王恩哥教授物理与人类未来[方案]

1、物理与人类未來亲爱的王振峰校友，您好！2011年9月4日，中国科学院院士、笫三世界科学院院士、北京大学物理学院院长、北 京大学研究生院院长王恩哥教授在光华管理学院为emba校友做了一场关于“物理与人类未 来”的主题演讲。以下是演讲的主要内容：王恩哥：大家晚上好!我一直在想，不做物理的人对物理是怎么来看的？有一次是我在美国坐飞机，邻座和 我聊天。他问我，他说你是干什么的？我说是学物理的，这个人说“哦”，然后就不再说话 了。我一玄在猜，这个人为什么会这样？有一次一个家长问我，物理这么难，花力气去学, 学完了以后将来干什么？我愿意耗我一生的精力，做好物理，再让更多的人懂得，物理是有 多冇趣。物理研究

2、的领域非常广泛，大到宇宙、星系，小到夸克，快可以达到阿秒，慢可以长 达亿年，我想象不到哪一个学科可以做到这样，不论是文科还是理科，不论是自然科学还是 社会科学。物理学研究宇宙物质存在的一种基本形式、物质的性质、物质的运动规律、物质z间 如何相互作用、相互转化，以及各种物质形态内部结构的基本规律。总而言z,就是研究这 种自然的一种存在形式、它的运动规律等等一些最基木的东西。严格来讲，物理是自然科学 当中最基础的科学，很早的时候人类就开始研究物理。物理学中冇一个很重要的分界线，那就是1900年。在此z前的物理叫做经典物理学， 主要研究的就是经典的力学、热学、电磁学、光学，非常基础，在这之后，整个上

3、世纪的100 年叫做近代物理学，它研究两件事，一是相对论，一是量子力学。20世纪以前，经典物理学所建立起来的基本规律，首先从力学开始，后来研究热、研 究磁、研究光，所冇的都是围绕人能够够得到的、看得见的、感受得到的物质。第一，力学。1589年，伽利略第一次提出了惯性的概念。我经常在想，很多物理学的 规律在社会上也是适用的。比如说，像中国这么大的一个国家，你想让它好，并不容易；但 是一旦好起来，你想让它坏，也不容易，因为它不是一个小国家。这实际上就是惯性的原理。之后开普勒开始研究太阳星系的规律，研究轨道定律，以及周期定律。接下来在1687 年前后，牛顿写了一本书叫作白然哲学的数学原理，这本书非常

4、非常好，牛顿用数学的 语言來表述，然后对于基本定律进行定义，从而建立了经典力学的完整理论。第二，热学。焦耳在1840年捉出來热力学笫一定律，即能量守恒和转换定律。能量产 生的时候不能被消化掉，一定是从一种形式转化为另外一种形式。因此，他提出第一种永动 机不能实现。1842年，卡尔文给出了热力学的温标，定义了我们现在温度中的零度；接下來 他乂和克劳修斯一起建立了热力学第二定律，也就是第二种永动机-定不能存在；接下来, 能斯特提出热力学第三定律，即绝对零度永远达不到。这些热力学基本定律再加上热平衡定 律就构成了完整的热力学的体系。热力学讲的是宏观的规律，但没有讲到热的木质。热的本质是大最分子的剧烈

5、运动。一个材料很热，就说明里面的分子运动很激烈，所以会发出能量。因此，要想研究根本的物 理原因，就要研究分子的运动规律。分子的运动规律要用原子來计算是不可能的，只能靠统 计。物理研究需要做大量的试验，通过统计分析得到结果，试验越多，最后得到的结果就越 准确。第三，电磁学。库仑定律跟万冇引力是不一样的，万冇引力是讲任何两个物体之间都 存在相互吸引的作用；而电则不一样，它有同性相斥，异性相吸的性质。后來人家发现，电 跟磁是一回事，一个磁场会诱导一个带电东西的运作。1864年，麦克斯韦建立了一个基本方 程组，将电和磁极其完美的统一起来。无论哪位物理学家，在看到这个方程组时，都会从心 底发出由衷的赞叹

6、。后来，人们又发现了电荷守恒定律，电荷町以转移，但不能产生和消失。第四，光学。17世纪的时候，以惠更斯为代表的一些人认为，光的传播是有波动的， 是在一种介质里面波动，好像你拿-个皮筋，抖动起來，绑在门上，这边-抖，波从这边抖 到那边，然后又反射过来，虽然我们看不见，但光就是这样走的。与此同时，牛顿提出了另 一种观点，他认为，光是由微粒來传播的，即“微粒说”。由于牛顿在物理学界的崇高地位, 他所提侣的“微粒说”得到了绝人多数人的认同，直到麦克斯韦成功论证了光是一定波长范 围内的电磁波，正确的“波动说”才受到承认。二十世纪而经典物理学的发展堪称完美，著名科学家开尔文在一次报告中谈到，“在己 经基本

