物理學(xué)的過去、現(xiàn)在與未來(2)

馮 端

(南京大學(xué) 物理學(xué)院,南京 210093)

2 當(dāng)代情景

在量子力學(xué)確立之后，物理學(xué)進(jìn)入了新的時期，這里統(tǒng)稱為當(dāng)代物理學(xué)。由于當(dāng)代情景錯綜復(fù)雜，頭緒繁多，難以用甚短的篇幅來進(jìn)行概括。下面就以實(shí)驗(yàn)和理論這兩條主線，對此作一粗略的介紹。

2.1 實(shí)驗(yàn)技術(shù)

20世紀(jì)是實(shí)驗(yàn)技術(shù)突飛猛進(jìn)的時期。早期盧瑟福的α粒子散射實(shí)驗(yàn)為隨后的核物理與粒子物理的研究樹立了樣版。但技術(shù)上的改進(jìn)是多方面的。轟擊的粒子束有質(zhì)子、中子、電子和各種離子等。30年代初，中子被發(fā)現(xiàn)后，由于其散射截面大，容易引起核反應(yīng)，受到學(xué)術(shù)界的重視。費(fèi)米及其合作者系統(tǒng)地用中子來轟擊周期表中不同元素，發(fā)現(xiàn)了一系列的核反應(yīng)和新的放射性元素。1938年，哈恩(O.Hahn)與邁特納(L.Meitner)終于發(fā)現(xiàn)和確認(rèn)鈾的裂變。隨后原子核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)得到實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致了裂變反應(yīng)堆的問世。它為實(shí)驗(yàn)技術(shù)提供了新的手段，又為裂變能的軍事與和平利用鳴鑼開道。隨后，輕元素的聚變提供了另一種核能源。聚變能的爆炸式的軍事應(yīng)用于50年代初即已實(shí)現(xiàn)，但可控的和平利用卻經(jīng)歷了漫長的發(fā)展過程。兩種方法，磁約束與慣性約束，雖則取得不少科學(xué)成果，但作為能源，尚處于得失相抵(breakeven)的前夕，要點(diǎn)火尚需繼續(xù)努力。

到30年代，科學(xué)家開始認(rèn)識到天然放射性元素發(fā)射的粒子能量太低，束流也不夠強(qiáng)，不能適應(yīng)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)的要求。在這種情況下，加速器技術(shù)就應(yīng)運(yùn)而生。早期有高壓倍加器和靜電加速器，主流是勞倫斯開創(chuàng)的回旋加速器及其變型。以后加速器的能量愈做愈高，技術(shù)愈來愈精。能量已從早期的MeV量級升高到如今的TeV量級。一代代的加速器為核物理和粒子物理的研究立下了汗馬功勞，發(fā)現(xiàn)了幾百種粒子。與之并行發(fā)展的還有粒子檢測技術(shù)，從早期的蓋革計(jì)數(shù)器、云霧室，到照相乳膠、氣泡室、火花室和閃爍晶體列陣等。雖然技術(shù)的進(jìn)展十分引人注目，但許多物理實(shí)驗(yàn)的基本思路，例如通過質(zhì)子對高能電子的深度非彈性散射來論證質(zhì)子具有夸克結(jié)構(gòu)，仍然和盧瑟福的原型實(shí)驗(yàn)十分相似。值得注意，加速器與反應(yīng)堆也被用于非核物理學(xué)以至于其他科學(xué)的研究，同步輻射和高通量中子源就是例證。

另一高速發(fā)展的物理科學(xué)領(lǐng)域是天體物理學(xué)。光學(xué)望遠(yuǎn)鏡愈做愈大；射電望遠(yuǎn)鏡是在第二次世界大戰(zhàn)中由雷達(dá)技術(shù)推動而發(fā)展起來的，也朝向巨型發(fā)展；而依據(jù)射電望遠(yuǎn)鏡發(fā)展起來的綜合孔徑技術(shù)也反饋到光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的技術(shù)中去了。新波段，如紅外、X射線和γ射線的望遠(yuǎn)技術(shù)得到了發(fā)展，還有新的檢測技術(shù)如CCD列陣。為了超越大氣層的吸收和干擾，還將望遠(yuǎn)鏡放到太空中去，如哈勃、愛因斯坦、康普頓望遠(yuǎn)鏡等。可以說當(dāng)代也是天體物理學(xué)的黃金時代。大量天體譜線紅移的數(shù)據(jù)為宇宙膨脹提供證據(jù)，3K微波背景、脈沖星、類星體及γ射線爆等重大發(fā)現(xiàn)，為理論天體物理和宇宙論提供了大量數(shù)據(jù)，使星體和宇宙成為檢驗(yàn)物理理論的龐大實(shí)驗(yàn)室。

