对物理学前沿及其基本研究方法的思考

汤仙明 吴国先 供稿

引言

以牛顿、麦克斯韦和玻尔兹曼为代表的物理学家所做的三次大综合曾经使物理学天空“晴空”，人们过分乐观地相信物理学大厦的“至善至美”．“两朵令人不安的乌云”让人惊慌一时，也正是这“两朵小小的乌云”，导致了本世纪初量子论和相对论的诞生。

经过近一个世纪的长足发展，物理学硕果累累。与此同时，也给２1世纪留下了许多未决难题；这些未决问题对理论和实验要求的苛刻性自然会引起我们对物理学基本研究方法的思考。

学科的现状与前沿

从宇观到宏观，从宏观的物体到大分子、分子、原子、原子核，一直到夸克等基本粒子，物质结构有不同的层次。根据物质结构的层次，相应的，物理学也可以分成许多学科。

譬如考虑到微小层次的，就是粒子物理学，其次是原子核物理学，然后是原子物理学，再上去就是分子物理学、凝聚态物理学、等离子体物理学、固体力学和流体力学，然后是地球物理，再到空间物理、天体物理。经典物理遗留下来的光学、声学等学科的一部分正在向应用科学转化，而其他部分则结合了物质结构的某些特定层次的物理学来发展，如光物理学就与原子、分子和凝聚态物理学紧密地联系在一起。

有两个发展前沿是很明显的：一个是最微小的粒子，另一个是最大的宇宙。这两个前沿很奇妙，现在逐步结合在一起了．我们所研究的粒子愈小，就愈要提高能量，非常高的能量状态，存在于宇宙的早期。因此，对基本粒子目前的研究以及将来的研究，在某种意义上是宇宙考古学的问题，也就是探讨宇宙早期是什么样的问题。通过更高能量粒子的研究，也许可以澄清一部分问题，这两个前沿的发展，受到一些困扰。

譬如粒子物理的研究，受到加速器的限制，加速器愈造愈大，大到社会经济负担不起，最明显的例子就是美国超级超导对撞机也最后下马：像美国这么富裕的发达国家要支持这样的研究都感到困难，看来一个国家的力量承担不起这一类研究的费用，将来唯一的出路是国际合作，至于像中国这样的国家，更需要走国际合作的道路。粒子研究要花大钱，天文研究也是要花大钱的，光学望远镜和射电望远镜愈造愈大，而且想把地球上的一些干扰去掉，就要到空间中去观察，例如把哈勃望远镜放到空间中去，这些领域是大科学的领域，只有走国际合作的道路。

除了这两个很明显的前沿外，还存在一个前沿，总的说来就是向着复杂物质方向发展，固体物理早期所研究的多半是简单的物质，在进一步研究中才开始接触到比较复杂的物质，当中蕴含着许多尚待发展、挖掘的物性。以半导体为例作些说明，最简单的硅，研究得最清楚，应用得广泛；然后是复杂一点的砷化稼类化合物半导体。进一步就涉及到结构更加复杂的聚合物半导体。近年来，聚合物半导体研究十分引人注目，已能做出聚合物晶体管来。当然，聚合物的集成电路在当前还不能与硅片竞争，但它有廉价、容易制备的优点，因而可以在其他方面发展。由聚合物，我们再想到人的大脑问题，大脑里头并没有硅片，但大脑思维复杂程度远远超过现代大型计算机。故从简单物质的研究到复杂物质的研究发展过程中，物理学应该是大有用武之地的。所以我们可以认定，除了前面两个实际上已经合二而一的前沿外，当前物理学还应该存在另一个前沿，就是探讨复杂物质的结构与物性。

对物理学基本研究方法的思考

从事物理研究的人是否应当反思一下物理学的基本研究方法？我们的讨论涉及到统一性与多样性、简单与复杂的问题，带有一点哲学观的色彩。因为物理学研究的是一些最基本的问题，所以探索到、深入到一定程度后，某些哲学观点必然会呈现出来。

还原论

物理学家惯用的一个观点往往是还原论，所谓还原论，就是将世界分成许多小的部分，每一部分研究清楚了，最后拼起来问题就解决了。

这个观点是很自然的，物理学家过去受到的是这个训练，基本上接受这一观点，有很多著名的科学家都支持这个观点，鼎鼎大名的爱因斯坦就讲过：“物理学家的无尚考验在于达到那些普适性的基本规律，再从它演绎出宇宙”．这可以说是爱因斯坦的雄心壮志，也是几代物理学家抱有的看法，就是说，如果我们把世界的基本规律搞清楚了，那么一切事情就都解决了。

下面是著名理论物理学家狄拉克讲的话，他讲这一段话的时机正好是量子力学初步建立之后。他说：“现在量子力学的普遍理论业已完成，作为大部分物理与全部化学的物理定律业已完全知晓，而困难仅在于把这些定律确切应用将导致方程式太繁杂而难以求解”．他的意思是基本的物理规律已经知道了，下面似乎就是一个求解的问题，至于求解，由于方程过于复杂，似乎有些问题还解不出来。

