中科院院长路甬祥：百年物理学的启示（zt）
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。
第二、我以为重大的科学突破往往始于凝练出重要的科学问题。提出问题，可能比解决问题来的更重要。问题提出了，即便你提出问题的人在有生之年没有能解决，其他的科学家或者我们的子孙后代，总有一天会解决这个问题。所以凝练科学目标，凝练科学问题，在当代现代更加的重要。
如果你提不出科学问题，你就没有明确的工作目标。爱因斯坦提出的相对论，就是一种崭新的时空观。相对论的关键科学问题，是在于同时的相对性。相对论合理地解释了时空相互之间的联系，时空空间与物质分布相联系，物质和能量相联系，根本改造了牛顿以来经典的物理学知识体系，不仅与量子力学一起构成了20世纪物理学发展的基础，而且把人类对于自然的认识提升到了一个全新的水平，深刻的影响了人们以后的思维方式以及世界观。
相对论的创立，实际上源于作为电磁波存在假设，假想载体“以太”的一个质疑，美国物理学家迈克尔循，于1887年公布了一个实验报告，称为地球和光以太的相对运动表明，在牛顿力学领域里普遍成立的相对性原理在麦克斯韦电磁场理论中不成立。荷兰物理学家罗伦兹和法国物理学家彭加勒等都想在保留以太架说的基础上解决这一矛盾，落论字通过引入长度收缩局部时间，和新的变换关系，证明地球系统与以太服从相同的规律。彭加勒提出的相对性远离和落论兹提出的变换群则强调相对性原理普遍的有效性。彭家勒和落论兹的工作已经不自觉地偏离了经典物理学的框架，并且在向相对论的大门前进，甚至有的人说已经扣响了相对论的大门，但是他们没有勇气再向前突破原来经典理论的框架。因此创立相对论的机会跟重任还是留给了爱因斯坦。爱因斯坦他就是敢于质疑前人提出的但后来被实验证明是有缺陷的，有矛盾的假说或者是理论，他就认为，以太学说是多余的，而且更重要的是他提出了同时的相对性的这一关键的科学问题。爱因斯坦在他论动体的电动力学当中，通过严密的分析指出，同一地点发生的两个事件同时性是不依赖于观察者的，而异地发生的两个事件的同时性则是依赖于观察者的，只有指明相对哪一个观察者不同地点的同时性才有意义。同时这种相对性，我们在日常生活当中几乎观察不到，观察者的运动速度只有当接近光速的时候，才能发现它，爱因斯坦借助于同时相对性的概念，通过光速恒定和相对性两条原理，推导出狭义相对论的主要结论。狭义相对论的进一步发展就是广义相对论，这是十年以后了，1915年和统一场论，爱因斯坦以其相对论研究的三部曲向物理学的同行展示了他非凡的科学思维创造力，跟挑战已有理论跟理论体系的勇气。
第三、给我们的启示，我认为是科学的想象力需要严谨的实验证据支持。前面讲到了提出科学问题很重要，要勇于挑战已有的科学理论，勇敢的提出质疑，但是这种质疑绝不是胡思乱想，绝不是毫无根据的，狂妄的去挑战已有的真理，而是需要严谨的实验作为依据。1915年，爱因斯坦发表了根据广义相对论对宇宙学做出考察这篇论文，标志着现代宇宙学的诞生，尽管爱因斯坦的宇宙模型还是沿袭了牛顿静态宇宙观，但是他所给出的场方程却允许宇宙动态解的存在。稍候一些，1917年荷兰著名的天文学家德西特，1922年俄国数学家副里德曼以及1927年比利时的物理学家勒每特先后提出了膨胀宇宙论，美国的天文学家哈玻，所观测到的红移定律等，红移现象等有力地支持了宇宙膨胀理论。俄国出身的美国物理学家加莫夫1946年基于膨胀理论的基础上，根据引入合物理的知识，提出了宇宙大爆炸理论，认为宇宙的起源是温度和密度接近无穷大的原始火球爆炸而产生的，他的学生阿尔法等人，1948年进一步推算出了宇宙大爆炸应该发生在150—200亿年以前，并且预言大爆炸所形成的余烬在今天应该表现为5K左右的宇宙背景辐射。1964年，美国两位电讯工程师彭齐亚跟威尔逊在研究卫星的电波通信的时候，他们制作了一个非常灵敏的接收机，接收到了来自宇宙各方向强度都不变的背景微波辐射，这种微波辐射恰好相当于3.5K左右的遥远宇宙的黑体辐射，跟前面的预言是非常之接近的。这一表现被认为是证实了宇宙大爆炸学说的背景辐射的预言，随后大爆炸学说被广泛的接受，并且发展成为当代宇宙学的一个标准模型。