馮端院士辦公室

現(xiàn)代高能物理學(xué)(包括部分核物理) 及天體物理學(xué)已經(jīng)成為大科學(xué)主宰的領(lǐng)域。其特征在于設(shè)備龐大，人員眾多，經(jīng)費(fèi)數(shù)額巨大，計(jì)劃實(shí)施時間漫長。

到30年代，光譜學(xué)研究已有盛況不再之感。但第二次世界大戰(zhàn)中雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展又為微波波譜及磁共振的研究提供機(jī)遇。50年代初，首先在微波頻段實(shí)現(xiàn)了受激發(fā)射，隨后轉(zhuǎn)移到光學(xué)頻段，導(dǎo)致激光器的問世。激光技術(shù)引起了光學(xué)和光譜學(xué)的一場革命，導(dǎo)致量子光學(xué)的誕生，影響十分深遠(yuǎn)。應(yīng)該指出，早在1917年，愛因斯坦就提出了受激發(fā)射的理論，而實(shí)驗(yàn)室中的實(shí)現(xiàn)卻延遲到40年之后。激光技術(shù)引入物理實(shí)驗(yàn)室，為小型精巧的實(shí)驗(yàn)研究提供了機(jī)會。

X射線和由之衍生的電子衍射與中子衍射，導(dǎo)致了晶體結(jié)構(gòu)分析的發(fā)展。它為凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)奠定基礎(chǔ)，而且大大地促進(jìn)了化學(xué)、生物學(xué)和礦物學(xué)的研究。出自這一領(lǐng)域的科學(xué)家獲得了諾貝爾獎多達(dá)十幾次。電子顯微術(shù)超越了光學(xué)顯微術(shù)的分辨極限，并實(shí)現(xiàn)了原子尺度的成像。80年代以后，掃描隧道顯微術(shù)發(fā)展成為花樣繁多的顯微探針技術(shù)，不僅實(shí)現(xiàn)了原子尺度的成像，還實(shí)現(xiàn)了多種原子尺度的測量和操縱技術(shù)，充分顯示了小規(guī)模精巧創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)仍然富有生命力。

為了消除熱運(yùn)動對固體中許多現(xiàn)象的干擾，將試樣冷卻到低溫下進(jìn)行研究成為重要的手段。現(xiàn)代低溫技術(shù)始于氦的液化(4.2 K)，進(jìn)一步采取稀釋致冷機(jī)可以達(dá)到mK的溫度，再進(jìn)行核退磁致冷，可以達(dá)到μK的量級。近年來發(fā)展起來的激光冷卻，再加上蒸發(fā)致冷，可以使原子氣體達(dá)到μK以下的溫度。低溫物性的研究取得許多重要的成果：金屬與合金的超導(dǎo)電性，4He液體的超流動性，3He液體的超流動性，多種非常規(guī)的超導(dǎo)性(如有機(jī)化合物、重費(fèi)米子、銅氧化物超導(dǎo)電性，其中最后一種已經(jīng)超出低溫的范圍)。1995年起，又在μK溫度以下觀測到堿金屬氣體的玻色—愛因斯坦凝聚，隨后，相位相干的原子束得到了實(shí)驗(yàn)演示，即所謂原子波激射(atomic laser)。

