北大郭建栋教授“物理学照亮世界”讲稿发布日期:2008-5-10 新闻来源:原创 浏览次数:89各位家长、各位同学们好!非常高兴有这样一个机会和大家进行一个交流我今天做的这个报告的题目叫“物理学照亮世界” 英语单词里边,这个“照亮””enlighten”,表面上看是“光芒照亮”的意思,但是,它还有另外的一重意思,就是“教育、启发、启迪,使人变得明白”所以大家就可以知道,“物理学照亮世界”它并不是指简单的这个光的照亮,还包括启迪人的心灵和智慧 “物理学照亮世界”是“世界物理年”的一项活动在 2004 年的时候,联合国大会通过决议,把2005 年定为“世界物理年” “物理学照亮世界”是一个什么活动呢?就是在一个特定的时间,从美国普林斯顿大学用光纤发出一个激光信号,这个激光信号一站一站地传递,在 24 小时之内,绕地球一圈又回到普林斯顿 在“世界物理年”里,通过了一个决议这个决议对物理学的重大意义作了三项表述:1、物理学是认识自然界的基础 2、物理学识当今众多技术发展的基石 3、物理教育为培养人的发展提供了必要的科学基础 这三点,可以说很全面地概括了物理学的重大意义 早在 1999 年第 23 届国际物理会的时候,就提出了物理学的作用和意义是什么。
物理学有三项意义:探索自然,推动技术发展和拯救生命从它这三个作用可以看出来,物理学几乎是涵盖了我们人类所涉及到的各个方面对自然的探索,对技术的推动,而且和我们人类本身的生命有着重大的关系这一点,大家将在后面再一次看到 物理学的历程 我们简单回顾一下物理学发展的历史早在 16-17 世纪的时候,物理就形成了一门学科那时候最早就是从牛顿力学和伽利略天文学发展起来的这个我们同学们在初中时就都学过,这一点是比较清楚的那么到 18-19 世纪的时候呢,就有了动力学、热力学、电气和电磁学的发展在这点上我稍微多说两句,从 18-19 世纪物理学的发展,我们可以看出物理学发展的两条路线、两种方法在 18 世纪的时候英国的工业革命推动了蒸汽机的发展,瓦特发明蒸汽机这个是老幼皆知的瓦特发明了蒸汽机,但是他并没有研究里面的物理问题如果要提高蒸汽机的效率,他想到的就是扩大蒸汽机的容量实际上问题远远不是那么简单真正解决了蒸汽机的效率问题的是法国的一个青年炮兵,叫卡诺同学们如果学过,可能会知道热力学有个基本定律,叫卡诺循环从卡诺循环开始,建立了热机的基本的规律人们对能量守恒和能量转化有了初步的认识有了对热力学的这些基本的认识之后,又推动了热机的发展,于是蒸汽机的效率大大地提高,而且以后出现了内燃机等等。
那么从热机的发展我们可以看出来,物理学的发展的第一条道路就是先出现了技术的需要技术的需要推动了物理学的发展,物理学的发展反过来再次推动技术的发展是走了一个“技术?物理学?技术”这样一个路线 物理学的发展还有另一条路线,这个很典型的就表现在电和磁的发展上在 19 世纪的时候,开始是发现了电的现象,比如说库仑发现了电,伏打发现了伏打电池,安培发现了带电线圈的相互作用,以至于后来最重要的法拉第发现了电磁作用当时发现这些现象的时候,技术上并没有要求,并没有应用,因为那时候对电还没有认识,所以当然也没有应用这些现象都是这些科学家们在实验室里边做实验发现的那么在实验里面发现了这些现象有什么用呢?那时候还不知道有这样一个故事,说法拉第发现了电磁作用以后,法国一个贵夫人问他,说你发现这个玩艺有什么用啊?什么用都没有法拉第说,一个小孩刚出生是个婴儿,你说他有什么用啊,他长大了就有用了!确实是这样,正因为我们在实验室里面,从理论上首先发现了电和电磁,那么发展到今天,我们处处完全离不开电和电磁所以从电学和电磁学来看,物理学走的是另一个发展的道路,就是先有了理论,然后推动了技术的发展,技术的发展反过来再一次促进了理论的发展。
