楊振寧：加速的科技應(yīng)用

今天我和大家談?wù)摰念}目，叫做“加速的科技應(yīng)用”。

20世紀(jì)人類生產(chǎn)力猛增，大家有目共睹。這個猛增的動力來源于物理學(xué)、化學(xué)、生物和醫(yī)學(xué)的一些世紀(jì)性進(jìn)步。今天我只討論物理學(xué)對人類生產(chǎn)力猛增的貢獻(xiàn)。

我們先看19世紀(jì)。雖然近代科學(xué)從牛頓就開始了，可是起步后發(fā)展很慢，比如力學(xué)走過整個18世紀(jì)才成為一門相對完善的學(xué)科。今天看來，19世紀(jì)是一個關(guān)鍵的世紀(jì)，這個世紀(jì)大大地擴(kuò)大了近代科學(xué)的發(fā)展，這其中一個最重要的發(fā)展是對電磁學(xué)的了解。

電磁學(xué)發(fā)展大概可分兩個階段：

在18世紀(jì)甚至于17世紀(jì)以前，中國和西方都對于“電”和“磁”有些初步的認(rèn)識。關(guān)于電和磁，一個關(guān)鍵性的發(fā)展是在1820年，一個叫Orsted（奧斯特）的丹麥人 ,他第一次發(fā)現(xiàn)“電”和“磁”是有相互聯(lián)系的，在那之前電就是電、磁就是磁，電的表現(xiàn)如脫毛衣時有一些火花、天上的閃電等等，磁是更早就知道?？墒堑谝淮沃浪麄冎g有著密切關(guān)系，是在1820年，Orsted發(fā)現(xiàn)電流可以影響周圍的磁鐵。那個時候已經(jīng)可以做出簡單的蓄電池，Orsted發(fā)現(xiàn)用蓄電池產(chǎn)生電流時，電流旁邊的指南針會動，第一次了解到原來這兩個很稀奇的現(xiàn)象是互相關(guān)聯(lián)的，這個發(fā)現(xiàn)具有決定性的影響。當(dāng)時歐洲很多國家的學(xué)者都在拼命研究這個現(xiàn)象，其中有很多大科學(xué)家，如安培，今天電流的單位就是以“安培”命名的。

第二個大發(fā)展，是1831年Faraday（法拉第），他基本上沒有受過正式的學(xué)術(shù)訓(xùn)練，所以他基本上不懂?dāng)?shù)學(xué)。他有好幾厚冊的研究報告，但里面沒有一個公式，因?yàn)樗麤]學(xué)過數(shù)學(xué)?？墒撬泻芏嗟闹庇X，他把Orsted的發(fā)現(xiàn)拿來做反復(fù)的研究，之后他發(fā)現(xiàn)了一個基本的現(xiàn)象，西方叫做Electromagnetic Induction，中國叫做電磁感應(yīng)。這個發(fā)現(xiàn)的重要性顯而易見，現(xiàn)在的發(fā)電機(jī)之所以能發(fā)電，就是應(yīng)用了他的發(fā)現(xiàn)。

楊振寧院士題寫參觀三峽工程感言 攝影/劉華

法拉第日記（1831年10月17日）中的繪圖。它顯示了一個線圈連接到電流計(jì)的螺線管，將磁棒移入和移出螺線管會產(chǎn)生電力。

發(fā)電最早是用了簡單的線圈，這里有一張圖（下圖）是一個線圈，里頭放了一個磁鐵，F(xiàn)araday發(fā)現(xiàn)單是這樣放著，線圈中沒有電流，可是把磁鐵向里面推或向外拉的時候就會產(chǎn)生電流。因此Faraday發(fā)現(xiàn)動的磁鐵會產(chǎn)生電，這個叫做Electromagnetic Induction。這就是今天發(fā)電的基本道理。

Faraday反復(fù)研究，有了重大的發(fā)現(xiàn)。他把有些東西定量了，可是他不會寫成公式，尤其重要的是他引進(jìn)了一個重要的觀念，是他自己也講不清的幾何觀念，他用種種的語言來描述這個觀念，人們多多少少可以感受到他的觀念，但是發(fā)現(xiàn)有時候是前后矛盾的，因?yàn)樗麩o法用公式準(zhǔn)確描述。比如，他覺得動的磁鐵和它產(chǎn)生的“電”，是在垂直的方向，他有這個幾何直覺，但是無法用公式寫出來。

