物理學(xué)的未來

1961年4月8日在麻省理工學(xué)院百年校慶的一場小組討論會上的發(fā)言，未發(fā)表。翻譯：張美曼。

在最近的四五年里，理論物理學(xué)家將許多注意力和努力奉獻在從物理可觀察的經(jīng)驗到非物理區(qū)域的解析延拓上。特別是通過外推去研究尚未觀察到的區(qū)域中的奇異性質(zhì)。這種努力一開始就被重重困難所包圍。然而在這個方向上工作的興趣一直保持著。以類似的精神，今天上午我們嘗試著采取一種類似的方法：通過外推，我們來看一下過去的經(jīng)驗以外的事情，去認識一些到目前為止尚未看到的物理學(xué)的將來的發(fā)展。在這種追索中我們不能期望得到具體的好結(jié)果，但我相信大家都會同意，這種嘗試是非常有趣味的。

從各種標準來看，到目前為止20世紀物理學(xué)的成就是驚人的。在本世紀初，物質(zhì)的原子的面貌作為一門新的研究科目剛剛出現(xiàn)，而今天在其研究范圍的精細程度上我們進展了百萬倍：從原子大小進入到亞核（subnuclear）大小。在能量方面的進展給人印象更深：從幾個電子伏特到幾十億電子伏特。實驗技術(shù)的能力和精巧程度隨著物理學(xué)家探索的深入也在闊步前進。物理學(xué)中的進展給其他學(xué)科——化學(xué)、天文學(xué)乃至生物學(xué)帶來的影響，其重大程度實在難以形容。物理學(xué)的發(fā)展對于技術(shù)的影響、對于人類事務(wù)的影響在戰(zhàn)后的年代是如此突出，以致沒有必要再在這里做進一步的強調(diào)。

但是物理學(xué)的榮耀并不是建立在這類影響之上，物理學(xué)家最看重的也不是這些影響。甚至物理實驗深入范圍的不斷擴大，也不是物理學(xué)家感到滿意和引以為自豪的主要方面。物理學(xué)家最注重的是去形成這樣一些概念的可能性，從這些概念出發(fā)，用愛因斯坦的話說^[1]，一個“完整的可用的理論物理學(xué)系統(tǒng)”能夠被構(gòu)造起來。這方面的工作，使物理學(xué)在智力的努力上極其獨特和出類拔萃。這樣的一個系統(tǒng)體現(xiàn)了普適的基本規(guī)律，“用這個系統(tǒng)，宇宙能用純粹推導(dǎo)的方式建造起來”。

從這樣一個極高的、極嚴格的判斷出發(fā)，20世紀前六十年在物理學(xué)方面的成就恰如一首英雄詩。在這六十年間，在物理學(xué)的領(lǐng)域里不僅有大量拓寬我們了解物理世界的重要發(fā)現(xiàn)，而且還證實了不是一個，不止兩個，而是三個物理概念上的革命性的變化：狹義相對論、廣義相對論和量子理論。由于這三個概念上的革命，形成了一個深刻的、完整的、統(tǒng)一的理論物理體系。獲得了剛過去的這段時期所留下的卓越的遺產(chǎn)，那么物理學(xué)的前景是什么？

毫無疑問，在佩爾斯（R．Peierls）教授稱之為物理學(xué)的基礎(chǔ)和第一線后面的物理學(xué)這兩方面，我們的知識將會繼續(xù)迅速增長。

對前者，憑現(xiàn)有的知識，我們可以很肯定地說，在以后的幾年中弱相互作用領(lǐng)域中的問題將得到很大的澄清。如果運氣好，我們甚至可以期望看到弱相互作用的各種表示的某種綜合。

