楊振寧：二十世紀(jì)的物理學(xué)

原文發(fā)表于《科技導(dǎo)報》1991 年第2 期 《二十世紀(jì)的物理學(xué) 》

享譽(yù)世界的物理學(xué)家、諾貝爾物理學(xué)獎獲得者，中國科學(xué)院院士，清華大學(xué)教授、清華大學(xué)高等研究院名譽(yù)院長楊振寧先生，因病于2025年10月18日在北京逝世，享年103歲。

楊振寧先生與《科技導(dǎo)報》淵源深厚。1980年，他與多位美籍華裔學(xué)者在美國共同倡議創(chuàng)辦《科技導(dǎo)報》，并長期擔(dān)任美方顧問編委，為雜志的創(chuàng)辦與發(fā)展作出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。

為表達(dá)對楊振寧先生的崇高敬意與深切緬懷，我們重刊1991年第2期楊振寧先生撰文的《二十世紀(jì)的物理學(xué)》，以志紀(jì)念。

二十世紀(jì)的物理學(xué)

楊振寧

美國紐約大學(xué)石溪分校理論物理研究所所長

二十世紀(jì)初，經(jīng)過長期努力準(zhǔn)備之后，雄心勃勃的“人文與科學(xué)大會”終于在美國圣路易斯召開了，當(dāng)時是1904年9月。大會與圣路易斯博覽會聯(lián)合舉行，以慶祝美國歷史性收購路易斯安那地區(qū)百周年紀(jì)念，目的在于回顧人類知識在人文和自然科學(xué)各個領(lǐng)域的進(jìn)步，并展望它們在二十世紀(jì)的發(fā)展。用大會主任暨博覽會教育部門主管羅杰斯（Howard J. Rogers）的話來說：“博覽會和大會是相關(guān)的，前者匯集了人類大腦和手的具體產(chǎn)品，后者則是人類活動見諸文字的表徵”。

大會在一個年輕的國度舉行，時間又恰當(dāng)新紀(jì)元之初。當(dāng)時預(yù)期不出數(shù)十年，這個國家將成為全球首屈一指的工業(yè)大國，而 二十 世紀(jì)，則將以加速前進(jìn)的步伐，成為人類歷史上科學(xué)知識累積最豐富、生產(chǎn)力增長最迅速的時代?，F(xiàn)在， 二十 世紀(jì)就快要結(jié)束了。回顧它過去九十年的進(jìn)程，探究大會當(dāng)年種種期望是否兌現(xiàn)，也許正是時侯。

然而，我無意包攬這項(xiàng)艱巨的工作。我在本文所要討論的，只限于一門科學(xué)，即物理學(xué)。在二十世紀(jì)，物理學(xué)

——產(chǎn)生了奧妙的觀念革命，從而改變了人類對空間、時間、運(yùn)動和力這幾種基本概念的認(rèn)識；

——深入探索了物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的奧秘；

——通過技術(shù)進(jìn)步為人類生產(chǎn)力帶來了空前增長。

追本溯源

為了明了物理學(xué)發(fā)展的背景，我們得從早期 說起?，F(xiàn)代物理學(xué)發(fā)軔于歐洲文藝復(fù)興時期哥白 尼（ Copernicus,1473-1543）、第谷（T ycho Brahe,1546-1601） 、伽利略（Galileo,1564 -1642）、刻卜勒（ Kepler ,1571-1630）和 牛頓（ Newton,1642-1727）等先哲的研究。由于他 們的努力，力學(xué)和天文學(xué)這兩門定量科學(xué)得以建 立。這兩門學(xué)問在十八、十九世紀(jì)取得巨大成 功。工業(yè)革命期間，以力學(xué)為基礎(chǔ)的許多新技術(shù) 發(fā)揮了驚人效能，從而一種對物質(zhì)世界的機(jī)械觀 統(tǒng)制了十九世紀(jì)的思想：大家相信，一切運(yùn)動都 可以用數(shù)學(xué)方程式準(zhǔn)確和完全地決定，這些方程 式就是微觀和宏觀物質(zhì)結(jié)構(gòu)的理性基礎(chǔ)。

同時，物理學(xué)從力學(xué)擴(kuò)展到許多其他新物理現(xiàn)象的領(lǐng)域，最后在十九世紀(jì)獲得下列三項(xiàng)偉大成就。