1865年， Maxwell（麥克斯韋）來了，這個時候的Maxwell很年輕，差不多十年前他在英國劍橋大學(xué)畢業(yè)了，他給Thomson（威廉·湯姆森，后來被稱為開爾文爵士）寫了一封信。當(dāng)時Thomson在學(xué)界遠(yuǎn)比Maxwell有名，他比Maxwell大6歲，但是他已經(jīng)是大學(xué)教授了。Maxwell在信上說，我很想了解電是怎么回事，你可否告訴我要看哪些書。這封信現(xiàn)在留下來了，可是Thomson給 Maxwell的回信找不到。不過我們可以猜想，Thomson給 Maxwell回信說你去查我的某某篇文章，這篇文章里面引進(jìn)了一個方程式:磁場H=▽×A，A即是電磁式。

楊振寧院士參觀三峽工程后題寫的感言 攝影/劉華

1865年，Maxwell發(fā)現(xiàn)這個A就是Faraday想要找到卻講不清楚的觀念。研究這段歷史多年后，我認(rèn)為這是個真正的巨大發(fā)現(xiàn)，它使得Faraday的不能用數(shù)學(xué)表示的直覺，清楚地數(shù)學(xué)化了。過了幾年，Maxwell寫出了一組方程式，這組方程式有二十三個方程式，現(xiàn)在我們看到的四個方程式，是他的二十三個方程式簡化，概括了里面的基本精神。這對是人類歷史是非常大的貢獻(xiàn)。

Maxwell寫出方程式后，用數(shù)學(xué)的方法計(jì)算下去，得出一個結(jié)論，就是應(yīng)該存在電磁波，而且電磁波的速度可以算出來。當(dāng)時已經(jīng)有人把光的速度測出來了，Maxwell把他算出來的電磁波速度和已知的光的速度對比，發(fā)現(xiàn)二者很接近。于是他大膽地推測光就是電磁波。在人類歷史上這一發(fā)現(xiàn)，無論是從知識方面、還是應(yīng)用方面來說都是極大的發(fā)現(xiàn)。我曾在一篇文章中寫到：“Maxwell是一個虔誠的基督徒，不知道他有這個發(fā)現(xiàn)后，是否向上帝懺悔，因?yàn)樗焉系垡粋€最重要的秘密展現(xiàn)給人世”。但是電磁是否有波，在Maxwell的有生之年，沒有做成實(shí)驗(yàn)，因?yàn)槟菚r候電流還很弱，沒人能做出這個實(shí)驗(yàn)來。

在1887年Maxwell去世以后，一位叫Hertz（赫茲）的德國人，做成了這個實(shí)驗(yàn)，Hertz讓一個很小的線圈里面有電流，旁邊又放一個線圈，結(jié)果發(fā)現(xiàn)旁邊的線圈有感應(yīng)。這是人類第一次知道電磁波可以制造出來，并且可以傳遞信息，今天的網(wǎng)絡(luò)就是這個發(fā)現(xiàn)的擴(kuò)充和補(bǔ)充。

是這些電磁的發(fā)展引導(dǎo)出來整個20世紀(jì)的物理學(xué)。

這個影響有兩方面，一個是理論方面，一個是應(yīng)用方面。

20世紀(jì)物理學(xué)理論方面的發(fā)現(xiàn)基本上是以電磁學(xué)所引導(dǎo)出來的。首先是狹義相對論，這是1905年愛因斯坦所提出來的。他當(dāng)時研究電磁傳遞在一個移動空間上的傳遞與地面上的傳遞有什么關(guān)系，他在26歲的時候大膽的寫了一篇文章，就是現(xiàn)在說的狹義相對論。

又過了差不多十年，愛因斯坦把狹義相對論推廣，變成了廣義相對論。廣義相對論和狹義相對論可以說是把電磁學(xué)本身的結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮了，可是這發(fā)揮后又出現(xiàn)了新的問題：“原子是什么結(jié)構(gòu)？”當(dāng)時已經(jīng)知道了原子，是有一個原子核，周圍有電子在轉(zhuǎn)動。問題是電子在周圍轉(zhuǎn)的時候會有向心加速度，根據(jù)Maxwell的方程式，任何帶電的東西加速度以后就會放射電磁波，電磁波放射出來后，能量就會降低。比如說一個氫氣的原子，它的原子核即質(zhì)子，旁邊有電子在轉(zhuǎn)，根據(jù)電磁學(xué)原理，這會產(chǎn)生電磁波放射，氫原子能量降低，軌道就會縮小，最后就會縮到原子核里面，所以所有氫氣的原子都不會永久下去，而且能算出來它們在很短時間內(nèi)就會被消滅掉。