所以 18-19 世纪的时候,是我们的一个非常重要的里程碑 进入到 20 世纪,大家就更熟悉了20 世纪首先发现了原子能,在核物理方面我们用了核能,或者是核武器或者是和平利用核能,核医学我们发展了激光,特别是现在进入了电子信息时代,我们每个人手里面都有,处处都离不开这些,这些的基础就是半导体另外我们现在所有的地方都离不开计算机,包括我现在在做这个讲座,也离不开计算机还有新材料,大家耳熟能详的,什么超导啊纳米啊等等所以进入 20 世纪以后,物理学以及由物理学推动的技术得到非常非常大的发展 物理学与其他学科 物理学不是一个简单的自身的科学,它涉及面非常宽就像刚才一开始讲到的,物理学它是认识自然的基础,几乎自然科学的各个方面都离不开物理我这样说是不是夸大了呢?我们来看看物理和其他几个重要自然科学的关系 我们首先来看看物理学和化学大家知道物理学和化学是联系最紧密的现在经常说“物理化学”是放在一起说的因为物理的过程往往是和化学的过程是相伴进行的,物理现象和化学现象有时候也是交织在一起,很难完全分开的比如说现在在化学里边,非常常用的光谱分析,X 射线分析,激光分析,核磁共振等等这些你说它是物理还是化学?它是利用物理的手段去研究化学的现象。
再比如说,物理学和生命科学现在,生物物理是一个非常重要的学科像 DNA 的发现,现在方兴未艾的仿生学等等,一会儿下面我还会提到这些例子 可能大家以前没有想到的是物理学和经济学之间有非常密切的关系,而且现在这个关系越来越密切 我这样说大家可能还感到比较抽象,我也不可能很详细地去讲每一个内容,我怎么让大家对这个问题有一个比较具体的理解呢?我想举一个诺贝尔奖的例子,这样大家就可以看到物理学和其他各学科的关系大家知道,诺贝尔奖是在 1901 年由瑞典皇家科学院设立的1901 年设立诺贝尔奖时只有 5项:物理、化学、医学、文学和和平奖到 1968 年的时候,为了纪念瑞典中央银行成立 300 周年,增设了诺贝尔经济学奖,所以现在诺贝尔奖是有 6 项这 6 项奖里边,可以说每项都与物理有关系怎么说明这个问题呢?我用一个例子,就是每一个获奖的里边,物理诺贝尔奖当然不用说了是物理学家,那么其他的诺贝尔奖里边,也都有物理学家获得我举这么个例子,比如说 1901 年第一届的诺贝尔化学奖,得奖的是谁呢,是一位物理学家,是瑞典物理学家范托夫,表彰他在化学动力学方面的贡献1920 年的化学奖奖给了柏林大学应用物理所的所长能斯特。
我们学化学的同学都知道,化学里面有个能斯特方程十分重要,他也是一个学物理的1935 年的化学奖奖给了法国物理学家约里奥居里夫妇,这个大家都很熟悉了不是第一代居里,是他们的女儿和女婿,第二代居里,表彰他们在人工放射性方面的贡献1936 年的诺贝尔化学奖奖给了苏黎世大学的理论物理学教授德贝,表彰他在粉末 X 衍射方面的贡献1951 年的诺贝尔化学奖奖给了美国的物理学家迈克米伦,他发现了超铀元素1971 年的诺贝尔化学奖奖给了加拿大物理学会的主席海森伯格,表彰他在电子结构光谱方面的贡献1998 年的诺贝尔化学奖奖给了美国的理论物理学家科恩,表彰他在量子化学方面的贡献 还有很多,我这是只能举这么一些,所以大家可以看到,得诺贝尔化学奖的竟然很多都是物理学家这是化学,那么我们再看看生物学和医学 在生物学和医学里边,首先提出遗传密码的,就是生物学和医学的一个重要的概念,手先提出遗传密码的是物理学家薛定谔我们大家都知道,量子力学的奠基人薛定谔提出了一个著名的薛定谔方程,现在还是量子力学的基础竟然是薛定谔首先提出了生命现象是个量子现象,生命有遗传密码非常不容易那么,大家知道生物学里边 DNA 的结构的解析是个非常非常重要的事情,在 1962 年,提出 DNA 结构的有 4 个人,这 4 个人里面有 2 个物理学家 1 个化学家 1 个生物学家。