早在20世纪初，爱因斯坦就把地球磁场的起源也列为物理学的五大难题之一，但直到地震波方法确认了地球全层结构以后的60年代，人们才提出自激发电机假说，而它的科学认证却要等到1995年核一曼差异运动的证据获得，对于固体地球内部结构了解的进展主要借助于地震波方式，通过穿透地球内部的地震波速度变化的分析，逐步的形成了关于地球圈层结构的概念，克罗地亚地球物理学家莫霍落维奇发现地壳与地幔的分界面。德国美国地震学家古登堡发现了地幔与地核还有一个分界面，就是固体地球内部是由多层构成的，而且层与层之间有明显的分界面。雷曼发现了液体外地核和固体内地核之间也存在分界面，布伦提出了地球的分层模型，在前面发现的基础上，布伦概括总结起来，提出了地球分层模型，已经到了1946年，核一幔旋转差异，是为解释地磁场起源而提出的一种假说，后来又被用来解释地磁极性倒转的一种机制，但开始没有得到科学的证据。一直到了1960年代到90年代，美国哥伦比亚大学工作的宋晓东和理查兹，他们通过1967—1995年靠近南极的南美桑威奇群岛附近发生的38次地震记录的分析，测量了通过地球内核传到靠近北极的啊拉私家克里奇地震台的地震波速度，发现30年当中南极发生的地震波到达北极快了0.3秒，也就是说传播的速度不一样，由此直接证实了地球内核比地壳和地幔转动要稍稍快一点，大概三百年内要多转一周，如果把地球看成鸡蛋样的话，蛋黄转的快一点，三四百年当中要多转一圈，这个鸡蛋已经是臭鸡蛋了。这是一个重大的发现。
我们从爱因斯坦相对论宇宙大爆炸理论和地球磁场理论提出与完善过程当中可以看到下面几点：第一、在科学发展终结决问题是重要的，而提出重要的科学问题似乎更关键。第二、提出科学问题是科学研究的前提，提出重要的科学问题它更能够昭示科学所蕴含的创造力。第三、有时一个重要科学问题的提出甚至能够开辟一个新的研究领域和研究方向。第四、提出问题，需要对已有知识的透彻理解，需要热爱真理胜过尊重权威的科学态度，需要极强的科学观察力和洞察能力，以及创造性的思维能力，同时还需要敢于创新的勇气和信心。比如宋晓东他们两位，他们实际上主要不是依靠自己的实验数据，而是分析了近30多年的各地震台所记录的实验数据，找到了传播速度的差异，这在当代这样子可能性会更多，比如在生命科学领域，现在全世界有大量的基因组的数据，包括人类基因组，水稻基因组，蚕的基因组等等，而且这些数据都是公开的，可以用。但是到现在为止，基因组的语法，它基因组跟功能，基因功能之间的关系的规律，并没有被系统的揭示，我相信揭示这个规律的人，不一定是完成基因组的那群科学家，也许是其他另外的科学家，利用这些数据，创造性的揭示了它基因组的语法，基因组的结构与功能之间的相互关系的规律。这点来说，对于发达国家跟发展中国家工作的科学家，似乎是公平的，因为全世界科学家都可以用这些数据，天文观测当中也同样的，哈波望远镜的数据，跟我们包括粒子物理当中对撞机的许多数据，也是可以公开的获取，或者是半公开的获取，你只要参与进去，就可以分享这些数据。
第四、我认为从物理学启示当中，一条重要的启示是物理学包括其他的自然科学，都需要数学语言。因为数学是对数与形的简捷的概括和优美的表达方式，所以物理的规律，往往用数学语言来表达。
近代物理学的书写语言几乎都是数学，德国天文学家开普勒用代数方程总结出了行星运动的三定律，被誉为世界第一位数学物理学家。意大利物理学家伽利略以几何学方法论证落体运动定律，牛顿力学的三定律，用最简单的代数方程来表达的，树立了近代科学成功的里程碑。18世纪天体力学主要进展也多数是数学方法取的，19世纪实验开始上升为物理学的重要方法，实验物理学的数学化成了19世纪物理学的特点，革命导师马克思曾经认为，只有当一门科学成功地运用数学才可以认为是成熟了的学科。但是现在马克思的这一结论，还需要在生命科学领域里边得到证实，因为生命科学尤其到了分子生物学这个阶段，目前还没有一个统一的、成熟的数学方程可以概括它的规律，也许人们还没有走到这一步。在20世纪，物理学与数学的紧密关系，远非其前三个世纪所能比，并且越来越显示出数学与物理的内在的一致性。比如非欧几里得几何学与广义相对论，比如希尔伯特空间与量子力学，微分几何学与规范场论之间，似乎当代的一些新的物理理论出现的时候，都能够找到数学工具，或者是创造新的数学工具，来为之服务，来描述。因此我们可以认为，物理学不仅是数学家面临大量新的数学问题，而且某种意义上也能够引领着数学家朝着起先还梦想不到的地方前进。物理学家狄拉克和费曼提出了路径积分与泛函的内在联系，使得费曼积分的严格数学成为21世纪重要的数学问题之一。统计物理学与概率数学的内在联系，逐渐使得相变数学理论成为统计物理严格数学基础的核心问题之一。这仅仅是两个例子，我们认真去研究物理数学的对应关系，还可以找到很多。
