未来物理的发展方向

杨振宁杨振宁（ZhenNingYang），物理学大师，诺贝尔奖获得者。1957年由于与李政道提出的“弱相互作用中宇称不守恒”观念被实验证明而共同获得诺贝尔物理学奖；其于1954年提出的规范场理论，则于70年代发展成为统合与了解基本粒子强、弱、电磁等三种相互作用力的基础；此外并曾在统计物理、凝聚态物理、量子场论、数学物理等领域作出多项卓越的重大贡献。各位同学，我是1929年七岁的时候搬到清华园来居住的。我父亲那时候在清华物理系当教授。清华和北大那时候都比现在小得多。我估计清华园的面积只有现在的十分之一。两校门南边那条河，是当时清华的界线。从西直门、动物园一直到北大和清华中间，基本上都是一些农田和农民的房子，还有一些小镇。那时候电影院都在城里，所以我还记得很清楚，每个礼拜清华都在这个大礼堂里演一次电影，所以对于这个大礼堂我当时是很熟悉的。我在清华从七岁到十五岁一共居住了八年。方才我走进这大礼堂，推开大门一进来，我就闻到了大礼堂的味道，这个味道跟七十多年以前我所闻到的味道是一样的。所以你们可以想到，我对清华很多地方有非常亲切的感觉。当然，世界变化很大了。1938年到1942年我在西南联大念物理系本科生的时候，全系加起来，连研究生在内，不到50个人。我想今天的规模应该是当时的十倍甚至二十倍。当时正值抗战，我们居住的条件，教室的设备，图书馆的情形，都简陋得不得了。可是也许跟今天你们最大的分别，还不是这些，而是整个气氛不一样了。那时正在抗战，常常有日本飞机来轰炸，前途是很不乐观的，我们每个人的前途都笼罩着忧患意识。相比而言，你们今天生活的时代实在是一个大时代，我相信你们每一位对于这一点都有应该有的认识。我后来去美国学物理，下面我给大家讲讲我去美国学的研究院的物理和你们今天所面临的物理之间的重大分别。我是1945年去的美国，从物理学发展的观点来看，20世纪头三四十年，是历史上的一个黄金时代。因为当时大家知道，19世纪Maxwell[1]、Boltzmann[2]和Gibbs[3]创建了电磁学和统计力学以后，到了19世纪末20世纪初，出现了很多的不能解释的事情，那个时候开尔文勋爵（LordKelvin）曾经作过一个演讲，说是物理学的天空里头有几朵乌云[4]。如果你看到过1904年在圣路易斯开的一个国际讨论会的记录，你就可以知道那个时候整个物理学有垮台的危险。因为在19世纪人们虽然了解了很多东西，尤其是电磁学和统计力学方面的，但是仍然存在不能解释的现象。最重要的两个现象我想大家都知道，一个就是Michelson和Morley[5]的实验与以太的观念有直接的冲突。另外就是一个电子在原子里绕着原子核转，它随时都有加速，一个加速了的电体应该随时有辐射，所以能量就越来越减少。这样的话，绕着原子核的电子就应该越来越转到里边去，因为它的能量变小了，最后就要撞到原子核上去。而这种现象跟当时的实验是完全不符合的。人们当时完全不懂这个问题。这在当时是一种困扰，不过在今天看来是一个机会。是什么机会呢？就是人们可以根据这种现象创建出来新的、革命性的原则。大家知道在20世纪头30年产生了“三大革命”：狭义相对论、广义相对论和量子力学。这些都不仅是物理学上，而且也是人类历史上的高峰。我到美国去的1945年可以说这个高峰已经过了。可是这个高峰带来的一些新的，从前不能想象的东西发展出来了，所以我在国内外给一些学生演讲时常常说从物理学的发展史来讲，20世纪的前三十年是一个黄金时代；我去美国以后，也就是第二次世界大战以后的二三十年是一个白银时代。白银时代不能够跟黄金时代比，就是没有像产生黄金时代的那“三大”，那种观念上的大革命。但是能够做的事情也是很多的，比如核物理、原子、基本粒子的构造、固体物理等领域的新发现，以及激光的发明，都是1945年以后的二三十年里的辉煌成就。了解了上面这些以后，我们可以问，今天在座的各位同学面临的物理学的前景是什么样的呢？以后的二三十年物理学将向什么方向上发展呢？