7、建成的科学大厦中，后辈的物理学家似乎只要做一些零碎的修补工作就行了，但是, 在物理学晴朗的天空的远处，还冇两朵令人不安的乌云”。这两朵乌云，一个是卡尔文认为 热辐射的紫外灾难冲击了电磁理论和统计物理；另一个就是麦克尔逊-莫雷实验，它的结果 否定了 “以太”的存在。然而，正是这两朵乌云，使得物理学摆脱了经典物理思想的束缚, 完成了近代物理学的深远革命，为后來层出不穷、不断涌现的高科技奠定了基础。笫一朵乌云是黑体辐射紫外灾难。物体能够吸收得越多，它发射的频率也越多。棊于 这一点，人类开始研究，假设造出一个黑体，它发射的频率和它辐射的能量将呈现怎样的1111 线规律。实验中这个黑体很简单，就是做一个

8、盒子，在盒子上面用针扎一个洞，然后把内壁 弄得比较粗糙，涂上黑色，这吋光从小黑洞照进去的时候，发现它出不来，消失在里而了。 这时给这个盒子加热，又发现从这个洞里发出东西来，这样就对以看到频率与能量的规律。 根据这样一条实验的曲线，物理学家捉出两个公式。一个公式在低频的时候稍微冇点出入, 但在高频时是符合的，这就叫低频灾难；另外一个公式在低频段非常好，但是在高频时就发 散了，这就是紫外发散灾难。这个实验非常简单，但是实验结果却无法得到很好的理论解释。真疋解释这件事情的是德国的科学家普朗克。他发现，黑体辐射从小洞里发射东西的 时候，是一个一个出来的，每一个都跟一个常数ii有关，叫做planck常数

9、。普朗克打破了 经典物理学屮任何事情都有联系的概念，他认为事物很可能是断断续续的，每一个断续的基 本单位就是h,即planck常数。根据普拉米捉出的公式，就可以得到一条完全符合实验结果的曲线，但是他讲不出任 何的道理。普拉米的研究启发了爱因斯坦。物理中有一种现象光电效应，是指紫外光照射到 一个金属板上去的时候，就会发射出一些电子来，从板上能接产生电流。1905年，爱因斯坦 提出了光电效应的量了理论，认为最小的能量叫做光量了，这一理论解释了光电效应。1921 年的时候，爱因斯坦拿到诺贝尔奖。冇人认为爱因斯坦拿到诺贝尔奖最人的贡献是相对论, 而我个人认为，光电效应绝不亚于相对论。尽管拿了诺贝尔奖，

10、爱因斯坦的工作并没有在普 朗克的基础上走得很远，两个人都有猜测的意思，并没有告诉人们这个常数是什么。后来做出重大贡献的是波尔，1913年他提出了氢原子的模型。他提出，电子是i韦i绕原 子核运转的，电子运转的轨道是一定的，如果想调整轨道，就要提供能量，增加能量时电 子就可以跳到高的轨道上，而从高的轨道上跳卜來吋，电子会往外发射能量，发射的能量就 是常数h。波尔的氢原子模型在物理上彻底解释了常数h的由来，这一模型非常伟大。接下 來人们开始解释波粒二彖性，即光既冇波的性质，又冇粒了的性质。支持波粒二彖性的一系 列试验都证明了这一模型，1925年，海森堡提出了矩阵力学；1926年，奥地利的薛定谭提出

11、了波动方程。这些物理学家都得了诺贝尔奖。那个时代，物理学经历了一场重大的变革，物理学家认识到，微观物质粒子运动的力 学规律不再是以牛顿三定律为基础的经典力学，而是反映物质波和粒子双重属性的量子力 学。第二朵乌云是以太。人们认为物质要传播一定要通过一个介质，因此，光的传播也一 定有一个介质，这个介质就是以太。后來人们做了许多非常巧妙的试验，试验结果相互矛盾。 要想解释这些试验，只能承认以太是不存在的，这是物理学里而非常重要的反证法。通过这 一方法，物理学家做出了一个结论，即以太是绝对不能存在的。在以太不存在的前提卜s 1905年爱因斯坦发表了另外一篇论运动物体的电动力学 的论文，提出了相对论的思

12、想。相对论可以解释人们口常生活中的有趣现象。假如在一个静 止的参考系中，沿着x方向放一把尺子，然后在火车上看它，沿着x的方向，以火车的速度 來看，就会感觉尺子短一些，而且吋间也会放缓慢，如果把人送到那个参考系中，达到一定 的基本条件，这种现彖就会出现。量了力学里最有用的一点是开发出半导体；而相对论里授冇用的一点就是指出怎样产 生能量，即e=mc%这一等式说明，一个质量为m的物体里面，总的内能等于mb。如果能把 一-个物体里的内能全部释放出來的话，-克物质可以释放的能量人约等于2500万电，基于这 一点，人们开始研发原子弹。所有的化学反应，原子不会变，只是从一组状态变成另外一组状态，所以基木的内