今天我们应对生命科学的数学化还要有充分的思想准备，数学与生命科学的之间的关系，虽然现在看来，并不紧密，但是我相信，必将随着理论生物学的成长而变得越来越密切。兴许我们的后代，能够为复杂的生命现象找到简捷而美妙的数学描述方法。不仅生命科学要善于利用那些为描述生命现象提前准备了的数学工具，这在历史上也是有的，数学家也要沿着生命科学提出的那些过去的数学，还未曾梦想到的方向努力。所以这就需要生命科学家在研究工作当中，积极主动的邀请吸引理论物理学家和数学家去参与，也要求理论物理学家和数学家积极主动的关心跟参加到生命科学与认知科学研究当中去。
另外一方面，数学与物理的结合一个重要的标志是电子数字计算机，我们不妨看看，计算机理论发展的历程，1936年英国数学家图灵提出机械计算机模型。这可以认为是本来需要人脑所进行的计算过程，有可能依靠机器来进行。1938年，两年以后，布尔他提出用布尔代数分析复杂的开关电路。这当然应该是当代计算机的一个数学基础。1940年，美国数学家维纳提出，自动计算机应该采用电子管的高速开关组成逻辑电路，以进行二进制加法和乘法的数字运算。维纳的贡献，就是把香农提出的二进制方法找到了物理模型来实践，高速开关电路。包括他的计算器，也是两种状态的计算器，一直沿用到现在仍然是主流。1945年匈牙利出生的美国数学家冯诺依曼提出了计算机应该有内存预制的，而且可编的程序。就是计算机不光要有运算器，要有集成器，而且还应该有一个可编程序系统，从而完善了当代计算机的理论框架。
在这些思想指导下，人们研制出数字计算机，电子计算机经过了电子管、晶体管、集成电路等各阶段，发展成为能为广大公众普遍运用的PC电脑。电子数字计算机是一种延扩大脑的机器，它是数学与物理结合的产物，而它的产生又对数学和物理学产生巨大的影响，不仅是数学和物理，对所有的人，包括自然，乃至于经济社会，产生出了物学的数学实验，我们有理由期待数学与生命科学结合的生物计算机的出现，并且通过它来理解人的大脑的运作等诸多生命活动复杂的规律，这些至今人们还不太清楚。
第五、新仪器的发明为当代科学打开了新的途径跟窗口。人类最早的时候是用肉眼来观察周围世界的，后来出现了光学望远镜和显微镜，他们在20世纪分别发展成为射电望远镜和电子显微镜，一个是宏观观测生物宇宙空间，一个是微观观测深入观测生命现象和分子构造，观测物质的分子原子结构，甚至人们还想深入到原子内部，这就不是显微镜可以看到的，因此发展了粒子加速器，发展了超级的计算机。科学家们依靠放射性物质和来自宇宙空间的高能粒子，对一些原子核内部的物质特性进行探索，加速器的发明使人类深入到微观的粒子世界，发现了μ介子，π介子和K介子等重要粒子。加速器的发明跟发展也经历了差不多70年左右时间的努力，到现在。自加速器产生了π介子以后，许多新粒子接踵被发现，1960年又发现了一批被称之为共振态的粒子，正是在这些粒子的分类研究基础上，建立了夸克模型，并且不断验证和完善，推动了基本粒子的标准模型和完善。在加速器原理的基础上，发展起来的同步辐射装置和自由电子激光装置，作为可调光源在基础科学研究和工业领域都有着广泛的应用。现在我们国家除了北京对撞机同时分时作为同步辐射光源使用以外，我们已经有合肥的科大的专用的同步辐射光源，正在建设新一代的上海同步辐射光源。电子数字计算机对于物理学研究来说，我看有两方面的意义，一方面是面对没有解析解的无理方程现在可以用计算机实现数值解。另外一方面，对实际上不能实现的某些设想的实验，可以先由计算机来进行模拟，因此在原有的实验方法和理论方法之外，物理学又获得了一种新的方法，数学实验，数学实验是一种介于经典演绎法和经典实验方法之间新的科学探索的方法，其实质是对于客观现象进行实验，他并不是对客观现象进行真正的实验，而是对它们的数学模型进行验证和实验。数学模拟，他包括四个基本方面，一个是建立对象的数学模型，拟定分析模型的数值方法，编制实现分析方法的程序，在电子计算机上执行程序，有的时候还要设定一些优化的目标等等，数学实验使得物理学最终形成了实验物理、理论物理和计算物理三足鼎立的格局，但是光靠计算是计算不出真理来，计算物理，它最后的结果，还是要通过实验物理进行验证，还要寻求更加精确的理论构造，这是无疑的。