此外，我們對許多事尚未確切了解。誠然，我們已經(jīng)明確地提出了若干問題，然而在目前去尋求這些答案是一件既迫切又困難的事：怎樣處理一個有無窮多自由度的系統(tǒng)？空間、時間連續(xù)的概念是否能夠被外推到10-14厘米至10-17厘米的空間區(qū)域？或者外推到比10-17厘米更小的區(qū)域？電荷共軛下的不變性和同位旋轉(zhuǎn)動下的不變性的基礎(chǔ)是什么？與空間-時間對稱性不同，已經(jīng)知道這兩種不變性是可以被破壞的。強相互作用、電磁相互作用和弱相互作用統(tǒng)一的基礎(chǔ)是什么？與這些有關(guān)的引力場的作用是什么？這類問題可以繼續(xù)羅列下去。然而當(dāng)我們在這里敘述它們時，我們不能肯定這些問題是否意義深遠：事實上物理學(xué)中的許多進展，是從以前問過的一些無意義問題的真正認識中發(fā)展出來的。

然而，有一件事可以肯定，我們的知識的積累會繼續(xù)迅速增長。我們只需要提醒自己，在不久前物理學(xué)的發(fā)現(xiàn)周期是以幾十年或者幾年來計算。例如，邁克爾遜-莫雷實驗在1881年首次完成，在1887年以更高的精確度重做了一次，為了解釋否定的實驗結(jié)果，在1892年菲茨杰拉德（G．F．Fitzgerald）提出了收縮假設(shè)。然后在1902年洛倫茲提出了洛倫茲變換，發(fā)展到頂點就導(dǎo)致了1905年愛因斯坦狹義相對論的產(chǎn)生。想象一下，倘若邁克爾遜的第一個實驗是今天做的，情況將會是怎樣？

人類對科學(xué)重要性的普遍的覺醒，以及人類思維在技術(shù)創(chuàng)造方面令人驚奇的智慧，確保了我們在實驗科學(xué)方面進一步加速前進的步伐。

對于我們幾分鐘前所提到的一個“完整的可用的理論物理學(xué)系統(tǒng)”我們應(yīng)當(dāng)采取什么態(tài)度？在20世紀前六十年的光榮傳統(tǒng)下，我們是否能合理地期待進一步的成功？

如果說用外推去確定函數(shù)的奇異性是困難的，那么同樣地，通過推測去預(yù)言物理概念方面會發(fā)生什么樣的革命性變化也是困難的。由于存在無限制地相信一個“將來的基本理論”的傾向，我想發(fā)表一些悲觀的意見。在這100周年的慶祝會上，整個氣氛充滿著對過去獲得的成就的自豪，充滿著對未來前景的廣闊展望，在這充滿著激情的氣氛中插入一些不和諧的旋律，也許并非完全不合適。

首先讓我們再一次強調(diào)，純粹的知識積累盡管是有趣的、對人類有益的，但與基本物理的目標十分不同。

其次，亞核物理的內(nèi)容與人類直接感覺的經(jīng)驗已經(jīng)相距很遙遠，而當(dāng)我們探究的空間變得更小時，這種遙遠性肯定還會增加。隨著加速器、探測器、計算機和實驗室的規(guī)模越來越大，我們不難找到這一點的生動證明。

今天實驗由精良的設(shè)備和精確的運行構(gòu)成。欲使一個實驗的結(jié)果有意義，必須把概念建筑在我們直接感受的經(jīng)驗和實驗安排之間的每一個層次上。這里存在一個固有的困難，概念的每一個層次與前一個層次是有關(guān)聯(lián)的，是建筑在前一個層次上的。當(dāng)不恰當(dāng)之處表現(xiàn)出來時，必須更深入地檢驗先前概念的整個綜合情況。隨著對問題考慮的深入，這個任務(wù)的困難程度急劇發(fā)散開來。這很像下棋，隨著棋藝的提高，在下棋時總是檢驗前一步，這在實踐時困難會越來越大。

按照維格納的計算^[2]，要達到現(xiàn)在場論的研究水平，至少必須貫穿四個不同層次的概念。這個計算的細節(jié)可以討論，但無可否認，我們所設(shè)想的、比較深入和比較完整的理論體系的結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)了概念的至少多于一個層次的貫穿。在這方面，物理學(xué)家面對這樣一個不利條件，即理論物理的最終判斷是在現(xiàn)實中。與數(shù)學(xué)家和藝術(shù)家不同，物理學(xué)家不能全憑自由的想象去創(chuàng)造新的概念，構(gòu)造新的理論。

