漫谈物理学的过去、现在和未来

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1、漫谈物理学的过去、现在与未来冯端(南京大学物理系固体微结构物理国家重点实验室南京210093)摘要文章试图对物理学的发展历史作一透视，从而理解其现状，并进而窥测其未来的前景。我们希望这一看法对于当今从事物理学教学与科研的人士有所助益。由于物理世界的层次化，诸层次之间既可能存在耦合，又可能出现脱耦。因而大量粒子所构成的复杂体系中所涌现的各种层展性质就不能简单地还原成个别粒子所服从的规律。我们根据这一观点并结合物理学的未来前景，讨论了当今物理学研究的若干前沿问题。一切迹象预示着物理学将有光明的前景。关键词物理学，历

2、史，现状，前景，前沿，物理世界的层次化，层展性质本文系国家自然科学基金资助项目“物理学的过去、现在和未来”是一个非常大而且重要的题目，也是一个非常难讲的题目，特别是涉及物理学的未来，结果往往是贻笑大方。这里以历史的透视为主线，提出一些个人不成熟的看法，抛砖引玉，希望得到大家的批评和指正。1历史的透视对物理学的发展历史进行透视，将有助于我们来理解其现状并进而展望其未来。历史很长，不能样样都讲到。我想从牛顿开始，牛顿以前还有很多先驱性的工作，只好从略了。1.1经典物理学的盛世(17世纪至19世纪末)我们不想详细讨论

3、历史，主要考虑那些还在用的物理学知识。第一次综合(统一)是l7世纪牛顿力学构成了体系。可以说，这是物理学第一次伟大的综合。牛顿力学实际上是将天上的行星运动与地上的苹果下坠概括到一个规律里面去了，建立了经典力学。至于苹果下坠启发了牛顿的故事究竟有无历史根据是另一回事，但它说明了人们对于形象思维的偏爱。牛顿实际上建立了两个定律，一个是运动定律，一个是万有引力定律。运动定律就是在力作用下物体怎样运动的规律；万有引力是一种特定的物体之间存在的基本相互作用力。牛顿将两个定律结合起来运用，因为行星的运动或者地球上的抛物体运

4、动都离不开万有引力的影响。牛顿从物理上把这两个重要的力学规律总结出来的同时，也发展了数学。他也是微积分的发明人。他用微积分来解决力学问题。由运动定律得出来的运动方程，可以用数学方法把它具体解出来。这体现了牛顿力学的威力，它具有解决具体问题的能力。假如你要计算行星运动的轨道，基本上可以按照牛顿所给出来的物理规律，加上用数学方法解运动方程就行了。根据现在的轨道上行星位置，倒推千百年前或预计千百年后它们的位置都是轻而易举的，从而开拓了天体力学这一学科。海王星的发现史就充分显示了这一点。人们发现天王星的轨道偏离了牛顿定

5、律的要求，问题在哪里呢？结果认为牛顿定律正确无误，而是在天王星轨道外面还有一颗星，对它造成影响，并估计出这个星球的位置。果然在预计的位置附近发现了这颗星，命名为海王星。这表示牛顿定律是很成功的。按照牛顿定律写出运动方程，若己知初始条件位置和速度，原则上就可以求出以后任何时刻的粒子位置。到19世纪，经典力学新的发展表现为一些科学家重新表述了牛顿定律。重新表述有拉格朗日(Lagrange)方程组、哈密顿(Hamilton)方程组。这些重新表述形式不一，实质并没有改变。在不改变实质的条件下，用新的、更简洁的形式来表述

6、牛顿定律。这是一个方面。另一个方面，就是将牛顿定律推广到连续介质的力学问题中去，就出现了弹性力学、流体力学等。在这一方面,20世纪有更大的发展，特别是流体力学，空气动力学和航空技术的发展密切相关,而气动力学的发展又和喷气技术密切相关，进而牛顿力学还构成了航天技术的理论基础。因此我们说牛顿定律到现在为止还是非常重要的，牛顿定律还是我们大学课程中不可缺少的一个组成部分。当然，其表述方法应随时代发展而有所不同。读者如果有兴趣，不妨去翻一翻牛顿当年的表述。牛顿关于力学研究的成果，写在一本叫《自然哲学的数学原理》(简称《

7、原理》)的巨著中。只要稍微翻一下这本书，就会发现它非常难懂。牛顿的一个重要贡献是从万有引力定律和运动定律把行星运动的轨道推了出来。我们现在学理论力学时，行星运动的椭圆轨道问题是不太难的，解微分方程就可以求出来。但牛顿在《原理》里，没有用他的微积分，更没有用解微分方程的方法，他纯粹是用几何方法把椭圆轨道推出来的。现代科学家就不一定能看懂他这一套东西。举个例子来说，费曼(R.Feyman),有名的理论物理学家，他写过一本书，他说他自己对现代数学比牛顿强得多，但对17世纪牛顿当时熟悉的几何学他就不一定能全部掌握，他花

8、了好些时间，想用牛顿的思路把椭圆轨道全部证出来，结果，中间还是有些环节证不出来，最后他不得已调整了一下方法，没有完全依照牛顿的证法，但基本上还是用几何方法把这个问题证明出来了。科学理论的表达是随时代变化的。现在来看，牛顿运动定律的关键问题，譬如行星运动是椭圆轨道，现在应有可能在普通物理中讲了，因为简单的微分方程已经可以用计算机求解了。由于计算机的发展，也许今后在普通物理中讲牛顿定律时，