1.熱力學(xué)的建立

這是由熱力學(xué)第一和第二定律的發(fā)現(xiàn)而來。第一定律說的是，當(dāng)各種形式的能量都計(jì)算在內(nèi)時，它是守恒的。第二定律所說的是，對孤立系統(tǒng)而言，一個名為熵的物理量永遠(yuǎn)是增值的。這個奇妙的物理量是克勞修斯（Clausius,1822-1888）在1865年提出來的，他名之曰熵，因?yàn)椋?/p>

我認(rèn)為應(yīng)該用古語命名這些重要的科學(xué)量，這樣它們就可以不經(jīng)改變，直接應(yīng)用于所有現(xiàn)代語言。我建議把S量稱為系統(tǒng)的熵，它源于希臘文，意思是變換。我作出“熵”這名稱，是有意令它和“能”這個詞相近，因?yàn)槎咴谖锢砩系囊饬x既然有密切關(guān)系，那么名稱相似應(yīng)該是好的。

2.法拉第——麥克斯威的電磁場論

這種理論最初由麥克斯威（Maxwell,1831-1879）在1855-1865年間以方程式形式表述出來。愛因斯坦曾這樣形容它：“法拉第和麥克斯威的電場理論可能是牛頓以來物理學(xué)基礎(chǔ)最深遠(yuǎn)的轉(zhuǎn)變”。

3.由麥克斯威、吉布斯（Gibbs,1839-1903）和波茲曼（Boltzmann,1844-1906）等人的工作而建立的統(tǒng)計(jì)力學(xué)

由于這些發(fā)展，物理學(xué)能夠精確地解釋許多有關(guān)機(jī)械、熱、光和電的現(xiàn)象，而它的巨大成功又倒過頭來加強(qiáng)了當(dāng)時盛行的、涵蓋了全部物質(zhì)結(jié)構(gòu)的機(jī)械觀。

然而，到了十九世紀(jì)末，大家已清楚看到，盡管當(dāng)時已知的物理原理，即日后統(tǒng)稱為“經(jīng)典物理學(xué)”的，地位如麗日中天，但其實(shí)有不少令人迷惑的新現(xiàn)象，諸如X射線、放射性等等，是它無法解釋的。偉大的數(shù)學(xué)家龐加萊（Henri Poincare,1854-1912）在1904年的圣路易斯大會演講時，首先回顧物理學(xué)的基本原理，接著縷述這些原理所遇到的無從解決的新難題，然后認(rèn)為只有放棄它們：“滿目瘡痍之中，還有甚么存留的？”

不過，思想墜入絕望深淵，往往就是另一次觀念革命的前奏。事實(shí)上，在同一個大會上，著名物理學(xué)家朗之萬（Paul Langevin，1872-1946）是這樣結(jié)束他的講演的：“巨大的發(fā)展……（將）粉碎舊物理學(xué)的框架，……顛覆建立于現(xiàn)有思想和定律之上的秩序，使物理學(xué)能在一個簡單、和諧、實(shí)用的體系中重新發(fā)展?！?/p>

朗之萬再對不過了！事實(shí)上，1904年的大會之后不到一年，二十六歲的愛因斯坦（Einstein,1879-1955）就發(fā)動了二十世紀(jì)物理學(xué)上三次大革命的第一次。這些革命，使二十世紀(jì)成為概念進(jìn)步最迅速的世紀(jì)。

基本物理學(xué)的三次觀念大革命

1905-1930

第一次觀念大革命是1905年由愛因斯坦提出的狹義相對論，這是有關(guān)空間和時間觀念的基本革命。愛因斯坦并不是第一個探究這問題的人。事實(shí)上，就連在1905年之前已經(jīng)使用了幾年的“相對性原則”這個名詞，也不是愛因斯坦創(chuàng)制的。例如，龐加萊在1904年的大會發(fā)言中就有這么特別的一段話：

根據(jù)相對性原則，無論對靜止不動的或者在作勻速平移運(yùn)動的觀測者來說，物理現(xiàn)象的定律都應(yīng)當(dāng)是一樣的；所以我們沒有，也不可能有任何方法來分辨我們自己是否在作這樣的運(yùn)動。