在科学已经越来越依赖于研究手段的今天，实验手段的进步不仅可以有助于理论突破，甚至可以打开新的窗口，改变科学家的思路，开辟新的研究领域，任何轻视实验手段和方法的思想，都可能使科学处于停滞和陷于困境。这也是为什么在理论物理取得巨大成就的今天，人们还要耗费须资，去制造对撞机，去制造天文望远镜，去制造聚变实验装置，去制造一个又一个有巨大分辨率的电子计算机，核磁共振设备等等。
第六个启示是物理学与生命科学之间相互作用。生命是物质的，所以物理学的发展也必定要涉及涵盖生命物质的规律的研究。物理学与其他自然科学交叉与相互作用，曾经产生并形成了科学物理学，生物物理学和心理物理学，天体物理学、地球物理学，大气物理学海洋物理学和空间物理学等诸多的交叉学科，这种交叉和相互作用最突出的表现还在于，20世纪的生命科学在物理学的基础上发生了革命性的变化，也就是DNA双螺旋结构的发现以及分子生物学的信息。
1953年美国生物学家沃森和英国化学家克里克发现了DNA双螺旋结构。1954年俄国籍的美国物理学家伽莫夫提出核干酸三联体的遗传密码。1958年克里克提出了遗传信息传递从DNA到RNA再到蛋白质的中心法则。1961年法国生物学家雅各布和莫诺提出了基因的功能分类和调节基因的概念等等，在这些以后，几乎所有对生命现象的研究，都深入到了分子水平，去寻找生命本质规律，分子生物学成为了生命现象研究的核心领域，发展成为了发展生物技术的源泉。
1970年基因重组开辟了基因技术工程应用的可能性，从而使人类看到了运用生物技术造福人类的广阔的前景。生命科学的这种革命性的变革正是物理学、化学和生物学等相互交叉的结果，在这个过程当中，物理学的概念与方法以及物理学家深入到生命科学领域进行探索，为此做出了重要的贡献。所以现在看来，学生命科学跟学物理之间，包括跟数学之间，没有不可跨越的鸿沟，许多有成就的生命科学家，有些就是来自于物理学、化学等其他领域。有许多原本学物理的科学家，他成名以后，兴趣转移到去参与生命科学的研究，量子力学的创立者薛定蛾，1944年写过《生命是什么》，这一书曾深刻影响了一批物理学家和生物学家的思想，促成了分子生物学诞生出了三个基本的学派，这就是比德尔代表的化学学派，德尔布吕克代表的信息学派，以及肯德鲁代表的结构学派。物理学的X射线晶体衍射方式，为结构学派认识生物大分子的晶体结构提供了有力的手段。我们生物物理所，在这方面比较强，物理学加莫夫率先提出了三联体有利的推动信息学派的成长，等等，但是我相信，三个学派最终是要共同的合作，努力才能根本揭示生命现象的整体奥秘。结构是重要的，生命现象内部以及内外之间的信息传递，也肯定是重要的。它的生命现象的信息传递，能量传递，物质传递，许多是通过化学方法转化的。因此生化也依然是生命科学一个重要的基础，这是毫无疑问的。同时我们也要重视生命科学对物理学的影响，量子论的重要创立者之一波尔曾经号召物理学家关心生命现象研究，他当时的目的，主要还是想在生命现象中寻找量子物理适用的界限。当然我们今天，物理学家已经把一部分眼光注意力转到软物质，生命物质方面来，这是一个大的趋势。
第七、社会需求的拉动以及科学与技术之间的相互作用是推动物理学近百年进步的根本原因。1897年物理学家提出晶体的生长取决于结晶核的数目，结晶速度和热导率三个独立变量以来，对微观结构和宏观性质认识得最深入并对它的加工制备技术掌握得最成熟的材料应该推半导体。我们简略的看一下半导体发展的历程，英国物理学家法拉第发现氧化银的电阻率随温度升高而增加之后，随着又发现光电导，光生伏打和整流三种半导体物理效应，英国物理学家威尔逊提出编导体导电模型，这是1931年。美国贝尔实验室的肖克利、巴丁和布拉顿研制出晶体管，体积小寿命长的晶体管很快就取代了真空电子管，到了1950年，我小的时候，还装过真空管的收音机，现在真空管收音机，除了音响发烧友，公放机，为保真度好，用，其他还是半导体。英国达末提出了集成电路的设想，美国人基尔比和诺依斯各自独立研制出了最早的集成电路。半导体集成电路由于需求的拉动，飞速的发展，从小规模一直到极大规模，相应的加工尺寸已经到了0.1微米，人们利用微电子材料和工艺制作出了微形的梁、槽、齿轮和薄膜乃至于微型的马达，他们也可以像制作晶体管那样的成批地制造。基因芯片是固化大量生命信息的DNA芯片，其空间分辨率正是从微米向纳米发展，现在已经应用于生物医学，分子生物学的基础研究，人类基因组研究和医学的临床实验，基因芯片将对生物学基础研究和临床医学，诊断学脑与神经生物学产生革命性的影响，集成电路的制作使用的半导体材料也经历了者、规神话家等三五属半导体的变化，生产工艺则从平面工艺到分层工艺再到图形，包括光刻，可视、沉淀、外延、扩散，溅射，测试、封装等微米亚微米的加工工序。集成电路材料与工艺不断进步，以及物理学的不断发展，导致了维纳电子学的产生，微米级的技术本身延伸出X光刻机，电子肃暴光机，例子速光刻机以及对材料进行原子级的岩石技术，首先成为发展纳米技术的工具。目前最精细的工具还是新发展出来用于原子尺度加工的扫描素到显微镜和原子力显微镜等扫描探针显微镜，当然它也有局限，因为它的效率不高。电子暴光机和离子暴光机是目前实用的纳米加工工具，扫描探针显微镜目前为止可作为原子尺寸加工的唯一工具，我相信总有一天要取得新的突破。
