明天的物理学
物理学是自然科学的基础,同时又是自然科学发展的前沿。物理学自诞生以来就具有两方面的基本作用:在精神上,它极大地满足了人们的求知欲,物理学帮助人们越来越深入地认识了自然界;在物质上,它有力地服务、造福于我们人类。
但是,今天我们才意识到,人们关于物理学的一些认识还未必正确,一些结论未免过早。在物理学轰轰烈烈走过了几个高潮之后,产生了一种倾向,一些人士开始了关于物理学的反思:物理学在悠久的人类历史长河中的几百年究竟起了什么作用?物理学所应用的方法对自然界是真的行之有效么?明天,未来的物理学会是怎样?
本文作者持积极乐观态度,坚信在未来的21世纪,物理学将不改初衷:
(1)继续满足人们不断增长的求知欲望,前沿不断发展,失误不断被纠正,而且人们将通过物理学加深对人类自身的认识。
(2)一如既往地满足人们物质上的需要将仍是物理学的主要目标。这也是物理学历尽沧桑而不断得以存在并发展的决定性因素。也正因此我们预言:应用物理在未来的物理学中将前所未有地起主导作用。与以往不同的是在未来的应用物理中,理论的探索将占更大的成份,具体而言之:
a.物理学60%-80%的理论探讨将围绕理论的应用展开,将集中探讨“理想化”的理论如何回归现实世界,以及检查“理想化”的理论是否背离了现实的轨道。
事实上,在一定意义上物理学研究的对象一直是理想的模型。这在一定阶段具有绝对进步的意义。但理想模型的建立过程即对现实世界的抽象处理过程因过分简单化难免使模型与现实对应物之间有了本质区别。这一点对物理学的影响是深重的。今天,我们已经有了关于实物的、关于场的、关于平衡态的、关于非平衡态的、关于线性的、关于非线性的物理理论。但是在每一领域的理论应用于现实时,仍会遇见巨大的困难,有时甚至会出现不可解的问题。笔者认为,这原因之一就是由于在“理想化”处理、抽象研究建立理论过程中隐匿了错误。在物理学中,甚至在过去的所有科学技术中,几乎处处离不开近似处理,“四舍五入”成了一条科学成语。但是就在这种近似处理中,物理学曾轻易地忽略掉了混沌理论。该理论承认“蝴蝶效应”:今天有一只蝴蝶在北京扇动翅膀就有可能在下个月引起纽约的一场风暴。这在只具备传统物理思想的人看来是不可思议的。
在未来对物理学既有的理论和方法的检验中,也许会发现许多错误,从而建立一系列新理论。
b.未来物理学最尖端的环节之一是材料物理学。一方面科技越先进,对各种仪器、设备的各项指标的要求就越高,而要达到这一要求在很大程度上取决于材料的性能;另一方面,一些新技术的诞生完全是由于新材料的发明及材料新性能的发现,具有了良好材料才能使器材的“硬件”真正“硬”起来。
高科技的发展和应用能促进生产力的飞跃,高科技是国家、企业竞争制胜的制高点。所谓高科技主要包括:信息技术、自动化技术、航天技术等等。而其中信息技术的基础技术主要就是新材料技术新能源技术。可以说没有新材料的不断问世就不会有高科技的健康发展。新材料的神奇作用有时是难以预料的。下列事实能充分说明这一点。
科学家预言在不久的将来光计算机将取代电子计算机,如同晶体管取代电子管一样。光计算机一秒钟可以进行一万亿次的逻辑运算,其存储器的存储量将提高几万亿倍。这一切都是电子计算机远远望尘莫及的。使这种“神话”得以成真的关键是找到可以取代晶体管的新材料。如今研究已初步成功。新材料是一种特殊的晶体,照射到它上面的光束,强度发生一点变化,透过去的光将发生很大变化,即它对光有放大作用。
有一种新材料叫功能陶瓷,具有光、声、热和电磁学等多种功能相互转换的特性。这种材料在信息工程中大显神通,得到了广泛的应用。同样,已被大家熟悉的不再神奇的“形状记忆”镍钛合金,在航空中也有了特殊的应用,显示出了巨大的优越性。