如何发展中国的理论物理-第1部分

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周光召
今天在座的有许多著名的理论物理学家，特别是很多年轻的物理学家，我离开理论物理领域有相当长的时间了，按道理今天做这个报告并不是很合时宜。今天这个会是希望引起基金委领导对理论物理的重视，所以在理论物理所领导的一再要求之下，我勉为其难讲几点意见。

20世纪理论物理发挥了重要作用
20世纪是物理学的世纪，这毫无疑问。而理论物理在20世纪的物理学中发挥了非常重要、可以说是极其光辉的作用。大家都是学理论物理的，这点并不需要花很多时间来说明。20世纪最重要的发现是相对论和量子力学，以及以后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、化学等所有领域都产生了深刻影响。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，所有这些领域中，都起着重要的作用。20世纪古典物理也在继续发展，特别是在一些特殊状态，像等离子体状态，还扩展到很多其他的领域，直到为国民经济服务的一些领域，都有物理学家的影子。理论物理学发展的很多思想和方法，如刚才郝柏林提到的标度律（scaling），很多领域现在都在加以应用。拿《“理论物理专款”十周年总结》这本书来说，里面提到了1990—2003年的诺贝尔物理学奖，一共14个奖中4个是理论物理学家获的奖，有德热纳（P。－G。　de　Gennes）、劳克林（R。B　Laughlin）、霍夫特（Herardus’t　Hooft）和韦尔特曼（Martinus　Veltman），以及2003年获奖的阿布里科索夫（A。A。Abrikosov）、金茨堡（V。L。Ginzburg）和莱格特（A。J　Leggett），他们都是理论物理学家。20世纪理论物理在发展物理学以及相关的学科方面起了非常重要的作用，所以这一学科应该在中国得到支持和发展。我讲的第一个问题，就是帮助我们的所长向基金委呼吁，继续重视理论物理。

发展理论物理的条件
理论物理发展需要什么条件，我想通过量子力学的发现来说明这个问题。量子力学发现过程中的环境、它的学术风气之好，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非常困难的条件下产生的。我最近才知道，在第一次世界大战以后相当一段时间内，德国科学家在世界上是受到排挤的，所有国际会议，都不邀请德国科学家出席，只有爱因斯坦例外。爱因斯坦当时虽然在德国工作，但是他讨厌德国军国主义，很早就放弃了德国国籍，加入了瑞士国籍。同时爱因斯坦一开始就是反战的，虽然他当时呆在德国柏林。战后的国际会议，只邀请他一人参加，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德国科学家。德国科学家当时在国际上处于相当孤立的位置，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，由于所有其他德国科学家都没有接到邀请，爱因斯坦接到邀请以后，拒绝参加。他说，科学是不能由政治来划分的，科学应该是没有国界的，不应该因为政治因素而影响科学家的交往，所以他拒绝出席。爱因斯坦虽然很讨厌德国的政治，但是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、优秀的青年科学家。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个最优秀的理论物理学家，当时他们非常年轻，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儿，玻恩也是诺贝尔奖获得者，海森伯在格丁根呆了一年以后，又受到哥本哈根的玻尔教授的邀请，在哥本哈根呆了一年。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，他在索末菲那儿学会了要攻克难题。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，海森伯学了很多数学，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，海森伯跟玻尔学会了物理思维方法，玻尔是物理学家，物理思想很好。海森伯受到了多方面的训练，1925年从哥本哈根再回到格丁根以后，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。当时还有一大批年轻的科学家，在法国有德布罗意，在英国有狄拉克，在意大利有费米，可以看到当时有一大批非常杰出的年轻科学家，在欧洲各国不同风格的老一代科学家培养训练下，得到了全面成长。　

第二个条件，当时学术争论的空气非常激烈。激烈的争论主要是由爱因斯坦和玻尔引起的，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，只注重观察到的现象怎么来解释，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。1924年，为了解释某个现象，他甚至提出能量不必守恒。爱因斯坦完全不同，他坚决相信在观察现象的后面存在一个真实的客观世界，这个世界是有必然规律的。爱因斯坦是一个伟大的天才，他在量子论上的贡献，其实非常之大，现在有人认为，他不太喜欢量子力学，而不很重视他对量子论的贡献。从历史看，这是不对的。爱因斯坦对量子论的贡献一直到1924年为止都是非常领先的。首先，他在1905年解释光电效应，把光既是粒子又是波动这个问题提了出来，以后爱因斯坦也一直在思考光为什么既是粒子又能是波动，他也非常接近于认为电子也应该既是波动又是粒子，因为他当时已经有了一个建议：所有物质的振动都应该量子化，成功地解释了固体的比热。所以他很早就认为不仅光是量子化的，物质的振动、声波都是量子化的，所以一切这些物质都具有粒子和波动的双重性，虽然这点他不是明确指出的。但是他对这个矛盾，心里始终不太踏实，怎么解释？怎么可能？他一直在思考这样的问题，一直也得不到解决。他说他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，用了一个新的办法推导普朗克的辐射规律，由于他的文章未被杂志接收，他寄给爱因斯坦，希望爱因斯坦把它推荐给德国的杂志。爱因斯坦看了这篇文章以后觉得很好，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，但是每一次都谈不拢，互相争论得非常厉害。这种争论，我想对双方都起了很大的作用，这个争论不像有些书说1932年才开始的，量子论还没有出现之前，他们就开始争论量子论的本质是什么，这个争论当然也给下一代的学生带来很大影响。所以像海森伯就敢于和玻尔去争论，玻尔比他年纪大很多，相当于他的老师；像泡利更不必说了，泡利是有名的愿意批评别人的人，他当时对什么东西都要给予他个人的评价，大家对他都很尊重。泡利是少有的聪明人，他跟海森伯是同学，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。泡利的聪明大家都知道，在他19岁还是学生的时候，就写了一篇精彩的广义相对论的总结文章。我在当学生的时候读过这篇文章，这篇文章可以说是几代学习相对论的人必读的一篇文章。泡利的聪明是无可怀疑的，以至于当时有人说泡利的聪明超过爱因斯坦，但是他的成就没有爱因斯坦高。

