周光召的管理 周光召:如何发展中国的理论物理

理论物理在20世纪发挥了重要作用 20世纪是物理学的世纪,而理论物理在20世纪的物理学以及相关的学科方面发挥了非常重要、可以说是极其光辉的作用。 20世纪最重要的发现是相对论和量子力学,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、化学等领域产生了深刻影响。原子核物理、基本粒子物理、激光物理、量子化学、分子物理等,都受到了20世纪这两个最伟大发现的影响。而理论物理学家在发展从原子核、基本粒子到激光物理这些领域中都起了重要作用。

理论物理学发展的很多思想和方法在多个领域现都被应用。1990—2003年的诺贝尔物理学奖14个奖中,4个是理论物理学家获得。 发展理论物理的条件 我想通过量子力学的发现来说明理论物理发展需要什么条件。

量子力学发现过程中的环境、学术风气之好,是20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产生的,一战后相当一段时间内,德国科学家在世界上被排挤,所有国际会议都不邀请他们出席,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他们。

只有爱因斯坦例外,爱因斯坦当时虽然在德国工作,但是他早就放弃德国国籍加入了瑞士国籍。德国科学家当时在国际上相当孤立,替他们打抱不平的只有爱因斯坦。

有一次国际会议在荷兰召开,由于其他德国科学家都没有接到邀请,爱因斯坦就拒绝参加,他觉得在那种困难的条件下要保护德国科学家。 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,量子力学还是在格丁根、慕尼黑以及丹麦的哥本哈根这几个地方发展起来,最后在格丁根集大成。在其发展过程中,有几点特别值得注意。 第一是培养了一大批杰出的青年科学家。

最值得称道的是慕尼黑大学的索末菲教授,他培养了海森伯和泡利这两位最优秀的理论物理学家,当时他们20岁左右。他采取的培养政策不是留在自己身边,海森伯研究生没有毕业就被送到格丁根大学玻恩教授那里,玻恩是诺贝尔奖获得者。

海森伯在格丁根呆了一年后,又到哥本哈根的玻尔教授处呆了一年。1922—1924年,海森伯在做研究生的三年中,经历了三个学术空气不同的地方,受到不同的训练。海森伯自己认为,他在三个地方受到的训练对他的成长十分有用,向索末菲学会了要攻克难题。

当时旧量子论中最困难的问题是考虑相对论的原子光谱,这是索末菲解决的,在旧量子论中,索末菲的学术成就很高,理论物理技巧的水平恐怕也是最高的。到了格丁根,他学了很多数学,格丁根当时是德国的数学中心,大数学家希尔伯特就在那里,玻恩的数学也非常好。

在哥本哈根跟玻尔学会了物理思维方法。海森伯受到了多方面的训练,1925年从哥本哈根回到格丁根以后,他做出了矩阵力学这个划时代的量子力学的结果,那时他才25岁左右。

不久,在格丁根的薛定谔也发现了波动力学。 第二是当时学术争论非常激烈。争论主要由爱因斯坦和玻尔引起,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,只注重怎么解释观察到的现象,只要能解释这些现象,他基本上就认为是一个好的理论,并不追问最后是不是符合认识论的最基本观点。

爱因斯坦不同,他坚决相信存在一个真实的客观世界,这个世界是有必然规律的。

爱因斯坦对量子论的贡献一直到1924年为止都非常领先。他在1905年解释光电效应,提出了光既是粒子又是波动这个问题,他当时建议:所有物质的振动都应该量子化,成功地解释了固体的比热。他说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,除了一个例外。

1924年,印度一位中学教师玻色,用了一个新办法推导普朗克的辐射规律,但他的文章未被杂志接收,就寄给爱因斯坦,希望爱因斯坦把它推荐给德国的杂志。

爱因斯坦看了后觉得很好,就和玻色合作写出了著名的关于玻色-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,每一次都争论得非常厉害。

我想这种争论对双方都起了很大作用,也给下一代的学生带来很大影响。所以海森伯就敢和玻尔争论,玻尔比他年纪大很多,相当于他的老师;泡利更不必说了,泡利是有名的愿意批评别人的人,当时对什么东西都要给予他个人的评价。

泡利是少有的聪明人,在19岁还是学生时,就写了一篇精彩的广义相对论的总结文章。我当学生时读过这篇文章,它可以说是学习相对论的人必读的一篇文章。他和海森伯是同学,非常友好。海森伯每做一个工作,必须得到泡利的同意才能放心,如果泡利不同意,海森伯心里就打鼓:这个东西到底是对还是不对。