晶體純度和完整性對物性有重要的影響，促使固體制備技術(shù)有了較大的發(fā)展：單晶拉制、區(qū)熔提純、控制摻雜等技術(shù)成功地應(yīng)用于半導(dǎo)體的制備。1947年，晶體管的發(fā)明也許是 20世紀(jì)中物理學(xué)家所作出的取得最大經(jīng)濟(jì)與社會效益的一項(xiàng)成就。70年代后，超高真空技術(shù)成為實(shí)驗(yàn)室中的常規(guī)手段，在超高真空下的結(jié)構(gòu)與能譜測試手段相繼問世，開拓了表面物理的新領(lǐng)域。以分子束外延為代表的當(dāng)代薄膜與異質(zhì)結(jié)制備技術(shù)的開發(fā)，引起量子納米結(jié)構(gòu)(量子阱、量子線與量子點(diǎn)等)的熱潮，并向磁性材料(巨磁阻效應(yīng))和超導(dǎo)電體方面延伸。許多新的物理效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，諸如整數(shù)與分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)、介觀量子輸運(yùn)等，顯示了凝聚態(tài)物理尚有可為。

2.2 理論與計(jì)算

在量子力學(xué)建立之后，理論發(fā)展就分道揚(yáng)鑣，其中一條道路是深入到更加微小尺度的微觀世界中去。首先發(fā)展的是原子核結(jié)構(gòu)與動力學(xué)理論。雖然核子之間存在強(qiáng)相互作用，但基于平均勢場中作有效單粒子運(yùn)動的殼模型也取得成功。還有強(qiáng)調(diào)核的集體行為的液滴模型和復(fù)合核模型，也有將單粒子運(yùn)動和集體運(yùn)動結(jié)合起來的綜合模型，核子配對的相互作用玻色子模型等，頗成功地說明原子核的某些性質(zhì)。

進(jìn)入更深層次的物質(zhì)結(jié)構(gòu)就到達(dá)了粒子物理學(xué)的研究領(lǐng)域。50和60年代，除核子以外，又發(fā)現(xiàn)大量的強(qiáng)子(具有強(qiáng)相互作用的粒子)，其中多數(shù)是不穩(wěn)定的。1964年，蓋爾曼(M. GellMann)等提出了強(qiáng)子的夸克模型，認(rèn)為強(qiáng)子并非基本粒子，而是由具有分?jǐn)?shù)電荷(1/3或2/3電子電荷) 、還具有色荷(紅、藍(lán)、綠三種顏色之一)的夸克所構(gòu)成的。質(zhì)子的夸克結(jié)構(gòu)已為實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。理論所預(yù)言三色六味的各種夸克，一一被實(shí)驗(yàn)所揭示，最后一種頂夸克是到1995年才發(fā)現(xiàn)的。夸克雖然存在于強(qiáng)子結(jié)構(gòu)中，但獨(dú)立存在的自由夸克卻一直沒有觀測到。科學(xué)家又提出夸克禁閉模型來說明這一事實(shí)。

到上世紀(jì)中葉，已經(jīng)明確了自然界只有4種基本相互作用，即引力、電磁力、弱力與強(qiáng)力。其中引力和電磁力是長程的，而弱力與強(qiáng)力是短程的，限于原子核的范圍之內(nèi)。愛因斯坦晚年致力于統(tǒng)一場論，試圖將引力和電磁力統(tǒng)一起來，未取得成功。量子力學(xué)建立之后，處理量子體系與相互作用場的理論(量子場論) 得到了發(fā)展，首先發(fā)展的是處理電磁相互作用的量子場論，即量子電動力學(xué)。在40年代末，利用重正化消除了發(fā)散的困難，使量子電動力學(xué)的理論預(yù)言得到了高精確度的實(shí)驗(yàn)證實(shí)(有效數(shù)字高達(dá)十幾位)。隨后，處理強(qiáng)相互作用的量子場論、量子色動力學(xué)得到了發(fā)展。弱相互作用的理論始于費(fèi)米的β衰變理論，60年代末，溫伯格(S.Weinbeng)與薩拉姆(A. Salam)成功地將電磁相互作用與弱相互作用統(tǒng)一起來。在量子場論中，一些粒子被理解為場的激發(fā)態(tài)，而另一些粒子則成為傳遞相互作用的玻色子。

進(jìn)一步探索各種相互作用的統(tǒng)一理論尚在進(jìn)行之中。大統(tǒng)一理論企圖將統(tǒng)一的范圍包括強(qiáng)相互作用，尚有待實(shí)驗(yàn)的證實(shí)。進(jìn)而將引力包括在內(nèi)的超大統(tǒng)一理論的設(shè)想也被提出。