泡利和爱因斯坦有很大的不同，爱因斯坦是很专心一致的，他想一个问题，一心钻进去。泡利对任何问题都有兴趣，他都要发表意见，人家也愿意听他发表的意见，他的意见在当时非常重要，他要做什么，写一封信给谁，在物理界就要传。一直到1957年我到了苏联以后，还发生了一件事情。当时海森伯提出了一个新的非线性的场论，大概是想统一来解决世界运动的基本规律。由于是海森伯提出的，所以引起理论物理学家广泛重视。当时苏联的大物理学家朗道也知道了这件事情，但是他开始没有表态。当时有一位意大利的物理学家在苏联，他是费米的学生，他们感到朗道这个人太骄傲，像个大权威，说什么话都不能反驳，所以他们要开个玩笑，这个玩笑怎么开呢？他们在4月1日愚人节草拟了一封信，让一位刚刚从欧洲回来的波兰科学家交给朗道，这封信中说，泡利认为海森伯的这个理论非常令人信服，是非常重要的。朗道有一个很有名的研讨会，这封信是在开研讨会时转交给朗道的，朗道看了信以后，态度立刻来了一个非常明确的转变，把这个理论大吹嘘了一顿，做这件事的人就觉得很好笑了，他们拟信的时候就安排了陷阱，那个信开头有几行字，把头一个字母竖着念的话就是俄文的“傻瓜”，等朗道大吹嘘了一顿以后，他们就说你的信念得不对，竖着念一下，结果朗道一下体会过来，大怒之下走了，会也开不下去。这只是说明泡利当时的影响之大。

泡利非常聪明，有时也会做出错误的判断。1956年，他就认为杨振宁和李政道的宇称不守恒不可能。不管怎么样，当时争论的气氛非常之热烈，这种争论的气氛没有上下的关系，没有任何的顾忌，我想是促使当时理论物理能够快速发展的原因之一，而且因为那个争论，对薛定谔才有影响，因为他不赞成哥本哈根那套哲学，所以才去发展了波动力学的理论。那时候爱因斯坦和薛定谔是站在一边的，觉得量子力学不应该像哥本哈根学派那样解释。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，他们两个有一次吵到半夜，海森伯还哭了一场。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，而且即使是反对的意见，到后来也可能产生新的科学的成果。　

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，这个研究群体必须要真正能够展开学术争论和学术批评；第三，我想确实要有一些帅才，要有一些特别杰出的个人，青年科学家要能够脱颖而出，要逐渐发挥重要的作用。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、最杰出的科学家在那时起主导作用的。普朗克发现量子论的时候40岁；爱因斯坦做出了最重要贡献的时候只有26岁，今年是爱因斯坦诞辰125周年；玻尔提出原子论的时候，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多岁、40岁左右，都是中青年的科学家，而且是青年为主的，起着决定性的作用。这些人中间，又有一些个别的人特别杰出。怎么让一些特别杰出的人才能够被发现，能够成长，这也是今天的中国科学能不能快速发展的一个重要因素。　

当然像我刚才讲的海森伯，他的成长除了他自己的天分以外，很重要的是因为他受到了上一代的精心培养，他在三个地方，受到了三种不同的教育。爱因斯坦的情况完全不一样，他完全是靠自己，因为从中学开始老师就不喜欢他，而且要开除他，说你最好不要留在学校里，因为你坐在后面老笑，笑得我没法讲课。所以他中学在德国也没念完就走了。第一次考大学，那时候中学没毕业，也没考上，然后又到一个中学念了一年，才考上了瑞士的苏黎士高工，当然这是一个很好的学校，但是那些主要的教授好像也不喜欢他，因为他不好好听课，完全靠自学，考试时就要借用同学笔记，看好朋友的笔记去考试。最近我看到他考试的分数，按6分制来判分，他最高得5分或者4分。现在中国的青年学生，好像得到九十几分才满意，他不是这样。他大学毕业时想留校教书做研究没有成功，老师不要他。他去做中学老师也不受欢迎，因为他讲课方法跟别人不同，和中学校长发生冲突。一直到他的一个好朋友介绍他做了专利局职员以后，生活才安定，然后靠业余时间做研究。明年是国际物理年，我想主要是纪念爱因斯坦和量子论。1905年也是爱因斯坦创造奇迹的一年，那一年他发表了四篇文章，都是具有划时代意义的。其中关于狭义相对论两篇：一篇是讲时空的，一篇是讲E＝MC2。另外两篇是讲光电效应和布朗运动，这四篇都非常重要。　假定中国有个小孩也具有跟他一样的素质，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，但他要念自己喜欢的书，不愿意去听老师的课，不是那么循规蹈矩，这样的学生按照中国目前的教育制度，恐怕早就被淘汰了，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到欢迎。

如何培养真正能够带领整个队伍迈向一个新的台阶、哪怕是少数的这样的帅才，这个问题到现在我觉得还是一个难题，也没有找到一个很好的办法可以做到。我觉得现在我们很多体制非常之固定。在早期，清华大学就不是这样，