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理论物理的发展需要什么样的条件
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关于理论物理的发展需要什么样的条件周光召院士在“理论物理专款”十周年纪念学术报告的主题报告
各位早上好,今天在座的有非常多著名的理论物理学家,特别是很多年轻的物理学家,我离开理论物理有相当长的时间了,按道理今天做这个报告并不是很合时宜。
今天这个会,是希望引起基金委领导对理论物理的重视,所以在理论物理所领导的一再要求之下,我勉为其难讲几点意见。
第一、上一个世纪,是物理学的世纪,这毫无疑问。
而理论物理在上一世纪的物理学中间,发挥了非常重要、可以说是极其光辉的作用。
今天大家都是学理论物理的,这点并不需要很多的时间来加以说明。
上一世纪最重要的发现是相对论和量子力学,以及以后由相对论和量子力学结合发展出来的量子场论。
这些理论对物理学、化学等所有的领域,都产生了深刻的影响。
原子核物理,基本粒子物理,激光物理,量子化学,分子物理等,都受了上个世纪这两个最伟大发现的影响。
而理论物理学家,在发展所有这些,从原子核,基本粒子到激光物理,每一个领域,都起着重要的作用。
古典物理在上一世纪也在继续发展,特别是在一些特殊的状态里面,像等离子体状态,也扩展到很多其他的领域,直到为国民经济服务的一些领域,都有物理学家的影子,理论物理学发展的很多思想和方法,如刚才郝柏林提到的“scaling”(标度律),很多领域现在都在加以应用。
就拿刚才发的这本书(《“理论物理专款”十周年总结》),里面提了从1990年—2003年的诺贝尔物理学奖,一共是14个奖,其中就有四个是理论物理学家得的奖,这里面有P.G. de Gennes,有R.B Laughlin,有Herardus’t Hooft,Martinus Veltman,以及去年苏联的阿布里科索夫、金茨堡,美国的A.J Leggett,他们都是理论物理学家。
理论物理在发展物理学,以及相关的学科方面在上一世纪是起了非常重要作用的,所以这一学科,应该在中国得到支持和发展。
我讲的第一个问题,就是帮助我们的所长,向基金会呼吁,继续重视理论物理。
第二、讲讲理论物理的发展需要什么样的条件?
我想通过量子力学的发现来说明。
量子力学的发现过程中的环境,它的学术风气之好,是上世纪中最突出的一个例子。
量子力学是第一次世界大战后主要在德国那样非常困难的条件下产生的。
我最近才知道在第一次世界大战以后,相当一段时间内,德国科学家在世界上是受到排挤的,所有世界的国际会议,都不邀请德国的科学家出席。
唯一的例外,只有爱因斯坦。
因为爱因斯坦当时虽然在德国工作,但是他已经放弃了德国国籍,他讨厌德国军国主义,很早就放弃了德国国籍,加入了瑞士国籍。
同时爱因斯坦一开始就是反战的,虽然他当时呆在德国柏林。
战后的国际会议,就邀请他一个人参加。
连普朗克这样的大物理学家都不邀请,因为法英科学家不愿意看到德国科学家。
就是说德国科学家当时在国际上处于相当孤立的位置,替他们打抱不平的只有爱因斯坦,有一次开一个国际会议,在荷兰,爱因斯坦接到邀请以后,因为所有其他的德国人都没有接到邀请,所以他拒绝参加,他说科学是不能由政治来划分的,科学应该是没有国界的,不应该因为政治因素而影响科学家的交往,所以他也拒绝出席。
他虽然很讨厌德国的政治,但是他觉得在那种困难的条件底下要保护德国的科学家。
这说明德国科学家很困难。
同时作为战败国,德国物价一直暴涨,工作和生活条件都很差。
尽管工作条件不好,量子力学还是在哥廷根、慕尼黑以及丹麦的哥本哈根这几个地方发展起来,最后在哥廷根集大成。
在它的发展过程中,有几点特别值得注意,以前我在不同的场合可能也讲过。
一是培养了一大批杰出、优秀的青年科学家。