泡利也会做出错误的判断,1956年,他认为杨振宁和李政道的宇称不守恒不可能。当时争论的气氛非常热烈,这种争论气氛没有任何顾忌,我想是促使当时理论物理能够快速发展的原因之一。

而且因为争论,对薛定谔才有影响,因为他不赞成哥本哈根那套哲学,所以去发展了波动力学的理论。那时爱因斯坦支持薛定谔,玻尔和海森伯站在一起,但是他们两个也还有争论,争论是因为玻尔更看中他的互补原理。

我是想说明,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、在年轻的和年长的科学家之间,有真正的毫无保留的学术批评和学术争论,只有在争论的过程中真理才能越辩越明,即使是反对的意见,到后来也可能产生新的科学成果。

因此,就学术环境而言,第一要有个规模在临界以上的研究群体;第二这个群体必须要真正能够展开学术争论和学术批评;第三要有一些帅才,要有一些特别杰出的个人,青年科学家要发挥重要的作用。

其实欧洲从20世纪开始,像相对论和量子力学,都是一些年轻的、最杰出的科学家起主导作用。普朗克40岁发现量子论,爱因斯坦26岁做出最重要的贡献,玻尔提出原子论时也就30多岁,量子力学建立起来时,海森伯、泡利、狄拉克都是20多岁,薛定谔大概30、40岁左右。

怎么让一些特别杰出的人才能够被发现,能够成长,是今天的中国科学能不能快速发展的一个重要因素。

今年是国际物理年,我想主要是纪念爱因斯坦和量子论。1905年是爱因斯坦创造奇迹的一年,他发表了四篇具有划时代意义的文章。假定中国有个小孩也具有和他一样的素质,恐怕比他还要难于在社会上生存。

因为他是极端崇尚自由的人,想干什么就干什么,他要念自己喜欢的书,不愿意去听老师的课,这样的学生在中国目前的教育制度下,不在中学被淘汰,就在大学被淘汰,我想这样的人在中国的研究机构恐怕也不会受欢迎。 第三是如何培养能够带领整个队伍迈向一个新台阶的帅才,哪怕很少数。

我觉得这是一个难题,现在我们很多体制非常固定,在早期,清华大学当年可以发现华罗庚,不考试就调他到学校来,先做图书馆管理员,再培养成才。我不能想象今天的清华还能不能做得出这种事情?所以在目前体制下,如何发现人才,特别是那些比自己更优秀的人才,是一个在学校或在研究所里工作的教授应当注意的一件事。

由于没有带头的人才,我们现在很多研究方向比较分散。

因为要选择一个正确的方向,需要有创造性的直觉,做出具有前瞻性的选择,这不是多数人能够做到的。现在我们固然发表了很多文章,但真正有影响的工作不多,更不用说能够达到世界最高水准了。一般讲,要酝酿出高水准文章需要比较长一点的时间,爱因斯坦酝酿相对论也有很长时间,在高中就念了很多相关文章,大学里也一直思考这个问题,并不是突发灵感得来的。

他在自述中说过,他想相对论有关问题时非常不易,甚至脑筋也发生了混乱。

现在假定每年都要发表几篇文章,第二年才能够生活下去的话,显然就不可能全力以赴攻难题。 此外,现在的年轻人也要注意自身问题。爱因斯坦对生活的要求非常低,即使成名以后对生活的要求还是非常低,普林斯顿请他做教授,他说最多需要三千美金的工资。

普林斯顿校长说,这怎么行呢,这么大一个科学家,三千美金太不相称了,反复交谈后确定了他的工资大约是一万六千多美金。如果没有很高的精神境界,而且能够始终献身科学,乐于艰苦的生活,就不可能为了既定的目标去奋斗,集中精力去取得成功。

中国什么时候能够得到诺贝尔奖,我觉得这是没有太大意义的问题。从某种意义上讲,如果中国经济越发展,经费越多,科研条件越好,培养的优秀人才越多,总会有人得奖。

但是得奖人出在哪儿,完全是偶然的,也可能中国第一个诺贝尔奖由一个偏远小城市里的科学家得,我认为那里的科学家会更加努力、更加献身,少受环境的诱惑,而集中精力坚持奋斗,取得成就的可能性也会更大。