我想这个问题对于你们是非常非常重要的，因为你们将来的工作就与这个问题的回答有密切的关系。当然对于前途没有人能够讲出来百分之百准确的语言。但是我想能看清楚的是，以后二三十年物理学发展的性质和刚才讲的黄金时代、白银时代都不一样了。为什么不一样呢？因为物理学的学科前沿现在变得非常广。之所以变广了，就是因为刚才所讲的黄金时代和白银时代拓展了物理学的前沿。这种宽广对于你们有坏处也有好处。坏处是什么呢？极宽广的领域会使得你们无所适从，不知道该向什么方向上发展。好处是什么呢？如果你在众多的方向中选择了适合你的道路的话，你可以做很多事情。今天能做的事情，比起20世纪初，比起我在作博士后的时候，要多得多，而且今天学术和社会的关系更密切了。讲得通俗一点的话，就是现在发财的机会多了。黄金时代和白银时代打开的新门路多得不得了。你如果找着了某一个门路，就可以做出很大成就，创造很多财富。这是一种困扰，但同时也会带来机会。最重要的是每个人都必须对这一点有所了解，知道今天物理学前沿的发展跟20世纪前80年不一样了。如果你对这一点不了解的话，对于你将来选择道路不利；如果你接受我刚才所说的话，就会得出一个推论。这个推论就是，你必须要讲究学习的方法，这也和传统的方法不一样。大家都知道，爱因斯坦1905年写了几篇革命性的文章。他那时候专注于几件事情，对每一件事情他后来都作了革命性的贡献。一个是光子；一个是狭义相对论。现在我们知道爱因斯坦和他的第一个太太在1900年前后还处在恋爱时期，他们的来往信件，现在被人发现了，发表出来。如果你看过这些历史材料的话，就会发现，早在1899年的时候，爱因斯坦就已经对电动力学产生兴趣了。那个时候的前沿问题比较专一，比较少，加上他有能力，有见解，又选择了这个题目，所以就有了大成就。今天不是这样，今天讲不出来物理学领域中在未来十年或者二十年内会有巨大发展的某个方向。所以正如我刚才所讲的一样，这一点对你们选择前途是一种困扰。不过认识了这一点以后，你就会知道自己应该采取什么样的对策，那就是必须要把兴趣放广放宽。如果你还只是对着一两个方向走的话，那你的机会就会很少。在这一点上中国的学习方法跟西方的，尤其是美国的学习方法有着根本的分别。中国的学习方法受中国教育哲学的影响，一直是让小孩子向专业的方向发展。这跟美国的传统是很不一样的。美国比较放任，让孩子自己去发展。这种分别到了大学时代以后就会看得很清楚。美国的大学生，一年级的大学生，他们的兴趣平均起来很广，所以他们什么东西都懂一点。他们的网散得比较广，导致的结果就是他们不会考试，这是大家都知道的。而中国的学生非常会考试，为什么呢？比如说中国的同学在中学学习三角，会做很多习题。而美国的中学生虽然也都知道正弦和余弦的定义，但是他们不会做习题。他们接受的是一种比较宽泛的知识，而没有深度。你们必须要了解，这两种方法的教育结果是各有短长的。从考试的角度讲，那当然中国的教育方法是非常好。大家都知道现在从中国到美国去念书的学生是非常之好的，比如我听说伯克利有一个美国学生回家之后父母问他选了什么课，问他有没有选一门很重要的课，他说没选，父母问他为什么没选，他说我在选课的地方看到有三个中国学生都选了这门课，我就知道我不宜于再选了。虽然如此，他们知道的东西却非常多，知道很多领域的一些东西。对此我自己也有一些亲身体会，而且不是自今日始，我去美国念书的时候，就看到过这种现象。我还记得很清楚，我1946年初住在芝加哥一个叫InternationalHouse（留学生公寓），当时有很多研究生住在里边。芝加哥大学的附近有一个溜冰场，冬天可以溜冰。我去溜冰的时候遇见了一个数学系的同学，叫莱布尼克。溜完冰以后我们谈得很投机。于是他就到我的屋子里去了，结果我们一直谈到了第二天天亮。他走了以后，我觉得这个人简直不得了，他知道很多我从来没听说过的数学和物理学领域里最新的东西。你到美国去的话，常常会看到这样的同学。可是很快我就发现，原来他对于自己所讲的那些好像头头是道的东西，根本就不太懂，知道得比较肤浅，所以等到后来考试的时候，中国学生所接受的严格训练的好处就显示出来了。