對撞，則很短的時間內產生的真空會與現實的真空不一樣，可以用最精密的方法找出它的相變。這台對撞機在1999年8月建成，是多年前由我提議建造的，這是全世界正在建造和即將完成的最大的加速器。這台加速器與以前的加速器有根本的不同，以前的高能加速器都是用於研究單純的基本粒子構造的。
以前研究物質結構的指導思想是，大的由小的組成，小的由更小的組成，只要研究透最小的物質，就可以知道最大物質的構造。由於有量子力學的不確定性原理，位置與動量測定的不確定性的乘積大於或等於
一個常數，即普朗克常數。所以，要研究的對象越小，需要的動量和能量就越大，這就是我們以前要建造高能加速器的原因。這種思想自湯姆孫（J.J.Thomson）1897年發現電子以來，一直指導着我們的研究。RHIC的指導思想並非如此，它不僅僅是為了研究基本粒子的構造，它是要把最小最基本粒子的構造與宏觀的真空統一起來，作為一個整體來研究。這是現代物理學研究的新方向。我相信這不僅會影響 21世紀的物理研究，也會影響 21世紀所有學科的研究，可能包括高科技的研究。這裡我要舉一個具體的例子來解釋一下方向、環境、時間與人才的關係。在我的倡議和組織下，在美國布魯克黑文國家實驗室（BNL）成立了由日本理研所（RIKEN）資助的 RIKEN·BNL研究中心（RBRC），由我擔任主任。這個中心成立的目的之一就是要為年輕人創造一個良好的科研環境，同時還建造了用於計算量子色動力學的超級並行計算機（QCDSP）。這個計算機的建造僅花了一年時間。1997年8月，在我主持下，哥倫比亞大學理論物理組開始建造0.46萬億次浮點計算/秒的並行計算機。1997年9月，RBRC成立；1998年2月，RBRC開始建造0.64萬億次浮點計算/秒的並行計算機；1998年8月，這兩台計算機都建成並組合為一台1.1萬億次浮點計算/秒的QCDSP，1998年11月這台計算機獲得了戈登·貝爾（Gordon Bell）獎，這是一項由微軟公司和美國電氣與電子工程師協會（IEEE）主持的計算機重要獎項。我們的目的不是造計算機，而是研究物理，要把微觀的粒子與宏觀的真空統一起來研究，要求解真空相變之謎。為此，要把量子色動力學理論計算的精度提高到1%。這樣的精度在以前是絕對達不到的。這必須要有很強的計算功能。從今年5月起，我們又開始計劃建造速度更快的，20萬億次浮點計算/秒並行計算機，用於物理計算，使它成為理論研究的一個工具。從1998年9月萬維網（Web）上獲得的信息可知，我們建造的計算機在全世界名列第八。這個 QCDSP 機器貌不驚人，所占實驗室面積只有12.5米²。比較令人驚訝的是，這台並行超級計算機完全是由理論物理學家製造的，僅用了一年時間就完成了。參加建造的人員僅九位，他們的平均年齡是28.5歲（這裡面不包括我，我沒有參加實地製造）。這在全世界是破紀錄的，我們理論物理組的人在短短的一年時間內一下子衝到前面去了，我們的計算機在價格性能比和結構方面都名列第一，這可以從結構的比較看出。我們的計算機占地面積為12.5米²，而名列我們之前的三台計算機，美國桑迪亞的，洛斯阿拉莫斯的和勞倫斯·利弗首爾的計算機占地面積分別從343米²到1000多米²。我們的造價也比他們低得多，而他們計算機能幹的事情，我們都能幹。他們的機器有點像恐龍，我相信過幾年，等我們更快的機器建成後，這些恐龍可能都會被淘汰。我們不是計算機專業人員，但是為了研究物理的需要，我們不能等待，我們自己動手製造我們需要的工具，要做得更好、更快、更便宜，從根本上超過其他各家，因為我們面向的是21世紀。綜觀20世紀物理學的發展，我認為，它的研究方法可以被稱為簡化歸納法（reductionism）。這種方法認為，大的物體是由小的構成，小的由更小的構成，找到最基本的構造，最大的物理構造問題也就迎刃而解了。在這種方法的指導下，產生了量子力學。由於物理研究的定量性，它的成功影響了20世紀的科技發展，也包括了生物學的發展。前面提到的克里克和沃森，克里克原來是學物理的，他們合作時，沃森是博士後。他們藉助於物理學的定量的高科技方法和思路發現了極重要的DNA雙螺旋結構模型。但是，現在我們認識到這種簡化歸納法不能解決所有問題。微觀的基本粒子一定要與宏觀的真空相變統一研究，並且產生定量的結果，才能正確、深人地認識宇宙，這就需要更新的高科技手段。所以我認為，21世紀研究的方法應該是整體統一法（holism）。物理學的研究從一開始就與其他學科的研究稍有不同，它一開始就要求定量性，要求精密的計算，這自然地帶動了--系列高科技手段的發展。當然這些高科技手段可以轉讓給其他學科。我認為，到了21世紀，我們生物學界的同行會認識到，只研究微觀的基因不可能解決所有問題，因為生命是宏觀的，所以21世紀生物學發展也需要把微觀的基因和宏觀的生命統一起來研究，這研究的任務是很重大的，不是物理學家能解決的，但是面向這一重大的統一研究挑戰的生物學家，會需要用物理研究中產生的適用於定量計算的高科技手段。我想在這兒再次強調，物理研究中高精密度定量計算的需要和高難度實驗的實現，不僅會使我們更深入地了解宇宙，向我前面所說的四個未知問題發起挑戰，同時也會帶動高科技的發展。例如，萬維網就是西歐核子中心高能物理所發明的，性能價格比最好的超級並行計算機就是在我們理論物理組建造的。20 世紀的科學是由物理學帶頭的，我相信，21世紀的科學也會由物理學帶頭，至少在上半葉，將仍然是物理帶頭的世界。21世紀的下半葉，生物學將會有大發展。當然，生物的問題，需要生物學家去解決，可是我們可以把高科技成果轉讓給他們。對生命的研究比物理學的研究更複雜，這需要培養更多的年輕科學家從事這方面的事業。為了21世紀的發展，我們應該更進一步地重視和支持富有創造性的高水平的青年科學家。國家自然科學基金委員會國家傑出青年基金，是培養傑出青年科學家的有效方法，今天是紀念青年基金建立五周年的日子，我祝賀青年基金五年多來所取得的巨大成果，並建議國家能加大對青年基金支持的力度，為培養更多的傑出青年科學家而努力。