以纳米技术为基础新的工具将导致小于100纳米超微分子器件的诞生，这些分子器件可能具有更为主动和复杂的性能，能够帮助人类完成更为复杂的操作，或者精确的操作，基于分子装配的纳米技术，将能够对物质结构进行完全的事先的设计跟控制，使人类能够按照自然规律制备出超微的智能器件，半导体集成电路和纳米科技的发展表明，导致科技进步的动力不仅来源于科学家工程师的创造欲，而且来源于社会需求的拉动。自第二次世界大战以来，社会需求对科学发现和技术表明发明的拉动作用越来越大，要求我们科技人员科技管理人员要摒弃封闭的经院式的思考方法和管理方式，密切与社会的联系，准确把握社会需求，有效而又针对性地推动科技进步和创新。特别是对于我们这样一个急需利用有限的科技资源的推动现代化建设的发展中国家科技人员来说，更是需要如此。我们中国的两弹一星，当然是科学家在党和国家的领导下的成就，但他后面的动力，还是来源于国家安全需求的强大推动。我们袁隆平教授所完成的杂交水稻这个巨大的成就，显然他的研究动力，不仅是袁隆平先生的创造力，他的背后也来源于中国13亿人口，对粮食的需求的推动。这个需求反映到科学家身上，反映到袁隆平教授脑海里，成为探索的不竭动力。
最后讲一下物理学的魅力和未来。相对论，量子论及其结合产生的量子场论和统一场论的近代物理学革命的主要成果，导致了人类物质与精神生活发生巨大变化。相对论对于时空关系和时空与物质关系的认识，量子力学对物质内部结构和运动规律认识，不仅深深的影响了人们的观念，而且广泛地改变并将继续改变着人们的日常生活和生产方式。物理学的魅力不仅体现在其物化成果可以极大地改变人类文明，尤其需要指出的是物理学，特别是近代物理学，漳县出科学给人类带来认知能力上的不断的升华。物理学中纷繁复杂的事物当中抽象出物质的统一特性，更正了我们日常生活当中所看到的一些肤浅的认识，透过表象为我们揭示出物质本质的奇妙特征，并且借助数学和逻辑，做出了最为理性、简洁和优美的数学物理表述。
物理学在为我们解释周边物质世界的同时，也为我们营造出了内容丰富、思维缜密，不断创新，妙趣无穷的理论方法和实验体系。20世纪的近代物理学革命与19到20世纪之交的物理学形势相关，那时物理学上空有两朵所谓乌云，竟使得一些物理学家惊呼出现了物理学危机。近代物理学革命不仅解决了两朵乌云导致的这场危机，而且把整个物理学自然科学都置于以量子论和相对论两大理论为支柱的现代物理学的基础之上。19世纪的最后一天，欧洲著名的科学家曾经欢聚一堂，会上，有一位英国著名的物理学家汤姆生，回顾物理学所取得的伟大成就时说，物理大厦已经落成，所剩的只是一些修饰工作，同时他在展望20世纪物理学前景时，却若有所思的讲，动力理论肯定了热和光是运动的两种方式，现在它的美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了，第一朵乌云出现在光的波动理论上，第二朵乌云出现在关于能量均分的麦克斯韦波兹曼理论上。这两朵乌云，现在被量子论跟相对论所驱散，虽然目前今天的物理学，诚然面临着一些重要的理论与实验问题亟待解决，比如类星体的能源问题，暗物质，暗能量和反物质的问题，爱因斯坦场方城的宇宙项问题等，中微子振荡问题，质子衰变问题等，但是到现在为止，物理学家还没有人像19世纪20世纪惊呼物理学的危机。相对论和量子论在科学各个领域的扩展与应用，虽然已经取得了很大成功，但科学永无止境，没有到非常完善的成动，看来一直作为精密科学典范的物理学还是魅力未减，作为其他经验科学基础的地位短时期还不会改变。现在我们的科学技术发展的重心开始向生命科学，向信息科学等倾斜，但是物理学依然是基础，数学依然是基础，是重要的工具，这一点并没有改变。物理学的巨大魅力还在于他从理论认识中，延伸出众多的技术原理，20世纪物理学为我们这个社会提供了四个主要的新技术的原理，这就是核能技术，半导体技术，包括大规模集成电路的技术，激光技术和超导技术。半导体技术，激光技术还衍生出网络技术，虽然在20世纪近代物理学革命以后，在约为3/4世纪的时间内，物理学并没有发生新的基础性的革命性的重大变革，物理学的进展主要还表现为对于相对论量子论的完善及推广应用上，但这并不意味着物理学的发展已经走到了尽头。
