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路甬祥:百年物理学的启示-

时间:2010-10-01 21:11:31  来源:  作者:

主持人:各位领导老师和同学们,大家上午好,今天的科学与中国院士专家巡讲团的主持人是中国科学院副院长化工专家李静海院士,请大家鼓掌欢迎。

  李静海:尊敬的路院长,尊敬的各位来宾,各位老师,同学们大家上午好。由中科院,中 宣部、教育部、科技部工程院和中国科协共同举办的科学与中国院士专家讯将活动,今天又一次来到中国科学院研究生院,今天的报告会,既是庆祝中国科学院学部50周年的纪念报告会,也是2005年世界物理年的报告会,出席今天报告会的有中国科学院京区40个研究所的领导和科研骨干,以及研究生院的师生共700余人,中国科学院学部成立于1955年6月1日,最近学部正在举办系列性的庆祝活动,这次报告会就是庆祝活动之一,为了纪念爱因斯坦的狭义相对论等五篇重要论文发表100周年,联合国教科文组织将2005年作为世界物理年,中国科技界也正在举办一系列纪念活动,今天的报告会同时也是我院纪念世界物理年的报告会,今天我们很荣幸邀请到全国人大常委会副委员长,中国科学院院长路甬祥院士为我们作报告,报告的题目是百年物理学的启示,下面我们欢迎路院长作报告。

  路甬祥:

  同志们,同学们,为了庆祝中国科学院学部建立50周年,同时也纪念世界物理年,我非常高兴重新回到中国科学院研究生院,跟大家一起回顾百年物理学的进展,以及对我们的启示。一百年以前,爱因斯坦写下了五篇科学史上著名的论文,他们是关于光的产生和转化的一个启发性观点。这篇论文讨论了光量子及光电效应。第二篇是分子大小的新测定,推导出分子计算速度的计算公式。第三篇是热的分子运动论,所要求静止一体中圆副小分子的运动,提出了原子确实存在的证明。第四篇是论动体的变动力学,提出了时空关系的新理论,正是因为这篇论文,拉开了近代物理学的序幕。第五篇是物体的惯性是否决定其内能,根据狭义相对论提出了质量与能量可互换的思想,这应该是原子能释放的理论基础。我们可以看到,这五篇论文每一篇都是有重大的科学意义的,其中第一篇因此诺贝尔奖委员会授予爱因斯坦诺贝尔奖。其实第四篇跟第五篇更重要,但是由于当时学术界还有争议,所以诺贝尔奖委员会选择了第一篇,实际上第一篇仅仅是把量子论推演到光电效应领域。我特别要指出的是爱因斯坦写下这五篇论文的时候,他是一个非常年轻的学者。他还没有在大学或者研究机构里面得到一个正式的职位,他这个论文,实际上都是在巴尔尼专利局任低级的专利的审查员期间业余的创作。

  以量子论和相对论为基础的近代物理学革命,将科学引入到了一个新的时代,人类认知的初期伸向了广袤的宇宙,伸向了遥远的宇宙起源之初,伸向人类未曾了解过的微观物质层面,伸向了生命领域跟神经、脑等认知器官的领域。近代物理学革命,在以后的岁月里,还引发了生命科学的革命,这一切都改变了人类的物质观、时空观、生命观和宇宙观。近代物理学革命,它催生出了核能、半导体、激光、新材料和超导技术等,促进了一批新技术的飞速发展,并且籍此而改变了人类现代的生产与生活方式,将人类推进到了一个知识经济的新时代。

  爱因斯坦以及近代物理学革命的缔造者们无疑是科学史上,乃至人类历史上一批划时代的伟人。今天我们纪念他们,回顾一百年来物理学的发展历程,并不仅仅是为了感念和追思,我以为更重要的应该从他们的成就和发现的历程中汲取可贵的经验与启示,以便把握科学的未来,推动科技的创新。尤其是我们生活在中国的当代中国,当今时代,我们更应该从中吸取启示,提升我们的创新自信心,为国家民族自主创新能力的提升,做出贡献,为世界科学的发展做出中华民族应该有的新的贡献。