三代夸克與輕子的粒子模型，量子色動力學(xué)與電—弱統(tǒng)一理論，被統(tǒng)稱為粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型，在概括和預(yù)言實(shí)驗(yàn)事實(shí)取得了非凡的成功。它預(yù)言了62種基本粒子，其中60種已被發(fā)現(xiàn)，只剩下希格斯玻色子與引力子尚待發(fā)現(xiàn)。

但標(biāo)準(zhǔn)模型仍帶有唯象性質(zhì)，它包含十幾個參量，而且對粒子的質(zhì)量不提供理論解釋。如何超越標(biāo)準(zhǔn)模型，并從更根本的微觀模型來解釋粒子物理，就成為對理論物理學(xué)家的重大挑戰(zhàn)。在這方面的努力以超弦理論最引人注目。這一理論極其精巧，也推動了相關(guān)數(shù)學(xué)問題的研究。但最終如何評價這一理論尚有待于實(shí)踐來檢驗(yàn)。

當(dāng)代天文學(xué)研究總結(jié)出來的大爆炸理論被稱為宇宙論的標(biāo)準(zhǔn)模型。按此理論設(shè)想，宇宙起源于一百數(shù)十億年前的一次大爆炸：原先是時空奇點(diǎn)(密度和曲率卻無限大)，各種相互作用統(tǒng)一在一起。到10-44s，發(fā)生了引力與其他相互作用分離的對稱破缺，到10-36s，發(fā)生強(qiáng)力與其他相互作用分離，到10-10s又發(fā)生弱力與電磁力的分離，成為如今四種相互作用并存的世界。到10-6s時，開始合成強(qiáng)子，到3 min后形成原子核，再逐步形成各種原子及各種星體與星系。大爆炸宇宙論是建立在若干天文學(xué)觀測的結(jié)果上的：哈勃定律所描述的宇宙膨脹，3 K宇宙背景輻射的發(fā)現(xiàn)，星體一些元素的豐度數(shù)據(jù)，是一種持之有效的物理學(xué)理論，當(dāng)然還有許多問題尚有待于澄清。值得注意的是，早期的宇宙(3 min之前)是粒子物理學(xué)的天下。著名物理學(xué)家溫伯格的有名科普著作《最初三分鐘》即以此而命名的。

量子力學(xué)建立之后，另一條發(fā)展道路在于進(jìn)入較大尺寸的物質(zhì)體系。將量子力學(xué)應(yīng)用于分子，建立了量子化學(xué)；將量子力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)應(yīng)用于固體，建立了固體物理學(xué)，隨后發(fā)展為凝聚態(tài)物理學(xué)。涉及了這些問題，就需要明確區(qū)分量子力學(xué)和經(jīng)典物理學(xué)的各自適用的范圍。通常的提法是量子力學(xué)適用于微觀體系，而經(jīng)典物理學(xué)適用于宏觀體系，這顯然不夠精確，因?yàn)橐泊嬖诤暧^量子體系。對于特定粒子構(gòu)成的系統(tǒng)，可以采用量子簡并溫度(即粒子的德布羅意波長等于粒子的平均間距對應(yīng)的溫度)來區(qū)分。這里h是普朗克常數(shù)，m為質(zhì)量，kB為玻爾茲曼常數(shù)，a為平均間距。如果溫度遠(yuǎn)大于T0，則可以放心采取用于經(jīng)典物理學(xué)的理論方法來處理這一體系，否則，就得用量子力學(xué)的方法。至于T0的高低則取決于粒子的質(zhì)量m和體系的平均間距a(或密度)。對于固體和液體，a約為0.3 nm，對電子系統(tǒng)而言，T0～105K，從而表明處理電子系統(tǒng)的問題，離不開量子力學(xué)。對于原子核或離子而言，T0～(50/A) K，A為原子質(zhì)量數(shù)，對于輕元素(如氦與氫)，在低溫下要考慮量子力學(xué)的效應(yīng)。因而在通常情況下處理大量原子核(或離子)與電子的混合體系，對于電子這一子系統(tǒng)，必須采用量子力學(xué)的理論方法，而對于原子核這一子系統(tǒng)，則不妨采用經(jīng)典物理學(xué)的理論方法。凝聚態(tài)物理學(xué)和量子化學(xué)由于大量采用這種混合的處理方案而取得了成效。但應(yīng)該指出，這類的電子理論涉及了相互作用粒子的多體問題。基于有效場單電子近似的固體能帶理論顯然很有成效；引入適度的相互作用而發(fā)展起來的費(fèi)米液體理論、巡游電子鐵磁性理論和BCS超導(dǎo)理論也成績斐然；但是強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系(包括高溫超導(dǎo)體)仍然是一根硬骨頭，對理論物理學(xué)家提出了強(qiáng)有力的挑戰(zhàn)。