13、能 没有发回来，因此煤、石油等能源很不划算，一卡年一卡车的运煤，其实也烧不了多长时间。 原子核发牛反应，包括核裂变和核聚变。核裂变是从一种核，加速，变成小的核。目前所有 的反应堆全是核裂变，但它的缺点是会产生一些对环境和人危害很人的副产品。核聚变是轻 的核以更大的能量被聚在一起，形成-个重的核。核聚变在地球上现在并没有真正的实现, 而口然界早就实现了，a阳就是核聚变。从物理上讲，核聚变是我们能获得能量最高的形式, 它是核裂变的六倍，核裂变对以把内能釋放，通过核裂变产生的能量是所有内能的1/1000, 而核聚变是6/1000,如果能做到核聚变，整个能源问题将被彻底解决。现在人们正在研究核 聚变。

14、经典物理加上近代物理，基本就构成物理学的全部了。诺贝尔奖100年的时候，人家讨 论，发了这么多年的诺贝尔奖，有儿个发得真正有价值？大家通过投票，最终认为三个诺贝 尔奖是最有价值的，第一个是量子力学，跟量子力学沾边的诺贝尔奖至少有十个；第二个是 能源领域的相对论；第三个是生命领域的dna,而dna 半是物理学家做的。因此，物理这 种基础科学不但对科学研究非常有用，而且对人类社会影响十分巨大。以电子为例，最初被 发现的时候，大家都很兴奋，但很快乂说，电子并没有什么用，但是今天整个工业界都是跟 电子打交道。所以，基础研究的作用确实非常大。20世纪以前，科学技术在经济发展中一直处于从属地位，基本特点就

15、是生产的实际需 要刺激技术的发展，从而进一步形成理论，理论往往在实践z后，最典型的例了就是蒸汽机 的发明。18世纪中期以后人类就造出了蒸汽机，但直到100年之后人们才知道蒸汽机的原理。 20世纪z后，情况就不一样了，吋至当代，科学理论不仅走在技术和生产的前面，而且为技 术和牛产开辟了各利呵能的途径，比如量子力学的出现导致了半导体、计算机的发展、信息 活动，等等。接下來，我要告诉大家，物理在这些重要的科学领域里扮演了一个什么样的角色。首先讲讲能源问题。现在为什么出现能源危机？这跟探索的存储屋等等有关。口前石 油开采越来越难，人家发现，沙子里而有油，但是要是提取出来却很难实现，于是大家开始 考虑太

16、阳能、氢能、核能等更多的方法，述有核聚变。现在各国都在做这方面的研究，国内 也在做。2003年，科技部极力推动参与六国共同发起的核聚变计划，而另一派科学院坚决反 对。当时最大的争论是，小国如果参加这个计划的话，整个计划是100亿美元，小国人概要 投儿十亿人民币，现在中国这么穷，搞这个干什么？但是这种基础研究一旦成型，将很有价值。再讲一下生命科学。2003年正值dna结构发现50年，温总理和其他5国总理共同宣布， 人类基因组己经彻底的描绘完善。这就相当于画出了地球的地图，但还并不知道哪一个地方 冷，哪一个地方热，也不知道不同地方分别在干什么。所以，把dna组图価出来只是一项非 常基础的事情，z后

17、的事情还有很多，所谓的后基因时代，人们又做了很多工作。冃前，只 冇耳聋、肥胖等少数问题的dna大致知道了，其他更关键的都尚未发现，比如肝细胞克降。 如果肝细胞克隆做成功的话，我们可以从很简单的东西上拿一块肉就克隆出一块肝脏，英至 不需要肉，随便一个东西都可以克隆。这样的话，治疗恶性病将真正起到作用。后基因时代 人们而临着巨大的挑战。在讲讲纳米技术。纳米实际上不是一个物质，而是一个尺度。地球的直径是10的7次方,人是10的零次方，纳米的尺度是10的负7次方到10的负10次方，这是一个完全崭新的世界， 一个“小人国”的世界。纳米是一种交叉科学，用纳米来研究各种材料，将引发一场深刻的 革命。所以尼尔

18、莱恩说，“纳米技术并不只是向小型化迈进了一步，而是迈入了一个崭新的 微观世界，在这个世界中，物质的运动受量子原理的主宰。”进入纳米世界，就要了解它的 运作法则。因此，纳米技术第一是要创造这个小人国，第二是在这里要制定它的法律，然后 再改变它。目前这其中还有很多事情没有做，因此纳米科学未来非常有潜力。纳米世界中的 物质跟広观世界上很多物质都不一样，在住物、能源等方面，纳米技术都止在发展和应用。物理无时无刻不在影响周围的生命。而门物理实际上非常有趣，当你钻研进去，就会 觉得既轻松，又冇趣。去年美国纽约笫四届科学节li, 一个乐队和一位物理学家一起表演宇 宙是怎么回事。这个音乐是一个物理学家写的，用15种不同的音乐录制之后混合在一起，描 写宁宙是平衡的规律，非常有趣。所以我想，物理学和艺术都试图更好的理解世界和宇宙, 只是从不同的角度在看待。当允许这两者融于一体的吋候，物理学和艺术的任何一方都能帮 助另一