那么是不是他们这种办法就绝对不好呢？不然，这种办法也有好处。而且这种好处在当今状况之下，就是像我刚才讲的门开的很多，不同学科的交叉领域所能产生的重要结果多的不得了的情况之下，美国学生的学习方法就发生了优势。我给你们举几个例子，我想大家如果自己没有做过CAT-scan(层状扫描，俗称“CT”)的话，那么你们的父母或者祖父母一定做过。CAT-scan的发明者有一个物理学教授，他对于计算机很感兴趣，对于医学也很感兴趣，又研究过理论的X光效应，就把这几种研究综合起来，后来就发展出了CAT-scan，并且得到了诺贝尔奖。再比如去年得到诺贝尔奖金的是NMR（核磁共振NuclearMagneticResonance,NMR），现在叫MRI（磁共振成像MagneticResonanceImaging，MRI），这个MRI得奖的一个人叫做劳特伯（Lauterbur），他跟我在StonyBrook（纽约大学石溪分校）是同事。他比我年轻，是化学系一个年轻的助理教授。当然因为他是化学家，所以对于MRI的技术知道得很清楚。可是他也对计算很感兴趣，而且他也吸收了CAT-scan的基本观念，因此他就想我为什么不能够也做一个scan，使MRI也可以scan癌细胞。于是他想了一个很聪明的办法，就是使用了一个梯度磁场。这是一个很妙的见解，如果你不懂的话，你可以随便找一位老师，五分钟之内，对于梯度磁场为什么可以解决scan这个问题你就懂了。他只用了一个小试管和一个梯度磁场，结果今天的MRI就诞生了。这个故事告诉你们，今天的方法多得很，如果你的兴趣广一点，你就可以把好几个东西综合在一起，然后得出来从来没有过的事物或者见解。所以在今天的情形之下，每一个人都值得向广义的方向去发展，这一点对于中国教育体制下成长起来的年轻人尤其重要。刚才朱教授讲了一件事，我听了以后觉得很惊讶。他说系里现在准备开设学术报告课，希望每一个研究生都去听，听说有些研究生反对，我认为这简直是不可思议的。因为假如一个学期有十次学术报告，就算你去听十次，花了二十个钟头，而二十个钟头的投资是很少的。我知道在美国也有这样的现象，很多同学不喜欢参加学术报告会。比如说在StonyBrook，每个礼拜都有一个学术报告，很多中国同学不去，我就问他们为什么不去，他们说我去了也听不懂。我说我去了也常常听不懂，可是这没有关系，你这次没听懂，过了三个月再去听另外一个讲得稍微不一样的，连续听上几次，就会有所收获，而这种收获是非常重要的。我给这种学习方式起了个名字，叫做渗透式的学习。中国传统的教育方法不注重渗透式的学习，而看重灌输式的学习，也就是猛攻，这当然是有它的好处的，可是渗透式的学习也是非常重要的。你看一个小孩子，为什么学语言学得很快呢？不是因为他听懂了每一句话，而是因为他听了一句话，过了几个钟头又听了一句话，他逐渐把每句话都综合起来，就懂了。这种学习方法到一个人年龄变大的时候就渐渐丧失了。而我认为这是一种非常重要的学习方法。尤其是在需要的知识越来越广的情况下，这种方法对研究生是很重要的。所以我觉得每一位研究生为了他们自己，应该非常愿意地去听每一节课，每一个学术报告。不懂没有关系，听多了之后就自然会有一些收获，这是非常重要的。至于说你是不是要服从系里的规定去听，我觉得一学期花二十个小时去听并不是一个很大的投资。关于这一点，在美国和在国内各个地方演讲的时候，我都再三讲。我还觉得有许多值得看的科普书，我特别推荐的是ScientificAmerican（《科学美国人》）,ScientificAmerican现在逐期都有英文的翻译，你们去看看这个我觉得是非常有用的。读这本书你们会遇到同样的问题，因为里面的内容不止包括物理，还有很多生物学方面的知识。某个领域的文章也许你今天看不懂，但是过半年之后你又看了另外一篇，连续看上一两年，你就会对那个领域的东西多一些认识。总而言之，我要讲的就是，今天学术的前沿就是向宽广方向走，向交叉学