第三，愛丁頓（A．S．Eddington）曾經(jīng)講過一位海洋生物學(xué)家的例子^[3]，這位生物學(xué)家用的漁網(wǎng)網(wǎng)眼為6英寸，經(jīng)過長時間的仔細研究，他得出了一個定律，即所有的魚比6英寸長。這個假想的例子十分荒謬，然而在現(xiàn)代物理學(xué)中我們很容易找到這種例子。由于實驗的復(fù)雜性和間接性，出現(xiàn)了這樣的情況，人們沒有認識自己所做實驗的選擇性質(zhì)。選擇是建立在概念上的，而這個概念也許是不合適的。

第四，在物理學(xué)家的日常工作中很自然地隱含著這樣的信念，即人類智力的威力是無限的，而自然現(xiàn)象的深度是有限的。這種信念是有益的，或像人們有時說的是健康的，因為從這樣的信念中可以得到勇氣。但是，相信自然現(xiàn)象的深度是有限的想法是不合邏輯的，相信人類智力的威力是無限的信念也是不正確的。一個重要而必須考慮的事實是，每個人的創(chuàng)造力的生理局限性和社會局限性可能比自然的局限性更為嚴重。

在說了這些告誡性的意見后我們必然會問，它們是否與物理學(xué)的發(fā)展有關(guān)，譬如是否與這個世紀余下的四十年中的物理學(xué)的發(fā)展有關(guān)，現(xiàn)在我們不知道這個問題的答案，我們希望答案是否定的。

注釋：

[1]A．Einstein，Essays in Science（New York：Philosophical Library，1934）.

[2]E．P．Wigner，Proc．Amer．Phil．Soc．94，422（1950）.

[3]A．S．Eddington，The Philosophy of Science（New York：MacMillan，1939）.

后記（楊振寧）

1961年4月是麻省理工學(xué)院百年校慶的日子，時值美國物理學(xué)界對未來有著前所未有的自滿和樂觀的展望。許多人內(nèi)心有一種期望：所有的基本問題在短時間內(nèi)都可以解決?；蛘哂幸环N假設(shè)：物理學(xué)家可以征服任何困難。有了20世紀40年代和50年代科學(xué)和技術(shù)驚人的進步，這樣的感覺也就不令人驚奇了。（似乎為了印證這種樂觀的氣氛，在麻省理工學(xué)院校慶過后沒有幾天，蘇聯(lián)就成功地發(fā)射了一顆載人的人造衛(wèi)星進入繞地球飛行的軌道。）

作為百年校慶的一部分，學(xué)校組織了一個關(guān)于物理學(xué)未來的小組討論會，費曼、考克饒夫特（J．D．Cockcroft）、佩爾斯和我是小組委員會成員。我決定在我的簡短講話中插入一些“不同的意見”，這就是【61f】。

二十年過去了，不幸的是我在1961年演講中提出的警告并沒有錯。當(dāng)然，過去的二十年無論是實驗物理或者是理論物理都取得了令人興奮的進展。但是我感到今日物理學(xué)所遇到的困難有增無減。一方面，現(xiàn)代的物理實驗越來越復(fù)雜、費用越來越高，其中每一項實驗都需要好幾年去準備和執(zhí)行?，F(xiàn)在高能物理實驗需要的周期很長，而且不幸的是，以后還會變得越來越長。另一方面，高能物理理論也越來越復(fù)雜，理論物理學(xué)家之間，以及理論物理學(xué)家與實驗物理學(xué)家之間越來越充滿隔膜。這樣發(fā)展的結(jié)果是，我們的理論物理學(xué)研究生，乃至于一些實驗物理學(xué)研究生，距離物理現(xiàn)象越來越遠，但是物理現(xiàn)象說到底是物理學(xué)的源泉。這不是任何人的過錯，但是卻不得不使人為之擔(dān)憂。我擔(dān)心，愛因斯坦和我們曾經(jīng)夢想的終極大一統(tǒng)將持續(xù)到下個世紀仍無法實現(xiàn)。