最值得称道的是慕尼黑大学的索末非教授,他培养了海森堡和泡里,这两个最优秀的理论物理学家,非常之年轻,20岁左右,同时他采取的培养政策不是像我们一样留在自己身边,海森堡做研究生没有毕业,就给他送到哥廷根大学玻恩教授那儿,玻恩也是有名的诺贝尔奖获得者,海森堡在哥廷根呆了一年以后,又受到哥本哈根的玻尔教授的邀请,在哥本哈根呆了一年,1922到1924这三年,海森堡作研究生的过程中间,就经历了三个学术空气不同的地方,受到不同的训练,而海森堡自己认为,他在三个地方受到的训练对他的成长十分有用,他在索末非那儿学会了要攻克难题,当时旧量子论中最困难的问题是,考虑相对论的原子光谱,这是索末非解决的,所以在旧量子论中,索末非的学术成就是很高的,理论物理技巧的水平恐怕也是最高的。
然后他到了哥廷根,他学了很多数学,哥廷根当时是德国的数学中心,大数学家希尔伯特就在那里,玻恩的数学也非常之好。
他在哥本哈根跟玻尔学会了物理思维方法,玻尔是物理学家,物理思想很好。
海森堡受到了多方面的训练,等到1925年从哥本哈根再回到哥廷根以后,他做出了矩阵力学这个划时代的量子力学的成果。
那时候他才25岁的样子。
不久,在哥廷根的薛定谔也发现了波动力学。
当时有一大批年轻的科学家,还不只是有他们,在法国有德布罗依,在英国有狄拉克,在意大利有费米,可以看到当时有一大群,非常杰出的年轻的科学家,在欧洲各国老一代科学家不同风格的培养训练下面,得到了全面的成长。
第二个条件,当时学术争论的空气非常之激烈。
激烈争论主要是由爱因斯坦和玻尔这两个人引起的,因为他们具有完全不同的哲学观点。
当时玻尔受到马赫思想的影响,他只注重观察的现象怎么来解释,只要能解释这些现象,他基本上就认为是一个好的理论,他并不去追问最后是不是符合认识论的最基本观点。
在1924年,为了解释某个现象,他甚至提出来能量不必守恒。
爱因斯坦完全不同他坚决相信在观察现象的后面存在一个真实的客观的世界,这个世界是有必然的规律的。
爱因斯坦是一个非常伟大的天才,他在量子论上的贡献,其实是非常之大的,现在有人认为,他不太喜欢量子力学,不很重视他对量子论的贡献。
在历史上这是不对的,他对量子论的贡献一直到1924年为止,都是非常之领先的。
首先他在1905年解释光电效应,把光既是粒子又是波动这个问题提了出来,以后爱因斯坦也一直在思考光为什么既是粒子又能是波动,他也非常接近于认为电子也应该既是波动又是粒子,因为他当时已经做了一个建议,所有的物质的振动,都应该量子化。
成功的解释了固体的比热。
所以他很早就认为不仅光是量子化的,物质的振动,声波都是量子化的,所以一切这些物质都具有粒子和波动的双重性,这点他虽然不是明确的指出。
但是他对这个矛盾,始终自己心里头不太踏实,怎么解释,怎么可能,所以他一直在思考像这样的问题。
一直也得不到解决,他说他花在量子论上的时间,比花在广义相对论的时间还要多,但是并没有得到非常好的结果,除了有一个例外,1924年印度一位中学教师,是玻色,他用了一个新的办法推导普朗克的辐射规律,他这个文章不被杂志所接收,所以他寄给爱因斯坦,希望爱因斯坦把他推荐到一个德国的杂志上去。
爱因斯坦看了他这篇文章以后觉得很好,就和玻色合作写出了非常有名的玻色-爱因斯坦统计的文章,预言了玻色-爱因斯坦凝聚态的存在。
爱因斯坦与玻尔在量子力学发现以前就见过若干次面,但是每一次都谈不拢,互相争论得非常之厉害。
这种争论,我想对双方都起了很大的作用,这个争论不像有些书说1932年才开始的,量子论还没有出现之前,他们就开始争论量子论的本质是什么,这个争论当然也给下一代的学生带来很大的影响。
所以像海森堡他就敢于和玻尔去争论,玻尔比他年纪大很多,相当于他的老师,像泡里更不必说了,泡里是有名的愿意批评别人的人,他当时对什么东西都要给予他个人的评价,大家对他都很尊重。
泡里这个人也是非常少有的一个聪明人。
他跟海森堡是同学,友谊非常之好。
海森堡每做一个工作,必须得到泡里的同意才能放心,如果泡里不同意,海森堡心里就打鼓,这个东西到底是对还是不对。
泡里的聪明大家都知道的,他19岁还是学生的时候,就写了一篇精彩的广义相对论的总结文章。