如果僅關(guān)注原子(或離子)與分子常溫下的位形與動力學(xué)問題，那么采用經(jīng)典物理學(xué)的方法是無可非議的，正如當(dāng)代液體物理學(xué)和軟凝聚態(tài)物理學(xué)所作的那樣。當(dāng)然，如果涉及鍵合的細(xì)節(jié)和電子的躍遷，還是需要量子力學(xué)。低溫下的量子流體(4He與3He)突出地體現(xiàn)了量子力學(xué)效應(yīng)。在氣體中要體現(xiàn)這種效應(yīng)，由于原子間距，簡并溫度要壓得很低。在進(jìn)入90年代后，方始觀測到這類理論預(yù)期的效應(yīng)，原子束光學(xué)和玻色—愛因斯坦凝聚都是例證。特高密度下的物質(zhì)，如中子星，使簡并溫度高達(dá)1010K，可能使這些星體內(nèi)部呈現(xiàn)超流性等量子力學(xué)效應(yīng)。

應(yīng)該指出，當(dāng)代也是經(jīng)典物理學(xué)復(fù)興的時代。在相變與臨界現(xiàn)象領(lǐng)域，研究了具有長程漲落的經(jīng)典統(tǒng)計(jì)體系，呈現(xiàn)了普適性和標(biāo)度律，發(fā)展了重正化群理論。經(jīng)典動力學(xué)系統(tǒng)理論和非線性物理學(xué)都取得了長足的進(jìn)展，像混沌、分形、孤子等概念，在交叉科學(xué)中獲得了廣泛的應(yīng)用，成為理解復(fù)雜性的鑰匙，也為解決湍流這個長期懸而未決的難題提供了有意義的線索。

電子計(jì)算機(jī)的突飛猛進(jìn)，對于當(dāng)代物理學(xué)產(chǎn)生了異乎尋常的影響。量子化學(xué)與凝聚態(tài)電子理論的從頭(ab initio)計(jì)算方案變得切實(shí)可行，從而促進(jìn)了計(jì)算材料科學(xué)這門新的交叉學(xué)科的發(fā)展。分子動力學(xué)、蒙特卡羅方法，乃至于元胞自動機(jī)為物理學(xué)的各個分支提供了鮮明生動的物理圖像和信息。以至于有些科學(xué)家認(rèn)為計(jì)算和計(jì)算機(jī)模擬已成為可與實(shí)驗(yàn)和理論并立的科學(xué)研究的第三個支柱。

南京大學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)為馮端院士頒獎

盡管由于物質(zhì)結(jié)構(gòu)層次化的結(jié)果，使得當(dāng)今的物理學(xué)家很難精通、也不必要精通物理學(xué)的各個分支。但是物質(zhì)結(jié)構(gòu)在概念上是有其統(tǒng)一性的。相同的概念會在不同的層次上出現(xiàn)。著名物理學(xué)家巴丁(J. Bardeen)的一段話很有啟發(fā)性：“處在這日益專業(yè)化的時代之中，得以認(rèn)識到基本物理概念可能應(yīng)用于一大批看起來五花八門的問題，是令人欣慰的。在理解某一領(lǐng)域所獲得的進(jìn)展常常可以應(yīng)用于其他領(lǐng)域。這不僅對材料科學(xué)的眾多領(lǐng)域是確實(shí)的，對廣義而言的物質(zhì)結(jié)構(gòu)亦復(fù)如此。作為闡述的例證，為理解磁性、超流性和超導(dǎo)性所發(fā)展的概念也被推廣應(yīng)用于眾多的領(lǐng)域，如核物質(zhì)，弱與電磁相互作用，高能物理學(xué)的夸克結(jié)構(gòu)與眾多的液晶相”。這值得我們深思。

(未完待續(xù))