但所有在愛因斯坦之前的學(xué)者，包括龐加萊在內(nèi)，都沒有擊中問題要害，即時間上的“同時性”這一概念本身也是相對的。在這之前的學(xué)者，包括數(shù)學(xué)界巨人龐加萊和物理學(xué)界巨人洛倫茲（Lorentz,1853-1928）在內(nèi)，的確都提出過不少有見地的想法，甚至曾經(jīng)寫下那極其重要、現(xiàn)在稱為“洛倫茲變換式”的數(shù)學(xué)變換式，但他們一個個卻全都沒有能夠了解他們自己的講話和自己的算式的真正物理意義。例如，在我們掌握了愛因斯坦的觀點(diǎn)之后，那么無論從哪一個角度來看上面所引龐加萊的一段話，它都是絕對正確的。但在1904年龐加萊還未曾掌握這個新觀點(diǎn)。所以，正如他后來在1909年的講話顯示，他并不了解自己1904年那番話的真義。

愛因斯坦所提出的“同時性是相對概念”這個大膽觀念，使牛頓力學(xué)和麥克斯威電磁理論增加了對稱性，因此它們的結(jié)構(gòu)也就變得更為美妙了。這一個重要觀念我們下文還要再談到。

1905年愛因斯坦發(fā)表了著名的狹義相對論論文幾個月之后，他就同一問題再寫了一篇相當(dāng)短的論文，文中首次出現(xiàn)

E=mc2

這條基本方程式。這大概是物理學(xué)最著名的一條方程式；就實(shí)際影響而言，它的威力肯定是最龐大的。

第二次觀念大革命是1908-1915年間出現(xiàn)的廣義相對論，創(chuàng)始人仍然是愛因斯坦。這是有關(guān)空間和時間觀念的另一次重大革命。愛因斯坦證明，時間與空間是扭曲的，或者彎曲的，而時空曲率則決定重力的物理效應(yīng)。由于愛因斯坦的理論，重力變成了一個可以用極其美妙精簡的數(shù)學(xué)方程來表達(dá)的幾何概念。若要用日常言語來充分描述愛因斯坦創(chuàng)造廣義相對論所反映出的想像力之深廣，是極其困難的。我只能說，有幸領(lǐng)略它的奧妙，是畢生難忘的經(jīng)驗(yàn)。

第三次概念大革命是量子力學(xué)，又稱為波動力學(xué)，它是牛頓力學(xué)中運(yùn)動和空間這兩個基本觀念的重大修正。先前兩次革命基本上都是愛因斯坦一個人發(fā)動的，量子力學(xué)則不然，它是許多物理學(xué)家共同努力的成果。先前兩次革命都關(guān)系到物理定律的理論結(jié)構(gòu)，量子力學(xué)也不然：在1900-1930這三十年困苦的孕育期間，它原本是為解釋當(dāng)時新觀測到的原子、分子、輻射等現(xiàn)象的。十九世紀(jì)后期的技術(shù)進(jìn)步打開了觀測這些現(xiàn)象的大門，但新現(xiàn)象又給物理學(xué)家?guī)砹藝?yán)重和不尋常的挑戰(zhàn)。他們的反應(yīng)是用一連串大膽、精彩但半明不白的觀念，從不同角度對這些觀測結(jié)果的迷陣作戰(zhàn)術(shù)性進(jìn)攻。

這一頁曲折而不尋常歷史的序幕是1900年普朗克（Planck,1858-1947）有關(guān)“黑體”幅射的激進(jìn)構(gòu)想所揭開的。普朗克是一位穩(wěn)健而倍受尊敬的理論物理學(xué)家，發(fā)表了1900年的論文之后，他開始猶疑，并且逐步往后退卻。但年輕的愛因斯坦則認(rèn)為，正確的方向是把普朗克的激進(jìn)構(gòu)想再推進(jìn)一大步，是要比普朗克原先走得更遠(yuǎn)。1905年3月，在發(fā)表狹義相對論論文之前，愛因斯坦寫了一篇論文，提出光量子假設(shè)，認(rèn)為物質(zhì)所釋放和吸收的能，并非如過去所堅(jiān)信的那樣是連續(xù)量，而是以“互相獨(dú)立的能量子”hv為單位的量，其中h是普朗克1900年提出的常數(shù)，v是光波的頻率。佩斯（A. Pais）說，在愛因斯坦所有的偉大貢獻(xiàn)當(dāng)中，只有這個假設(shè)連愛因斯坦自己也稱為是“革命性”的。

而它的確有革命性。到1913年愛因斯坦已經(jīng)成名的時候，普朗克、能斯脫（Nernst）、魯賓斯（Rubens）和瓦爾堡（Warburg）聯(lián)署提名愛因斯坦為普魯士皇家學(xué)院院士，提名函件的結(jié)語是這樣的：

