馮 端

(南京大學(xué) 物理學(xué)院,南京 210093)

3 學(xué)科的前沿與展望

下面我們來討論有關(guān)學(xué)科前沿與展望這方面的問題。

3.1 物質(zhì)結(jié)構(gòu)層次化的結(jié)果

當(dāng)代物理學(xué)的研究表明，物質(zhì)結(jié)構(gòu)在尺度上和能量上都呈現(xiàn)不同的層次(見圖1)。明確了物質(zhì)結(jié)構(gòu)的不同層次之后，當(dāng)代物理學(xué)的分支學(xué)科如何劃分的問題，也就迎刃而解了(見圖2)。最微小(也是能量最高)的層次是粒子物理學(xué)(也稱為高能物理學(xué))，然后是原子核物理學(xué)，再上去就是原子物理學(xué)和分子物理學(xué)。原子或分子聚集起來構(gòu)成了不同的聚集相：氣相、液相和固相，乃至于固液之間的中介相，如液晶、復(fù)雜流體與聚合物等軟物質(zhì)。另一類氣相(由宏觀中和的正負(fù)帶電粒子所構(gòu)成的)就是等離子體，相應(yīng)的是等離子體物理學(xué)。大尺度的固體與流體運(yùn)動的研究歸結(jié)為固體力學(xué)與流體力學(xué)。聚集相的復(fù)雜組合構(gòu)成了巖石、土壤、河流、山脈、湖泊、海洋及大氣等，成為地球物理學(xué)的研究對象：而細(xì)胞、器官、植物、動物及人體構(gòu)成了生物物理學(xué)的研究對象。繼續(xù)擴(kuò)大物質(zhì)研究的空間尺度，就引導(dǎo)到空間物理學(xué)和行星物理的領(lǐng)域。進(jìn)而包括太陽、恒星、星系、星系團(tuán)，乃至于整個宇宙，都構(gòu)成了天體物理學(xué)和宇宙論的內(nèi)容。在這里似乎遺漏了一些傳統(tǒng)物理學(xué)的分支學(xué)科，如光學(xué)與聲學(xué)。目前的情況是，它們的部分內(nèi)容正在朝向偏重技術(shù)的工程學(xué)科轉(zhuǎn)化，而另一部分則和某些結(jié)構(gòu)層次的物理學(xué)相結(jié)合。例如光物理學(xué)就和原子與分子物理學(xué)密不可分，也和凝聚態(tài)物理學(xué)關(guān)系密切；而物理聲學(xué)則與凝聚態(tài)物理學(xué)及固體與流體力學(xué)密切相關(guān)。

圖1 物質(zhì)結(jié)構(gòu)的不同層次

圖2 物理學(xué)不同分支學(xué)科與所研究結(jié)構(gòu)的尺度

從物質(zhì)結(jié)構(gòu)層次化的圖表來看，物理學(xué)的主要空白區(qū)域突出地顯示為圖表的底部和頂部。其一是尺度上最最微小但能量最高的世界，對應(yīng)的學(xué)科為粒子物理學(xué)(亦稱高能物理學(xué))；其二是最最宏大的世界，即天體與宇宙，對應(yīng)的學(xué)科為天體物理學(xué)與宇宙論。這兩者，表面上看來，南轅北轍，結(jié)果卻殊途同歸，有合二為一的趨向，奇妙地體現(xiàn)了大與小辯證的統(tǒng)一。粒子物理學(xué)所面臨的挑戰(zhàn)在于探索更加細(xì)微尺度下，也就是更高能區(qū)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的規(guī)律，希望能夠超越現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)模型，追求相互作用的進(jìn)一步統(tǒng)一。而宇宙大爆炸的標(biāo)準(zhǔn)模型則表明早期的宇宙是處于超高能的狀態(tài)。因而高能物理學(xué)的研究，從某種意義上來說，是對宇宙進(jìn)行考古學(xué)的研究。提高研究的能量范圍，就等于追溯到更早期的宇宙。高能物理和天體物理的實(shí)驗(yàn)研究都屬于大科學(xué)的范疇。大科學(xué)威風(fēng)凜凜，但大也有大的難處，正如《紅樓夢》中王熙鳳所說的。大科學(xué)所面臨的問題在于如何持續(xù)地獲得社會的支持。在冷戰(zhàn)時期，巨型加速器成為國力的象征，理所當(dāng)然地得到了國家的支持。冷戰(zhàn)以后，情況顯然有所不同，需要考慮這類基礎(chǔ)科學(xué)研究的社會效益問題。美國超級超導(dǎo)對撞機(jī)的下馬似乎暗示了：即使像美國那樣的富裕發(fā)達(dá)國家，對大科學(xué)項(xiàng)目的支持還是有條件的?？磥斫窈蟮某雎吩谟谧邍H合作的道路。對這兩個前沿而言，目前是機(jī)遇和挑戰(zhàn)并存。