所以提出 DNA 结构的,搞生物的就 1 个人,但是有 2 个搞物理的 那么我下面再说说物理和经济,这个大家觉得好像离得很远,一个是理科一个是经济,怎么会在一起呢?实际上大家可能想不到,经济诺贝尔奖是 1968 年决定的,1969 年才颁发的第一届奖从1969 年颁发诺贝尔经济奖到今天,诺贝尔经济奖里边,完全和数学物理没有关系的只有一个,其他各项诺贝尔经济奖都和数学物理有关系比如说 1969 年的第一届诺贝尔经济奖,得奖人是谁呢?是荷兰莱顿大学的波丁根,他是学数学物理的表彰他用动态模型来解决的经济发展的规律2000 年的经济诺贝尔奖奖给了美国明尼苏达大学的物理学家麦克法登,表彰他用统计学的方法分析经济规律2003年的经济奖奖给了美国康奈尔大学的物理学家罗伯特恩格尔,表彰他用时间顺序分析经济变化的规律所以大家看,经济诺贝尔奖设得很晚,但获奖者几乎都和数学和物理有关系因为现在大家越来越认识到,经济学实际上是用数学、统计、物理学的模型方法来解决的,而不是简单的一个数钞票的问题 其实物理和和平奖和文学奖也有关系,当然和平奖、文学奖和意识形态关系很密切,这个很难说明什么问题,但是我也举这么一个例子。
在诺贝尔和平奖里边,有 3 名自然科学家获得,其中一个是化学家鲍丁,这个大家都很熟悉还有两个是物理学家,一个是前苏联的萨哈罗夫,还有一个是英国的核物理学家罗夫托拉斯具体内容我们就不去讲它了,就是说,物理学家也涉及到各个领域包括文学奖,大家都知道有一个很著名的小说《古拉格群岛》,它的作者是前苏联的苏尔仁尼琴,苏尔仁尼琴是学物理的大家知道当然这些有些是笑话了,但是前面物理和化学和生物与经济,那个是实实在在的所以有这样一句话,说“什么是物理?物理学家所干的都是物理”(What is physics? Physics is what Physicists do)这个话很辩证很哲学也很有意思物理学家所做的都归到物理里边,所以它并不仅仅是简单的物理 为了让大家对物理对以前的发展过程,现在的发展影响有一个比较清楚的了解我想举一个超导的例子因为我本人是搞超导的,对超导比较熟悉,所以我想举这样一个例子,简单讲讲超导发现的历史,说明物理学的发展是有延续的,学科本身也是不断的发展,对我们人类的影响也是不断地产生的 超导是在 1911 年发现的在 1911 年的时候荷兰莱顿大学有一个物理学家叫奥尼斯,当时他是在做金属在低温下的电阻的实验,结果他发现,到了 4.2K 的时候,Hg 的电阻突然垂直地掉下来,减到0。
这就是超导现象奥尼斯的这个发现当时震动了世界发现超导以后,人们都来研究超导现象人们试了很多很多金属,发现很多金属元素都有超导,但是他们的临界温度都非常低,常压下温度最高的也只有铌,也只有 9.2K一直到 1973 年,我们试制出来的最高温度的合金 Nb3Ge,也只有 23.2K从 1911 发现到 1973 年经过了 60 多年,这临界温度才提高了这么一点这种现象在 1986 年得到了改变,1986 年的时候,瑞士爱德华大学的 Bednortz 和 Muller 在世界上第一次发现了金属氧化物有超导性他们发现的是 La-Ba-Cu-O,临界温度超过了 30K震动世界为什么?第一,它的临界温度突然从 20 多 K 提高到了 30 多 K主要的是一个金属的氧化物在人们固有的概念里是绝缘体呀!这个太出乎人们的意料了他们 1986 年发现了氧化物超导,1987 年就得到了诺贝尔物理学奖然后在 1988 年发现了钡锶钙铜氧,它的临界温度是 110K,接着发现了铊钡钙铜氧,临界温度 123K 从 1986 年发现高温超导到 1988 年短短两年时间,临界温度提高了将近 100K,而且各种高温超导材料像雨后春笋一样出现,人们对此非常乐观,认为临界温度还能很快提高,室温超导都能实现,很快根本不用冷却介质了。
但是从铊钡铜氧发现以后,人们一直做不出临界温度更高的材料这样一直过了 5 年,到 1993 年,我和我的同事,做出了汞钡钙铜氧,这个汞钡钙铜氧的临界温度是 1。