總而言之，我們可以說，現(xiàn)代物理學(xué)中的許多重大問題沒有哪一個是愛因斯坦所未曾作過重大貢獻(xiàn)的。即使他的猜測偶有失誤，就例如他提出光量子假設(shè)那樣，我們也不應(yīng)該因此而對他過分苛求，因?yàn)榧偃缫M(jìn)真正的新觀念，那么即使對精密科學(xué)而言，有時不冒些風(fēng)險也是不成的。

直到1925年之后，光量子假設(shè)才被物理學(xué)家普遍接受。

下一個重要發(fā)展是1913年的玻爾（Bohr,1885-1962）模型，它把普朗克常數(shù)h和原子結(jié)構(gòu)結(jié)合起來。這一卓越的洞見開啟了一個憑借天才各自隨機(jī)應(yīng)變的時代，那是物理學(xué)史上前所未見的。顯然，必須發(fā)現(xiàn)一種嶄新的，可以用于原子尺度的，而且與牛頓力學(xué)關(guān)于運(yùn)動和空間那些牢不可破的觀點(diǎn)相矛盾的物理學(xué)，才有可能解釋大量令人迷惑的原子和分子現(xiàn)象。當(dāng)時出現(xiàn)的大膽、半明不白的想法，一方面產(chǎn)生與實(shí)驗(yàn)相符合的結(jié)果，令人歡欣，另一方面又帶來邏輯上的矛盾，使人墜入絕望深淵。物理學(xué)家奧本海默（Oppenheimer,1904-1967）是在這段思想混亂的時代結(jié)束以后，即1927-1930年間，才成熟的。他后來這樣追述當(dāng)時的情況：

對參加者來說，那是一個原創(chuàng)性的時代。他們所窺見的新天地既帶來興奮，也帶來恐懼。這里面的情節(jié)，恐怕是歷史無從備載的了。若真要以信史形式使之重現(xiàn)，那么須得有刻劃俄狄浦斯王或克倫威爾將軍故事那樣的妙筆才成。然而，一個距離人類日常經(jīng)驗(yàn)?zāi)敲催b遠(yuǎn)的領(lǐng)域，恐怕并不是詩人史家所能知曉的。

這些發(fā)展達(dá)到高潮，是在1925-1927年間量子力學(xué)取代牛頓力學(xué)，成為解釋空間與運(yùn)動的物理原理時。對宏觀事物來說，牛頓力學(xué)還是適用的，它也是量子力學(xué)的準(zhǔn)確近似理論。但對微觀事物如分子、原子、亞原子粒子等來說，牛頓力學(xué)便不再適用，必須用量子力學(xué)了。量子力學(xué)就是分子、原子和亞原子尺度事物的物理學(xué)。它的驚人發(fā)展主要?dú)w功于海森堡（Heisenberg,1901-1976）、薛定諤（Schrodinge,1887-1961）和狄拉克（Dirac,1902-1984）三位大師。量子力學(xué)的出現(xiàn)，產(chǎn)生了極其深刻的觀念變革：它鏟除了主宰十九世紀(jì)思維的機(jī)械決定論世界觀，它又通過奧妙、復(fù)雜的思考，并引進(jìn)似乎與常識抵觸的觀念，來厘清所謂“觀測”的意義。

物理學(xué)的進(jìn)展

1930—1990

在1930年之后，借著新的空間、時間和運(yùn)動觀念，以及新技術(shù)發(fā)展的助力，物理學(xué)對物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的奧秘展開了迅速、深入和廣泛的探索。這些發(fā)展在二次世界大戰(zhàn)期間對軍事科技產(chǎn)生了重大和明顯的影響，并且因此令世界所有國家都急劇增加撥款支持各門科學(xué)研究，尤其是物理學(xué)。

這種科學(xué)——社會之間的連鎖發(fā)展，無疑將成為人類歷史上極其重要的一章。它一個后果就是令二十世紀(jì)物理學(xué)發(fā)展的速率，比前幾世紀(jì)提高了一個數(shù)量級，而物理學(xué)研究者的數(shù)目，則提高了好幾個數(shù)量級。同時，物理學(xué)研究的對象也發(fā)生了顯著變化。在十九世紀(jì)，物理學(xué)主要研究物質(zhì)的整體，而二十世紀(jì)物理學(xué)所研究的，卻是尺度微小得多的物質(zhì)。因此，我們一般把前幾世紀(jì)的物理學(xué)稱為宏觀物理學(xué)，把二十世紀(jì)的物理學(xué)稱為微觀物理學(xué)。