除了這兩個很明顯的前沿外，應(yīng)該還存在一個前沿問題，即存在于結(jié)構(gòu)層次之間，總的說來，就是朝復(fù)雜物質(zhì)展開：固體物理早期所研究的多半是簡單的物質(zhì)。在進(jìn)一步研究中，方始接觸到比較復(fù)雜的物質(zhì)，當(dāng)中蘊(yùn)含有許多尚待發(fā)展、挖掘的物性。下面以半導(dǎo)體為例作些說明。最簡單的硅，研究得最清楚，應(yīng)用得最廣泛；然后是復(fù)雜一點(diǎn)的砷化鎵這類化合物半導(dǎo)體(Ⅲ—Ⅴ族與Ⅱ—Ⅵ族)；更進(jìn)一步就涉及結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜的聚合物半導(dǎo)體。近年來，聚合物半導(dǎo)體研究十分引人注目，已能做出聚合物晶體管來。當(dāng)然，聚合物的集成電路在當(dāng)前還不能與硅片競爭，但它有廉價、容易制備的優(yōu)點(diǎn)，因而可以在其他方面發(fā)展。由聚合物，我們想到人的大腦問題，大腦里頭并沒有硅片，但大腦思維復(fù)雜程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)代大型計(jì)算機(jī)。故從簡單物質(zhì)的研究到復(fù)雜物質(zhì)的研究的發(fā)展過程中，物理學(xué)應(yīng)該是大有用武之地的。所以我們可以認(rèn)定，除了前面兩個(實(shí)際上已經(jīng)合二而一了的)前沿外，應(yīng)該還存在另一個物理學(xué)前沿，即探討復(fù)雜物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與物性。

3.2 復(fù)雜與簡單的辯證關(guān)系

下面討論一下復(fù)雜與簡單的辯證關(guān)系問題，這里牽涉一點(diǎn)哲學(xué)觀點(diǎn)的問題。因?yàn)槲锢韺W(xué)所研究的是一些最基本的問題，所以在探索和深入到一定程度后，某些哲學(xué)觀點(diǎn)就會呈現(xiàn)出來了。

物理學(xué)家慣用的一個觀點(diǎn)往往是還原論。所謂還原論，就是將世界分成許多小的部分，每一部分研究清楚了，最后拼起來問題就解決了。這個觀點(diǎn)是很自然的，物理學(xué)家過去受到的是這個訓(xùn)練，基本上就接受這一觀點(diǎn)。有很多著名的科學(xué)家支持這個觀點(diǎn)，鼎鼎大名的愛因斯坦就講過:“物理學(xué)家的無上考驗(yàn)在于達(dá)到那些普適性的基本規(guī)律，再從它演繹出宇宙”。這可以說是愛因斯坦的雄心壯志，也是幾代物理學(xué)家抱有的看法，就是說，如果我們把世界基本規(guī)律搞清楚了，那么就一切事情都解決了。下面是著名理論物理學(xué)家狄拉克講的話，他講這一段話的時候正好是在量子力學(xué)初步建立之后，他說:“現(xiàn)在量子力學(xué)的普遍理論業(yè)已完成，作為大部分物理學(xué)與全部化學(xué)的物理定律業(yè)已完全知曉，而困難僅在于把這些定律確切應(yīng)用將導(dǎo)致方程式太繁雜而難以求解”。他的意思是基本的物理規(guī)律已經(jīng)知道了，下面似乎就是一個求解的問題，至于求解，由于方程過于復(fù)雜，似乎有些問題還解不出來。