当代科学发展的态势和社会对科学的迫切需要，将在很大程度上影响科学未来发展的方向及特征。一些传统科学将继续保持相当的独特性，物理科学作为整个自然科学发展的基础地位一时还不会动摇，但是科学的学科结构重心无疑将转移到生命领域。
数学科学作为数与形的科学，其简洁精确优美的表述方式继续在子自然科学，应用技术与社会人文科学中得到更为广泛的利用。信息技术作为研究与知识信息交流，传播的技术手段，会随着自身发展及其与其他领域的结合不断进步，并通过广泛渗透促进社会各个领域的发展。各自然系统的研究以及自然科学人文社会科学之间的结合将成为跨学科研究的新的生长点，他们的发展和广泛运用，都将有力地推动学科间整合和交叉学科的诞生与繁荣。
以上正是我向在纪念物理学百年的时候想说的话，谢谢大家！
中科院院长路甬祥在科学与中国院士专家巡讲团上作《百年物理学的启示》的报告。
李静海：
刚才路院长做了一个非常精彩非常系统的报告，报告以爱因斯坦的主要成果为主线，回顾了上一个世纪物理学的发展，介绍了物理学与数学生命科学等自然科学的交叉，及其对社会发展的推动作用，分析了社会需求的推动，与科学技术自身发展的互动关系，讨论了物理学及自然科学发展的规律，提出了科学工作者应具备的素质、理念和思考问题的方法，并且对物理学未来的发展进行了展望。路院长的报告对我国科技界提高科技自主创新能力，对我院做好三期知识创新试点，对我们平时的科研工作，都具有重要的指导意义，让我们再一次以热烈的掌声对路院长的报告表示感谢。
提问：
有人说20世纪是物理学发展辉煌的世纪，有人说21世纪是物理学发展的世纪，我想问的问题，21世纪对物理学来说，他会有更辉煌的结果吗，作为20世纪发展是非常辉煌的。
路甬祥：
我的看法是这样的，我这个报告里面也提到了这方面的问题，首先生命也是物质的，所以生命科学的任何的进展，它也要基于物质的基础，物理学可以从生命科学内部，找到许多新的问题，新的挑战，这是一方面。
第二方面，世界上物质存在的状态并不仅仅是生命，还有许多其他的物质存在的状态，尤其是近年来，天体物理学家，天文学家发现的许多宇宙间的物质存在的新的形态，比如像暗物质，暗能量，黑洞等等，在地球上有的已经有局部的发现，有的并没有普遍的存在，所以也值得我们进一步的进行探索。
第三、上个世纪已经发现的某一些物理现象，它的原理，它的规律，并没有被完全的认识，比如说物质的超导性，到目前为止，我们有低温超导，有高温超导，但常温超导是我们的理想，但是目前还没有真正的实现，是否存在，超导有一系列的理论，物粒子理论等等，但还有进一步探寻的空间。比如说光电转化的效应，一百多年以前就已经发现了，但到目前为止，光电转化的效率实验室只占25%以下，在工业界还只在12%左右，如果进一步能够认识光电转化的它的本质及规律，如果有能力把光电转化的效率提升到50%左右，那对人类解决未来能源将是一个重大的突破。等等，所以物理学仍然有无止境的前沿，在未来可能主要探寻生命奥秘的科学发展的征途当中，物理学依然会起非常重要的基础的作用，这是我坚信无疑的，谢谢。
提问：
非常感谢李院长给我这个机会，谢谢。路院长您好，我是院网络中心的，其实刚才李院长给了我这个机会，并不是为我本人的机会，我们是网络中心做和学部一起办的物理年在全国开展更好我们做的一系列网络直播，视频直播的报告，有很多的网友也提出了很多问题，所以说这个机会是为我们的网友争取的。下面我们选了一个网友的问题，请路院长回答一下。
他是这样说的，尊敬的路甬祥院长，李静海院长，你们好，我是南京大学物理学一名大三的学生，很高兴通过科学院学部和中国科普博览网站，为我们用户提出通过网络直播收看这个报告会的机会，并能够有机会提问，路院长的报告对于我们这些刚刚涉足物理学的学子们起到很好的启发作用，通过中国科普博览的就展我了解到理论物理研究取得了一系列的进展，我现在正准备考研到我们科学院来，能不能请您介绍一下，科学院目前在物理学方面的重要方向，谢谢。
路甬祥：