概括來說，當(dāng)今的物理學(xué)可分為四個領(lǐng)域：固體和液體物理學(xué)、原子和分子物理學(xué)、核物理學(xué)和基本粒子物理學(xué)（包括基本理論）。按順序來說，這四種物理學(xué)的研究對象是越來越微小的物質(zhì)單位。除了部分固體和液體物理學(xué)之外，這四個領(lǐng)域所探究的問題都是十九世紀(jì)聞所未聞的。

1.固體和液體物理學(xué)

以物理學(xué)者的數(shù)目或刊行的論文數(shù)量而言，它肯定是四個領(lǐng)域之首。它研究的對象——固體和液體，自然在前幾個世紀(jì)已經(jīng)被廣泛研究過，但量子力學(xué)完全改變了這個領(lǐng)域，因此我們對許多不同形態(tài)的固體和液體的機(jī)械、熱與電磁性質(zhì)，以及這些不同形態(tài)之間的變換，都得到更深刻的了解。這種了解又轉(zhuǎn)而成為新物質(zhì)和發(fā)展新技術(shù)的基礎(chǔ)。這些技術(shù)中尤其重要的是晶體管，它的誕生令電腦和通訊業(yè)得以建立，而后者又反過來有力地推動了科學(xué)進(jìn)步。

“科學(xué)—技術(shù)—科學(xué)—技術(shù)”這一循環(huán)，是近代科學(xué)和技術(shù)史中的一個基本模式，但循環(huán)之迅速卻是二十世紀(jì)的特有現(xiàn)象。這一點(diǎn)我們在下文還要談到。

當(dāng)代固體物理學(xué)的一個特征，是它所研究的物體尺度越來越細(xì)小。這個方向的發(fā)展十分驚人：二十世紀(jì)初，原子存在與否還在爭論之中，但今天我們已可以拍下（當(dāng)然，要用特殊的顯微鏡）清晰可見的個別原子照片。在最近的實(shí)驗(yàn)中我們甚至能夠把個別原子檢起來，將之移動，以形成人工設(shè)計(jì)的圖案。要體會這種技術(shù)多么神奇，我們得記住原子是那么微小，在一根頭發(fā)的直徑上，就可以排列一百萬顆原子。

2.原子和分子物理學(xué)

沿著二十世紀(jì)初年的傳統(tǒng)，原子、分子和輻射方面的研究，在1925年之后繼續(xù)取得重大進(jìn)展，其中一個深刻發(fā)現(xiàn)，就是根據(jù)量子力學(xué)創(chuàng)立了化學(xué)鍵的理論。這項(xiàng)成就，使得化學(xué)科學(xué)為之全部改觀?？梢哉f，化學(xué)的基礎(chǔ)已經(jīng)弄清楚了——那就是量子力學(xué)中的薛定鍔方程式。原子和分子的研究帶來了許多重大技術(shù)突破，微波激射器（maser）和激光（laser）是特別重要的例子。

上文說過，現(xiàn)在已經(jīng)可以在越來越小的尺度作固體和液體研究。我們不妨預(yù)言，在未來數(shù)十年間，固體液體物理學(xué)終究會和原子分子物理學(xué)合并。這種發(fā)展隱含著各種令人目瞪口呆的可能性。就理論而言，微觀和宏觀物質(zhì)的界線將逐漸泯滅，由是量子和經(jīng)典物理學(xué)之間那神秘而又基本的區(qū)分將被了解得更透徹。就實(shí)用而言，人類在可控情況下操縱物質(zhì)的能力將大大提高，產(chǎn)生有助工業(yè)發(fā)展和科學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)步的技術(shù)突破。

3.核物理學(xué)