盡管有許多物理學(xué)家是抱有這類觀點(diǎn)，但現(xiàn)在來看問題似乎不這么簡單，基本規(guī)律知道了，具體規(guī)律是不是就一定能夠推出來，這個問題一直是有爭議的。19世紀(jì)有一種極端的意見，就是所謂實(shí)證論的觀點(diǎn)，以奧地利科學(xué)家馬赫為代表，馬赫也是個哲學(xué)家。他認(rèn)為物理學(xué)家只要追求宏觀物體之間的規(guī)律，去搞清微觀的東西似乎沒有用處，且微觀是否存在，分子、原子是否存在，他一概采取否定的態(tài)度。顯然這類觀點(diǎn)過于極端。實(shí)際上應(yīng)該看到，物質(zhì)結(jié)構(gòu)存在不同的層次，層次與層次之間是有關(guān)聯(lián)的，有耦合的，因此，我們需要理解更深層次的一些規(guī)律。譬如遺傳問題(這當(dāng)然不是純粹物理學(xué)問題)，可以從生物現(xiàn)象上求規(guī)律。早在19世紀(jì)，門德爾就總結(jié)了豌豆的遺傳規(guī)律，這是個非常重要的基本規(guī)律，但為什么造成這個規(guī)律呢?顯然跟遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)有關(guān)。最關(guān)鍵的一步在于，1952年左右，生物學(xué)家華森(J. Watson)和晶體學(xué)家克里克(F.Crick)在英國卡文迪什實(shí)驗(yàn)室把DNA分子結(jié)構(gòu)辨認(rèn)了出來(在某種意義上是猜出來的)。這使我們曉得，遺傳規(guī)律與DNA分子結(jié)構(gòu)中某些單元的排列順序有關(guān)，也就是說，在分子結(jié)構(gòu)中有個密碼存在，這密碼規(guī)定了遣傳情況，如果密碼改變，遺傳情況也就改變了。由此可以看到，分子結(jié)構(gòu)與遺傳物質(zhì)這兩個不同層次之間存在耦合的問題，理解了分子層次的結(jié)構(gòu)，就把遺傳規(guī)律基本上搞清楚了。再如，固體的導(dǎo)電問題，牽涉到電子在固體中的行為問題，如果我們把電子在固體中的行為搞清楚了，那么對固體為什么導(dǎo)電，為什么有的是半導(dǎo)體，有的是超導(dǎo)體這一類問題就都可以給出一個解釋來。 這就有利于推動我們?nèi)パ芯繉?dǎo)電現(xiàn)象，以及利用這些現(xiàn)象做出晶體管來，做出集成電路來，做出超導(dǎo)的約瑟夫森結(jié)，來為人類服務(wù)。這就說明層次與層次之間存在耦合現(xiàn)象。另一方面，層次與層次之間也存在脫耦現(xiàn)象。所謂脫耦現(xiàn)象，就是下一個層次的現(xiàn)象對上個層次未必有重要關(guān)系。例如，近年來粒子物理有一個重要的發(fā)現(xiàn)，就是1995年發(fā)現(xiàn)了頂夸克，這在粒子物理是件大事，因?yàn)樵O(shè)想的幾種夸克，包括最后一種頂夸克也都發(fā)現(xiàn)了。但是頂夸克的發(fā)現(xiàn)對固體物理或凝聚態(tài)物理有沒有可以觀察到的影響呢?沒有，到現(xiàn)在為止，似乎一點(diǎn)影響也沒有。這表明，層次跟層次之間，在某些情況下，存在脫耦。我們說粒子物理的進(jìn)一步發(fā)展，對本身，對理解粒子的性質(zhì)和宇宙早期的問題，具有極大的重要性，但是，它的發(fā)展，對理解相隔了好幾個層次的物質(zhì)，就喪失了重要性。再如，原子核的殼結(jié)構(gòu)對遺傳有沒有影響呢? 一般說來看不出太大的影響。這就是層次之間既存在耦合，又存在脫耦，而且大量粒子構(gòu)成的體系往往有新的規(guī)律。

我們來看看另外一個觀點(diǎn)，所謂層創(chuàng)論的觀點(diǎn)。這里是著名凝聚態(tài)理論學(xué)家安德森(P.W. Anderson)講的一段話:“將一切事物還原成簡單的基本規(guī)律的能力，并不意味著我們有能力從這些規(guī)律來重建宇宙，當(dāng)面對尺度與復(fù)雜性的雙重困難時，構(gòu)筑論的假設(shè)就被破壞了。大量的復(fù)雜的基本粒子的集體，并不等于幾個粒子性質(zhì)的簡單外推”。也就是說我們知道兩三個或四五個粒子的規(guī)律，并不能說明1020或1024個粒子的集體的規(guī)律，在每一種復(fù)雜的層次上，會有完全新的性質(zhì)出現(xiàn)，而且對這些新的性質(zhì)的研究，其基本性并不亞于其他研究。 也就是說物質(zhì)結(jié)構(gòu)存在不同的層次，而層次跟層次之間，往往到上一個層次就有新的規(guī)律出現(xiàn)，對這些新的規(guī)律的研究，本身也具有基本性。