这个问题太专业了，我想他可以点击我们理论物理所的网站，还有科大的网站，可以搜索到理论物理方面，科学院做出的重要方向。他可以点击我们物理所、高能所、现代物理所、应用物理所，以及科大等网站，可以了解到我们实验物理领域方面许多新的进展，研究方向，也可以点击比如像物理所、科大等网站，可以了解我们科学院正在进行物理学相关的生命科学领域里面的研究，另外还有我们地球科学、环境科学领域当中，涉及到物理研究方面的内容。所以我想他可以从中找到你感兴趣的方向，了解科学院的研究生培养方面的优势。祝你成功，谢谢。
提问：
尊敬的路院长您好，我作为研究生院本部的学生，非常欢迎您来到我们研究生院，我想提的问题是，作为中国人到目前为止，还没有获得诺贝尔奖，您认为我们现在中国的物理学研究还存在哪些问题，该如何改进，您的预期是什么，谢谢。
路甬祥：
我觉得我们这个物理研究领域，许多方面已经逐步跟上了世界发展的步伐，主要要做出自主的独创性的理论跟实验成就来，最重要的还是要进一步提升我们中国科学家科学思维的能力，做原始创新的勇气跟信心，挑战那些国际上还没有得到回答的问题，挑战那些国际上认为是比较主流的理论，但是还存在跟实验方面的矛盾的这些问题，努力的从国家需求跟实际当中归纳出科学问题，来勇于攻关，勇于攀登。努力克服我们实际存在的学科之间的屏障，我们可以看到，爱因斯坦那个时代，做物理学的许多科学家，他们之间的交流是非常频繁的，但是我们目前确实还存在着学科之间老死不相往来，同行之间交流合作也不够充分，这些年来，这是需要我们克服的。
另外一点，我在报告里也提到了，在重视科学思维，重视实验研究的过程中，我们中国科学家，中国的物理学家，还要重视新的观察手段，新的仪器系统的构思、创造跟引用。我们很难设想依靠在国际市场上采购的仪器，能观测到超前的或者是超前观测到人家没有观测，曾经观测过的现象，因为市场可采购的仪器，它的原理往往在三年五年以前，已经在实验室里成功了。
最后，我们的教育，尤其我们的物理教育，要从灌输知识为主转移到培养学习能力，培养创新思维能力，培养科学精神方面来，我们现在的教育，还是太多灌输，较少启发跟培养，自己去探寻知识，自己去创造新的实验方法方面能力的培养。我们还应该提倡追求真理，比尊重师长要来得更重要，尊重师长固然是重要的，是我们中华民族的美德，应该要继承发扬，但是如果与追求真理发生矛盾的时候，还是要以真理为准，在真理面前人人平等，在真理面前不能论资排辈，老师跟同学要平等的来对待真理。我现在想到的就是这些，谢谢大家！
提问：
路院长您好，我是来自人文学院的学生，众所周知，自然科学跟人类科学都是相互促进相互发展的，您刚才谈了百年物理学的发展，对于自然科学的启示，您能不能谈一下百年物理学的发展对人文科学的启示呢？谢谢。
路甬祥：
您的题目出的太大，我要另外去准备一个报告。我报告当中也涉及到这方面的内容，我觉得物理学给我们的许多启示，也包含着创造精神，科学精神，交叉系统的精神方面，这不光是科学精神，也是人文精神，如果我要重点讲一讲人文精神的话，我这个报告里面没有涉及到科学技术、伦理道德的问题，当代科学技术的发展，包括物理学的发展，的确是创造了新的生产力，创造了新的世界观，创造了新的技术，带来了新的技术革命，但是也的确有可能对人类带来一些负面的影响，尤其当这些物理知识，当这些新发展的技术被滥用的时候，比如说原子能，美国比法西斯德国更早研究出了原子弹，当然对结束二战是有帮助的，但是原子弹毕竟是毁灭性的武器，它不仅是针对战争机器的，也很难防范危机到无辜的贫民，所以二战以后，从科学家，物理学家到政治家，跟人文科学家，都主张要限制核武器，最终要销毁核武器，这是一个很典型的案例。生命科学、分子生物学也可能为治疗，到目前为止，很难治好的疾病带来福音，如果被滥用，也可能成为基因武器，生物武器，被极端主义分子，被战争狂人所利用，所以我们全世界的科学家，现在也在深入的讨论，生命科学的伦理道德问题，要抑制它负面的影响，发展它正面的造福于人类的作用。