  我们现在来看看他们的成就究竟给我们带来一些什么启示呢?我认为第一、是实验和理论之间的矛盾,催生了新的科学概念。当时一些物理现象的发现,新物理现象的发现,以及预示了经典物理学解释的局限性。比如热辐射现象的新的实验观测对当时的经典物理学理论提出了置疑,麦克斯伟电磁场理论虽然能够比较好的解释电磁波以及光的传播,但是对于热辐射它的辐射跟吸收无能为力。当时有一位科学家叫基尔霍夫提出了黑体作为理想模型来研究热辐射,当时像揭示热辐射的它的发射跟吸收的规律,维恩他确认可以将一个带小孔孔腔的热辐射性能看作一个理想的黑体。因为如果这个假设存在,那么就可以得到一个比较理想的电荷及的辐射源,这个在做实验研究方面是非常有利的。一系列的实验表明,黑体它所辐射的辐射能量的密度与温度有关,而与起形状和组成的物质无关,怎样从理论上解释黑体能谱曲线,成了当时热辐射研究的关注焦点。而热辐射研究又引发了一系列物理学新的发现。我们大家都已经知道,量子理论的起点是源于热辐射的研究。这里特别要提到德国的物理学家普郎克,为了解释黑体辐射光谱的能量分布曲线,普郎克在1900年提出了一个与实验结果非常吻合的公式,表明辐射能量也像物质一样也具有粒子性,而不是连续性的,能量的分离性,辐射的能量也具有粒子性,也就是不连续性,这实际上被公认为量子理论的起点。爱因斯坦在1905年前面已经提到了,把量子的概念推广到光的传播过程,提出了光量子理论,并且成功的解释了当时已经有的光电效应实验的结果。丹麦的物理学家波尔,在1913年又把能量子的概念推广到了原子,以原子的能量状态假设为基础,建立了量子论的原子结构模型,当时波尔他坚信,原子是有核的,但是当时已经有的原子模型,不能解释一些实验看到的物理现象,比如最典型的当时做氢的能谱实验,发现有四条谱线,而且是互相分离的,波尔受到普郎克量子论的启示,认为电子可能老的原子核全转,他有不同能带的轨道,到高能带到低能带跃迁的时候,就可能发出光量子,能带的极差如果不同,当然它量子所含的能谱,他所反映出来的能谱也是不同的。轨道如果是有限的,当然它的能谱是不连续的,成功的把量子概念引入到原子模型当中。但是波尔建立起来的原子模型,它满足了粒子性的条件,但是又不能够满足波动性的条件,因此德国另外一位物理学家海森伯,他直接走了另外一条途径,直接从光谱的频率和强度的经验资料出发,在1925年提出了矩阵量子力学。

  另外有一位差不多同时,或者稍晚一点,奥地利的物理学家薛定諤,他改进了德布罗意基于波粒二象性的物质波理论,提出了波动量子力学。意大利后来移居到美国的费曼,他的研究不仅证明了矩阵和波动两种量子力学的数学的等价性,而且又发展出了第三个等价的方法,就路径积分量子力学,从这里我们也可以看到,量子论的发展不是一个人的贡献,而是一批科学家的共同贡献,对一个物理现象的数学描述,他的工具与方法,也并不完全都是唯一的,至少在发展的过程当中,它也是多样性的,最后当然大家会逐步统一到一个最佳的方法上面来。正是热辐射这一个疑难问题,成为了量子论诞生的逻辑起点,作为能量的量子概念诞生它是在1900年,普郎克最早提出的,他的推广导致描述微观粒子运动的量子力学在1920年以后逐步完善,大概25、26年左右,并且进而与狭义相对论结合,发展出描述微观粒子产生跟奥秘的量子场论。量子场论的发展,也经历了经典量子场论,规范量子场论,分别是对称的跟不对称的,和超对称量子场论这三个发展阶段,量子场论不仅揭开了人们肉眼看不见的微观物质世界的规律,也加深了人类对宇宙演化的理解,更新了人们认识客观世界的方式,并且也带来了一系列重大的技术方面的突破。所以从这点可以看到,科学归根到底是证实知识体系,一旦理论与严密的实验结果出现了不一致,无论这种理论权威性如何,无论这种理论曾经得到多少人,多少年的信奉,作为一名科学家,都有理由去质疑这个理论本身,并且努力去完善它,或者创造新的理论去替代它。科学探索的最终结果是对发现的自然现象做出精确的理论解释,而做出理论解释,不仅需要有严谨的科学态度,理性的质疑精神,更需要深邃的思考能力和缜密的分析能力,以及理论思维的能力。我们前面看到的这些科学家,他们不光注重实验,而且注重理性的思维,而且注重运用数学的工具来进行科学的概括。这是第一点。

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