我在当学生的时候还看过这篇文章,在座的可能早就不知道了,那篇文章可以说是几代学习相对论的人必读的一篇文章,这篇文章是一个19岁的学生写的,就是泡里,所以泡里的聪明是无可怀疑的,以至于当时有人甚至说像泡里这样的聪明是超过爱因斯坦的,但是他的成就没有爱因斯坦高。
泡里和爱因斯坦很大的不同,爱因斯坦是很专心一志的,他想一个问题,一心钻进去。
泡里是任何问题他都有兴趣,他都要发表意见,人家也愿意听他发表的意见,他的意见在当时非常重要,他要做什么问题,他写一封信给谁,在物理界就要传。
一直到1957年我到了苏联以后,还发生了一件事情。
当时海森堡提出了一个新的非线性的场论,大概是想统一的来解决世界运动的基本规律。
因为是海森堡提出来的,所以引起理论物理学家广泛的重视。
当时苏联最大的物理学家是朗道,他也知道了这件事情,但是他开始没有表态,当时有一位意大利的物理学家在苏联,他是费米的学生,他们两个感到朗道这个人太骄傲,像个大权威,说什么话都不能反驳,所以他要开个玩笑,这个玩笑怎么开呢,他在4月1日愚人节草拟了一封信,让一位波兰的科学家交给朗道,那个波兰科学家刚刚从欧洲回来,这个信说,泡里认为海森堡的这个理论是非常令人信服的,是非常重要的。
朗道有一个很有名的研讨会,当时在开研讨会的时候,把信交给朗道,朗道看了那个信以后,他立刻态度来了一个非常明确的一个转变,把这个理论大吹嘘了一顿,他们做这个事情的人,就觉得很好笑了,他们拟信的时候就安排了陷井,那个信开头有几行字,把头一个字母竖着念的话就是俄文的“傻瓜”,等朗道大吹嘘了一顿以后,就说你的信念得不对,你竖着念一下,结果一下朗道就体会过来了,大怒,就走了,会也开不下去了。
这只是说明泡里当时的影响如此之大。
泡里那么聪明,有时也会作出错误的判断。
1956年,他就认为杨振宁和李政道的宇称不守恒不可能。
不管怎么样,当时争论的气氛非常之热烈,这种争论的气氛没有上下的关系,没有任何的顾忌,我想是促使当时理论物理能够非常快速发展的原因之一,而且因为那个争论,对薛定谔才有影响,因为他不赞成哥本哈根那套哲学,所以才去发展了波动力学的理论,那时候爱因斯坦和薛定谔是站在一边的,觉得量子力学应该不像哥本哈根学派那样解释,玻尔和海森堡站在一起,但是他们两个也还有争论,争论因为玻尔更看中他的互补原理,他们两个有一次吵到半夜,海森堡还哭了一场。
我说这个的原因是,理论物理要发展,必须要有学术争论,必须要在年轻的科学家之间,在年轻科学家和年长的科学家之间,要有真正的毫无保留的学术的批评和学术的争论,只有在争论的过程中间真理才能越辩越明,而且即使是反对的意见,到后来也可能产生新的科学的成果。
因此在学术环境中,第一,要有个规模在临界以上的研究群体。
第二、这个研究群体必须要真正的能够展开学术争论和学术批评。
第三、我想确实要有一些帅才,要有一些特别杰出的个人,青年科学家要能够脱颖而出,要逐渐发挥重要的作用。
其实你看欧洲在上一世纪开始,像相对论和量子力学,都是一些年轻的、最杰出的科学家,在那里起了主导的作用。
普朗克发现量子论的时候,已经40岁了。
爱因斯坦做出了最重要贡献的时候,只有26岁的样子,今年是爱因斯坦诞辰125周年,玻尔提出他的原子论的时候,他年纪也是比较轻的,也是30多岁,像海森堡、泡里、狄拉克都是二十几岁,薛定谔大概30几岁40岁,都是中青年的科学家,而且是青年为主的,起着决定性的作用。
这些人中间,又有一些个别的人特别的杰出。
怎么让一些特别杰出的人才能够被发现,能够成长,这也是今天的中国科学能不能够很快发展的一个重要因素。
当然像我刚才讲的海森堡,他的成长除了他自己的天才之外,很重要的是因为他受到了上一代的精心的培养,他在三个地方,受到了三种不同的教育。
爱因斯坦的情况完全不一样,他完全是靠自己,因为他从中学开始老师就不喜欢他,而且要开除他,说你最好不要留在学校里面,因为你坐在后面老笑,笑得我没法讲课。
所以他中学在德国也没念完就走了。
第一次考大学,那时候中学没毕业,也没考上,然后又到一个中
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