分子和原子尺度大約是一厘米的一億分之一。在原子的中心是原子核，它的尺度大約是原子的一萬分之一。像原子核這樣細(xì)微個體的存在，是1911年偉大的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家路透福特（Rutherford,1871-1937）所作的實(shí)驗(yàn)第一次確實(shí)顯示的。這個重要發(fā)現(xiàn)影響深遠(yuǎn)，它后來就成為上文已提到過的玻爾原子模型的基礎(chǔ)。從30年代初開始，通過原子核互撞或被電子撞擊的實(shí)驗(yàn)，就可以研究原子核的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這樣，核物理學(xué)誕生了。當(dāng)然，早在十九世紀(jì)末，就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)放射性這種核現(xiàn)象，但只有到30年代初期核子加速器建成后，我們才能系統(tǒng)地研究原子核的性質(zhì)。在30和40年代，核物理學(xué)取得驚人進(jìn)展，其中一項(xiàng)就是了解到小原子核的聚變（fusion）是太陽和恒星能量的來源。

后來在1938年發(fā)現(xiàn)了重核可以經(jīng)過裂變（fission）而釋放出大量能量。這個科學(xué)發(fā)現(xiàn)對人類影響之重大，是前所未有的，而第二次世界大戰(zhàn)的爆發(fā)，更提早了它和人類命運(yùn)的碰頭。1945年第一顆原子彈試爆成功后，“原子彈之父”奧本海默說：“物理學(xué)者現(xiàn)在知罪了?！弊鳛槲锢韺W(xué)者，我只能祈求這罪不會導(dǎo)致全人類的滅亡。

核物理學(xué)雖帶來這種戲劇性和沉重的后果，但至今它還處在定性或半定量的階段，離開原來的科學(xué)目標(biāo)仍然遙遠(yuǎn)，這是因?yàn)楹宋锢韺W(xué)的基礎(chǔ)和基本粒子物理學(xué)是分不開的。我們現(xiàn)在就要談?wù)労笳摺?/p>

4.基本粒子物理學(xué)

基本粒子原則上就是原子核的組成部分。在30年代，大家認(rèn)為原子核僅由質(zhì)子和中子組成，后來才弄明白原子核的結(jié)構(gòu)復(fù)雜得多，它里面還有許多其他類別的基本粒子。從50年代初開始，大型加速器建成了，基本粒子物理學(xué)也真正變成物理學(xué)的一個領(lǐng)域?，F(xiàn)在已知道，基本粒子有好幾百種，各有不同的復(fù)雜性質(zhì)。它們彼此互相施力，這力稱為相互作用。

基本粒子物理學(xué)主要目標(biāo)在于研究物質(zhì)的各類構(gòu)成部分，以及它們彼此之間的作用力。這些關(guān)于物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)的探究，是基本物理定律研究的一部分。

過去五十年來，基本粒子物理學(xué)在理論和實(shí)驗(yàn)上有許多重要、美妙和意想不到的發(fā)現(xiàn)，本文限于篇幅無法一一縷述了。但我們要指出，很概括地說，有一個對物理學(xué)長遠(yuǎn)發(fā)展會產(chǎn)生極其深刻影響的主題已經(jīng)出現(xiàn)，那就是自然界的基本力是由對稱這一概念來決定的，這一概念，上文介紹愛因斯坦的狹義相對論時已經(jīng)提及。我曾用“對稱支配相互作用”的原則表達(dá)這主題。我的意思是，物理世界的基本力是由一種美妙而精確界定的幾何性質(zhì)的對稱性決定的。對一個十九世紀(jì)的物理學(xué)者而言，這項(xiàng)原則聽來未免像是希臘或中古神秘主義舊調(diào)重彈。然而，并不是那么一回事。原來，希臘哲學(xué)家由于直覺而執(zhí)迷的一個想法，即對稱（或和諧）是宇宙結(jié)構(gòu)的基本要素，其實(shí)并沒有錯，——只要我們懂得用數(shù)學(xué)準(zhǔn)確地把對稱觀念表達(dá)出來就成了。

總結(jié)

1.從學(xué)術(shù)角度看，二十世紀(jì)物理學(xué)是極成功、極高妙的?？臻g、時間、運(yùn)動和力的革命性觀念已把這門學(xué)問徹底改觀。對物質(zhì)的深入探究推展到越來越細(xì)小的單位，從而顯示出物理定律的普遍性和優(yōu)美的完備性，委實(shí)令人贊嘆不已：

我們漸漸學(xué)會企盼，大自然的秩序是我們所能尋求了解的。

2.上文簡略介紹了二十世紀(jì)物理學(xué)的理論進(jìn)程和實(shí)用效果，但并沒有怎樣提到那些美妙的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這并不是說，二十世紀(jì)物理學(xué)的進(jìn)展和這些實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)沒有重要關(guān)系，事實(shí)上，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是整個物理體系的基礎(chǔ)。但重要的實(shí)驗(yàn)突破實(shí)在不勝枚舉，所以在這篇短文中無法好好討論。