我有一次参加世界的联合国教科文底下的一个科学伦理组织讨论，我们讨论外空技术的伦理问题，美国的那萨也有代表，欧共体也有代表，中国巴西、印度都有代表，提出一个问题，现在外层空间当然应该非武装化，为人类所共享，美国不表态，他不好反对，但是美国代表就不发言。比如后来又提出遥感，我发了个言，我说遥感也要从公平的享用遥感的技术，造福于全人类作为我们遥感技术伦理的一个基本准则，比如普通一个人，我们进照相店拍个照，拿了正片，同时我们也拿回了副片，肖像权还是我本人的，照相店不能不经过我的同意拿我的肖像到处做广告，在法律上我们有权索赔或者是诉讼他，但是现在世界上，一个技术比较先进的国家，他能发挥一些，能掌握遥感技术，照相机在天上转转转，把地面上你愿意照的国家也照了，不愿意照的国家也照了，有的可以分辨到你在公园里躺在地上晒太阳他都可以照得清楚，而且在国际间有争端的时候，只要能够收到钱，他把你的资料，你这个国家的资料甚至卖给你的敌方赚钱，这是不是违背人类的基本伦理道德。我们提出是否应该把遥感技术全人类共享原则作为联合国的一条准则，当然有的可以无偿的共享，有的应该是有偿共享，应该建议加以一定的限制，曾经发生过这样的事例，非洲有个国家发生蝗虫，虫灾，蝗虫从一个国家向第二个国家转移，遥感看得很清楚，这个地方蝗虫把农作物吃得光光的，慢慢向边境转移，移动速度多少，你从人类道德，你应该早一点通知可能要招灾第二国家，他可以防范，他不通知，无动于衷，那不是隔岸观火嘛，或者是没有第二句话幸灾乐祸，隔岸观火肯定是的，这是不是属于不道德行为，国际社会要进行牵制，这种关心人类生存，人类基本需求的信息，应该无偿的向欠发达国家提供。这些都牵扯到人文能力方面的问题，所以我们认为，科学要发展，社会要进步，我们一方面要提倡科学精神，科学精神就是实事求是，就是要追求真理，就是要用于质疑那些不符合实际的理论跟方法。但另外一方面，我们还要提倡人文精神，人文精神就是要平等、自由、公平、公正，如果你没有民主法制，没有公平公正，没有诚信友爱，不可能建立一个和谐社会，光技术很发达，我掌握了纳米技术，我就来看你的隐私，怎么和谐，不和谐嘛，所以我认为我们还是要把科学精神跟人文精神结合起来。
关于过去一百年，人文精神的发展对我们的启示，我觉得已经有很多文章，文选可以参考，我们也可以做一些思考跟总结。但是这方面要站在最大多数人利益的立场上，观点才能比较准确，用现在我们比较行市的话就是用三个代表思想为指导，来认识，否则的话你就有片面，要代表我们生产力发展方向，代表最大多数人的利益，代表先进文化发展的要求，对你这个复杂的重要的问题，我只能够回答到这个程度，谢谢。
提问：
路院长您好，谢谢您精彩的报告，我来自中科院情报研究中心情报研究的一名员工，我的问题是在知识三期创新中，对于情报研究您对科技情报研究的 期望是什么，我们是否能为三期更好的做好服务。
路甬祥：
您这个问题比较专业，我没有很深刻的思考跟研究，但是一般想，过去这个情报往往是收集情报，展示情报，然后被动的服务，读者来索取的时候，来图书馆咨询或者是来借阅的时候我们提供良好的服务。以后的情报工作，看来不光是简单的分析，收集，是否应该要分析跟挖掘，情报人员不光收集情报，而且应该把他分析，从中得到一些重要的信息，另外能够挖掘，在浩瀚的知识跟信息海洋当中，来调理一些科研人员，更加快捷，更加有效使用的情报的线索。我想这个提高服务水平是一个方面。
第二、过去的情报系统，往往是以定点职责组成为主，现在是全球网络方式，通过网络方式，所以我们要更多的从全球的观念，从网络的观念来开拓我们情报工作，服务再不是被动的，是接待方式，被动的服务方式，而是主动的通过网络，送到研究机构，送到研究人员桌面上，使得我们的服务，更加无处不在，无时不在，而且把服务质量跟水平提升到一个新的高度。
另外从科学管理的角度，我们希望情报系统能够为科学管理提供及时的信息服务，适当超前的科学预见，因为你从情报里面可以分析出科学发展的态势，技术发展的态势，管理发展的态势，以便改进我们的管理。另外也希望情报工作不光是提供信息，而且给实时正在发生的科技活动，从情报的角度，进行监测跟分析，因为科技活动的发生，科技资源的布局，科技产出的状态，以及研究力量的结构的变化等等，都反映了此时此地，或者是本国跟全球科技发展活动整体态势的信息，如果你有这方面的监测跟分析能力，就能够为科学管理提供实时的情报方面的帮助，及时发现问题，及时解决问题，防止因为决策的错误，因为管理制度方面的缺陷，所造成的资源配置浪费，人才方面的浪费，这对提高我们整体的效率将会起非常之大的作用。谢谢。
主持人：
我想因为时间关系，问题就提到这里。让我们再次感谢路院长的报告和回答我们的问题。最后，我要代表巡讲团组委会，向这次活动的承办单位，院士工作局，研究生院和中国物理学会，物理学会理事长杨福生院士都在，研究生院邓勇院长，院士工作局的沈保根同志都在，请他们转达我们大家对承办这次会议的同志们所付出的辛勤的劳动，谢谢大家！好，报告会到此结束。