另外，要引一段卡達(dá)諾夫(L.P. Kadanoff)的講話。他說:“我在這里要反對還原論的偏見，我認(rèn)為已經(jīng)有相當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)表明物質(zhì)結(jié)構(gòu)有不同的層次，而這些不同層次構(gòu)成不同群落的科學(xué)家研究的領(lǐng)域，有一些人研究夸克，另外一些人研究原子核，還有的研究原子、分子生物學(xué)，遺傳學(xué)，在這個清單中，后面的部分是由前面部分構(gòu)成的，每一個層次可以看成比它前面的好像低一些，但每一個層次都有新的、激動人心的、有效的、普遍的規(guī)律，這些規(guī)律往往不能從所謂更基本的規(guī)律推導(dǎo)出來。從最不基本的問題向后倒推，我們可以看到一些重要的科學(xué)成果。像門德爾的遺傳律與DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，量子力學(xué)與核裂變，誰是最基本的?誰推導(dǎo)誰?要將科學(xué)上的層次分高低的話，往往是愚蠢的，在每一層次上都有的普遍原則中，都會出現(xiàn)宏偉的概念”。重要的是要認(rèn)識到各個層次之間既有耦合，也存在脫耦。 并非是探究清楚最微觀層次的規(guī)律，就可以把世界上的問題全部解決。近年來有一種提法，說粒子物理面臨新的挑戰(zhàn)，要建立一種所謂“萬事萬物的理論”。有些科學(xué)家說粒子理論現(xiàn)在已經(jīng)建立了標(biāo)準(zhǔn)模型，然后下一步就希望建立萬事萬物的理論。進(jìn)行這類嘗試是完全應(yīng)該的，要向未知領(lǐng)域再推進(jìn)! 但一定要采取辯證的觀點(diǎn)來對待這一問題。即使這個理論取得進(jìn)展，也并不意味著萬事萬物的問題就可以迎刃而解了。應(yīng)該說物理學(xué)現(xiàn)在還是很有生命力的科學(xué)，但并不意味著要把它的全部命運(yùn)都跟萬事萬物理論聯(lián)系在一起，而是有很多新的發(fā)展余地。

3.3 物理學(xué)的開放性

物理學(xué)一直是一門生氣勃勃的學(xué)科，這和它具有高度的開放性是密切相關(guān)的。它和技術(shù)并沒有截然的分界線，它和其他的自然科學(xué)也沒有截然的分界線。它的門戶總是開放的，鼓勵跨學(xué)科的交流與溝通。

物理學(xué)和技術(shù)關(guān)系密切。當(dāng)今的許多工程學(xué)科都是植根于經(jīng)典物理學(xué)的某一分支，而20世紀(jì)的物理學(xué)進(jìn)而誘發(fā)許多新興的技術(shù)科學(xué)，如原子能技術(shù)、微電子技術(shù)、光電子技術(shù)等。即使像高能物理學(xué)那樣的以基礎(chǔ)研究為主的學(xué)科，由于它采用了大量和高技術(shù)有關(guān)的研究手段，因而并不出人意料之外，它會對當(dāng)代信息、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作出重要的貢獻(xiàn)。

另外，在促進(jìn)進(jìn)交叉學(xué)科方面，物理學(xué)也大有可為。物理學(xué)是嚴(yán)格的定量科學(xué)。盧瑟福有句戲言“ 一切科學(xué)，要么是物理學(xué)，要么就是集郵術(shù)”，顯然已經(jīng)不適合當(dāng)代的情況。其他的自然科學(xué)早已擺脫了類似于集郵術(shù)的情況，在定量化方面，向物理學(xué)靠擾。20 世紀(jì)的化學(xué)是鞏固地建立在量子力學(xué)基礎(chǔ)上的，和物理學(xué)已密不可分，有許多共同的研究對象。當(dāng)然在觀點(diǎn)上的差別還是有的，正如著名化學(xué)家赫許巴赫(D. Herschbach)所指出的，“典型化學(xué)家高于一切的愿望是理解為什么一種物質(zhì)和其他物質(zhì)行為不同；而物理學(xué)家則通常期望尋找出超出特定物質(zhì)的規(guī)律”，正好使雙方的研究互相補(bǔ)充?，F(xiàn)代生物學(xué)早已面目一新，將它的基礎(chǔ)建立在分子生物學(xué)上。而分子生物學(xué)本身就是誕生在盧瑟福的后繼者主持的劍橋大學(xué)卡文迪什實(shí)驗(yàn)室.生物學(xué)的面貌顯然已大為改觀。正如著名生物學(xué)家吉爾勃特(S. W. Gilbert)所說的，“傳統(tǒng)生物學(xué)解決問題的方式是完全實(shí)驗(yàn)的。而正在建立的新模式是基于全部基因都將知曉，并以電子技術(shù)可操作的方式駐留在數(shù)據(jù)庫中，生物學(xué)研究模式的出發(fā)點(diǎn)應(yīng)是理論的。一個科學(xué)家將從理論推測出假定，然后回到實(shí)驗(yàn)中去，追蹤或驗(yàn)證這些假定”。看來物理學(xué)家在交叉科學(xué)方面尚大有可為。