实证论

尽管有许多物理学家抱有这类观点，但现在来看问题似乎不那么简单。基本规律知道了，具体规律是不是就一定能够推出来？这个问题一直是有争议的。19世纪有一种极端的意见，就是所谓实证论的观点，奥地利科学家、哲学家马赫认为物理学家只须追求宏观物体之间的规律，去搞清微观的规律似乎没有用处；而且微观是否存在，分子、原子是否存在，他一概采用否定的态度，显然这类观点过于极端。

应该看到，实际上物质结构存在不同的层次，层次与层次之间是有关联的，有耦合的。因此，我们需要理解更深层次的一些规律，例如遗传问题——这当然不是纯粹物理学问题了，可以从生物现象上求规律。早在１９世纪１１德尔就总结了豌豆的遗传规律，这是个非常重要的基本规律，但为什么造成这个规律呢？显然跟遗传物质的结构有关。最关键的一步在于是1952年生物学家华森和晶体学家克里克在英国卡文迪什实验室把DNA分子辨认了出来（在某种意义上是猜出来的）．这使我们晓得，遗传规律与DNA分子结构中某些单元的排列顺序有关，也就是说在分子中有个密码存在，这个密码规定了遗传情况，如果密码改变，遗传情况也就改变了．由此可看到，分子结构与遗传物质这两个不同层次之间存在耦合，理解了分子层次的结构，就把遗传规律基本上搞清了．再如，固体的导电问题，牵涉到电子在固体中的行为问题，如果我们把电子在固体中的行为搞清楚了，那么对固体为什么导电、为什么有的是半导体、有的是超导体等问题就可以给出一个解释来。这就有利于推动我们去研究导电现象，以及利用这些现象做出晶体管、集成电路以及超导的约瑟夫森，来为人类服务。总而言之，层次与层次之间存在耦合现象。

我们还应看到另一方面，层次与层次之间也存在脱耦现象，所谓脱耦现象，就是下一个层次与上一个层次未必有重要关系．举一个例子来讲，近年来粒子物理有一个重要的发现，就是三、四年前发现了顶夸克，这在粒子物理是件大事，因为理论设想的凡种夸克除顶夸克外均已发现，现在顶夸克也发现了，但是顶夸克的发现对凝聚态物理有没有可以观察到的影响呢？没有，到现在为止,似乎一点影响也没有。这表明，层次跟层次之间，在某些情况下，存在脱耦，我们说粒子物理的进一步发展，对本身，对理解粒子的性质具有极大的重要性，但是，它的发展，对理解相隔了好几个层次的物质就丧失了重要性。再如，原子核的结构对遗传有没有影响呢？一般说来看不出大大的影响，这就是层次之间既存在耦合，又存在脱耦，而且大量粒子构成的体系往往有新的规律。

层创论

我们来看看另外一个观点，即所谓层创论的观点。著名凝聚态理论学家安稳森曾讲过一段话：“将一切事物还原成简单的基本规律的能力，并不意味着我们有能力以这些规律来重建宇宙。当面对尺度与复杂性的双重困难时，构筑论的假设就被破坏了大量的复杂的基本粒子的集体，并不等于几个粒子性质的简单外推，”也就是说两三个或四五个粒子的规律，并不能说明很多个粒子的集体规律。每一种复杂的层次上，会有完全新的性质出现，而且对这些新的性质的研究，其基本性质并不亚于其他研究。也就是说物质存在不同的层次，而层次跟层次之间，往往到上一个层次就有新的规律出现，对这些新的规律的研究，本身也具有基本性。

卡达诺夫说：“我在这里要反对还原论的偏见，我认为已经有相当的经验表明物质结构不同的层次，而这些不同层次构成不同群落的科学家研究的领域。有一些人研究夸克，另外一些人研究原子核，还有的研究原子、分子生物学，遗传学，在这个清单中，后面的部分是由前面部分构成的，每一个层次比它前面的低一些，但每一个层次都有新的、激动人心的、有效的、普遍的规律，这些规律往往不能从所谓更基本的规律推导出来。从最基本的问题向后倒推，我们可以看到一些重要的科学成果，像门德尔的遗传律与DNA的双螺旋结构，量子力学与核裂变，谁是最基本的？谁推导谁？将科学上的层次分高低往往是愚蠢的，在每一层次上都有的普遍原则中都会出现宏伟的概念。”

我们强调指出，一定要认识到各个层次之间既存在耦合，也存在脱耦，并非探究清最微观层次的规律，就可把世界上的问题全部解决，近年来有一种提法，说粒子物理面临新的挑战，要建立一种所谓“万事万物的理论”。有些科学家说粒子现在已经建立了标准模型，然后下一步就希望建立万事万物的理论，要进行这类尝试是应该的，要向未知领域再推进！但一定要采取辩证的观点来对待这一问题，即使这个理论取得进展，也并不意味着万事万物的问题就可以迎刃而解了，我们上面讨论的意思，正是这样，应该说物理学现在还是很有生命力的科学，但并不意味着要把它的命运都跟万事万物理论联系在一起，而是有很多新的发展余地。我们应该特别强调的是，物理和技术的联系，物理学跟其他科学（如化学、生物学、地学。天文学等）的联系，都是极端重要的。