第四是如果我们还没有能够指出正确方向,没有大家都信服的带头科学家与大家一起在学术争论、学术批评的基础之上围绕某个方向集体发展的话,还能不能做出一些更好的工作,我想这也是可能的。首先在年轻人中间要提倡自信,敢于对世界上一些还没有解决的问题提出不同看法,而不是简单地跟在已有的成果后一步一步发展。

当然学习跟踪也很重要,我不反对要有一部分人在别人工作的基础上去慢慢发展。但要有一部分人敢为天下之先,我最近注意到了一个例子,当然跟物理没关系。

在心理学认识论上曾经有一个很重要的课题,人到底是怎么样来识别图像的?世界的主流理论一直认为,人的识别和计算机识别是一样的,靠一点一点扫描。1982年,中国科学家也就是现在生物物理所的陈霖教授提出,人的识别次序是先从整体的拓扑获得感觉然后补充细节。

几乎所有主流科学家都反对,经过20多年他才赢得了大多数科学家的承认。敢不敢在主流科学家不赞成的情况下提出和坚持自己的看法,并不断用科学方法加以验证,是能不能做出重大发现的前提。

第二,敢不敢在人家批评反对的情况下,坚持把这个工作做下去。如果一个人急于成名,很可能要跟着主流的科学家走,容易得到国际上的承认。你要不想跟着国际科学家走,就要冒相当大的风险,要准备有一段时间坐冷板凳,或是受到各种批评。

但是恐怕也只有这样,才能够做出比较独特的真正有价值的结果。我们的理论物理学家也要有这种心理的和实际的准备。要在物质上,或者在精神上处于比较困难的境况下,为科学真理献身,这是最后能够获得重要成果的一个很重要的条件。

要取得重大的科学成果,需要创造若干条件,有些条件和政策环境有关,有些条件必须要理论物理界克服自身的弱点进行创造。

比如说学术批评和学术争论风气的兴起,就要靠我们自己来解决。中国人有中国人的一些不良传统,比如说好面子、怕得罪人,为了自己要当教授,就不对教授进行学术批评,要想评上院士,就不能对院士说不,诸如此类,这些都是需要由我们自身努力来克服的问题。

如果我们自己不克服这些弱点,学术争论、学术批评不能够在中国的科学界真正开展,大概是做不出很好的成果的。 理论物理面临的问题 理论物理学现在还面临许多需要解决的问题,20世纪最辉煌的是最基本的理论,像相对论和量子力学,量子场论,这些最基本的理论,到现在为止,仍然有迹象表明,都不是最终的理论。

无论是关于基本粒子还是天体物理,不断提出了很多新现象,使现有理论无法完全解释。

我想问题是现在的实验已经不再像以前那样容易,比如说基本粒子,以前几乎每年、每几年就有新的实验数据来刺激理论的发展,现在需要那么高能量的加速器,在短期之内,已经不太可能得到像以前那么多的实验数据供分析。

但是现在天体的观察比过去大大加强了,提出的实验数据也越来越多。毫无疑问,基本的物理理论,还需要继续发展,而且有可能继续发展。当然也许其难度更大,需要花费的力气更大,需要其他方面的准备更多,比如数学方面的准备,还要有哲学方面的准备,我想当年发明量子力学和相对论时,数学和哲学在其中都起了很重要的作用。

年轻的理论物理学家需要具备更好的、更广更深的数学基础,哲学方面的准备现在也需要加强。我想现在一个很重要的矛盾,对基本的理论来讲,可能是复杂性和简单性之间的矛盾,因为搞基本理论的人,总是希望用最简单的理论来解释最复杂的现象。

但是到了目前这个阶段,从夸克以后,已经不像是一个简单的理论可以做到的了,需要新的哲学思维和数学方法。

可以说现在几乎所有的科学都在朝复杂性这个方向上转,物理学也不例外,最基本的理论也不例外。 我觉得比较基本的理论物理的问题,还是集中在宏观的量子态方面有没有新发现。因为量子力学是一个微观的理论,能够出现宏观的量子态,本身且不说是一个重要的现象,在哲学和方法论方面也值得思考。

量子力学本身,现在有爱因斯坦他们提出的本来是想否定量子力学实验而发展出来的量子信息学,我看也是很重要的发展方向。 理论物理学除了发展其本身之外,还有责任去帮助其他学科的发展,所以现在理论物理学应该进入到其他各个科学领域中去,特别是发展很快的生物学、天文学、化学,也包括数学。