3.空間、時間、運(yùn)動和力的觀念突破，有賴于抽象程度順序增加的各種數(shù)學(xué)，即黎曼幾何、希爾伯特空間、和纖維叢。因此，未來的進(jìn)步恐怕更將依靠其他深奧和抽象的數(shù)學(xué)觀念。大自然何以偏愛抽象的數(shù)學(xué)觀念誠然神秘難測，但數(shù)學(xué)家和理論物理學(xué)家對數(shù)學(xué)推理在物理學(xué)上所發(fā)生的強(qiáng)大影響則是同聲嘆服的。

4.物理學(xué)的進(jìn)步孕育了許多跨學(xué)科的研究，諸如天體物理學(xué)、大氣物理學(xué)、生物物理學(xué)、化學(xué)物理學(xué)、地質(zhì)物理學(xué)、等離子物理學(xué)等等。然而，值得留意的是，盡管物理學(xué)的影響無遠(yuǎn)弗屆，它本身卻并沒有分裂成許多小領(lǐng)域。相對來講，似乎每隔一年便會有一個新的生物學(xué)系在每一所研究性質(zhì)的大學(xué)成立，這些系的名稱有時連生物學(xué)家都弄不清楚。物理學(xué)有這么強(qiáng)的向心力，理由在于這門學(xué)問一方面在擴(kuò)展研究范圍，另一方面又相應(yīng)變得更深刻。這種深刻程度的增加造成一種牢固的單元價值判斷，從而使整個系統(tǒng)環(huán)繞著幾個基本原則團(tuán)結(jié)起來。

5.在二十世紀(jì)中，物理學(xué)研究的規(guī)模大幅度擴(kuò)張了。看來物理學(xué)家所研究的物質(zhì)結(jié)構(gòu)從原子到原子核再到基本粒子，變得越來越小，但所用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備反而越來越大。這似乎很奇怪的現(xiàn)象，是由于量子力學(xué)中的測不準(zhǔn)原理所致。根據(jù)這一原理，要研究越來越微小的距離，就必須用越來越大的能量；要產(chǎn)生更大的能量，便得使用更大的實(shí)驗(yàn)裝置。

6.二十世紀(jì)人類生產(chǎn)力的驚人增長，在很大程度上是基于我們對物理世界知識的增長。1902年美國的人均用電量（這是人均生產(chǎn)力的一個好指標(biāo)）是76kW·h，在1987年相應(yīng)數(shù)字則是10000kW·h，增加了130倍！當(dāng)然，這激增有許多重要因素，其中最基本的一項(xiàng)則是由于我們掌握了電磁學(xué)原理。

除了上述對人類社會明顯的重大影響之外，物理學(xué)的進(jìn)展在二十世紀(jì)中葉還產(chǎn)生了科學(xué)與社會之間相互作用的一個新向度。如上文提及，這是人類歷史上極為重要的發(fā)展。現(xiàn)在二十世紀(jì)快要過去了，人類面臨許多新問題，例如天然資源的枯竭、環(huán)境污染等等。要為之而發(fā)展相應(yīng)的科技能力，顯然會使未來的物理學(xué)家更接近社會問題。

7.物理學(xué)和技術(shù)之間的迅速反饋循環(huán)，是二十世紀(jì)一個明顯的現(xiàn)象。我們只要想到用電量的大幅度增加、通訊工業(yè)以至電腦工業(yè)的誕生，便會了解現(xiàn)代社會多么依賴物理學(xué)研究的最新進(jìn)展。而“物理—技術(shù)一物理”循環(huán)的速度已大大增加了。附表顯示，由發(fā)現(xiàn)電動機(jī)的原理到第一次使用電動機(jī)需時六十五年；但對激光來說，所需時間只不過是兩年而已。雖然很難設(shè)想，這循環(huán)時間可以再大大縮短，但每年成熟、面世的重要新技術(shù)肯定會繼續(xù)增加。這些我們今日連其名稱都還無從想像的未來技術(shù)將要對二十一世紀(jì)人類的命運(yùn)發(fā)生深遠(yuǎn)影響。

本文原載香港《二十一世紀(jì)》雜志1990年創(chuàng)刊號。征得作者同意在本刊轉(zhuǎn)載。

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