這就產(chǎn)生了一個大的問題，就是量子力學(xué)，在20世紀(jì)的頭三十年之間被解決了。量子力學(xué)有很多人在其中做了貢獻(xiàn)，包括愛因斯坦等。量子力學(xué)的發(fā)展使得人類對于原子、分子的結(jié)構(gòu)有了非常清楚地了解，并大量應(yīng)用，比如激光?？梢哉f沒有量子力學(xué)的發(fā)展，就不可能有今天對于分子、原子的了解，那今天的世界就不會是現(xiàn)在這樣子。

到了20世紀(jì)50年代，人們對原子、分子結(jié)構(gòu)的方程式基本是知道的，但是這些方程式還沒有完全。當(dāng) 時，在50年代，我做研究生的時候，就要研究原子核的里面是什么？

對原子核內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究，產(chǎn)生出一個新的領(lǐng)域，是基本物理學(xué)領(lǐng)域叫做高能物理學(xué)，為什么叫高能，因?yàn)殛P(guān)閉在越小的空間里面，能量就越大。原子核里面的能量是外面的幾千倍，這就是為什么原子彈的威力比炸藥的威力大很多，因?yàn)檎ㄋ幍耐κ窃雍送饷娴?，原子彈的威力是原子核里面的?/p>

最近這六七十年人們主要是研究這個領(lǐng)域，雖然沒有完全解決，但是有了長足的進(jìn)展，最后得出的結(jié)果叫做“標(biāo)準(zhǔn)模型”。大家可能在報紙上看到，2012年在日內(nèi)瓦發(fā)現(xiàn)了一個粒子叫做Higgs（希格斯），這個發(fā)現(xiàn)對原子核結(jié)構(gòu)有一個相當(dāng)完整的了解。Higgs是個人的名字，他最早提出這個觀念。

20世紀(jì)基本理論物理學(xué)的發(fā)展，其實(shí)都和電磁學(xué)的發(fā)展有直接的關(guān)系，標(biāo)準(zhǔn)模型中最基本的觀念其實(shí)就是把Maxwell方程式推廣。那么是否現(xiàn)在是什么都了解了，沒有新的問題了？其實(shí)不然。又出現(xiàn)了新的問題，新的問題是不知道把引力拿來怎么辦。

現(xiàn)在基本上知道，世界上所有力量分為四種：最弱的是萬有引力，我們在日常生活就能知道引力的重要（原子之間也有引力，不過很小很?。?。再次是弱力，即放射線。其次是電磁力。再后，是高能，也就是原子核力。

最弱的力量和量子力學(xué)的關(guān)系搞不清楚，今天仍然在研究，產(chǎn)生了一個新的領(lǐng)域叫做弦論，弦論搞了這么些年，在數(shù)學(xué)上有一些成功，但是跟物理現(xiàn)象關(guān)系不大，仍在繼續(xù)研究。

以上大概描述了電磁學(xué)在20世紀(jì)在基本物理學(xué)所產(chǎn)生的影響。接著我們來討論電磁學(xué)從20世紀(jì)一直到今天，在應(yīng)用方面的發(fā)展。這個大概可以分為三類。

第一類的影響是電的生產(chǎn)和應(yīng)用。當(dāng)初Faraday的小線圈，與現(xiàn)在70萬、100萬千瓦的機(jī)組，是不可同日而語的。電的生產(chǎn)和應(yīng)用之重要是無法具體描述的，不能想象沒有電的世界現(xiàn)在是怎樣的。

第二類的影響是電磁波。剛才我講了是Hertz第一次證實(shí)電磁波可以制造，在這十多年后，意大利人Marconi真的做了一個無線電，可以短距離的傳遞信息。之后，到我出生的時候（1922年），無線電廣播就已經(jīng)有了，我讀小學(xué)、中學(xué)的時候在北平，家里有小的收音機(jī)可以收聽廣播。到1960年代，我在美國時有了電視。這些都是用不同的波長、不同的方法利用電磁波傳遞消息。另一個重要的應(yīng)用是Radar（雷達(dá)），雷達(dá)的發(fā)展是在二次世界大戰(zhàn)的時候，美國為軍事應(yīng)用而發(fā)明的。雷達(dá)的影響極大，戰(zhàn)后基于這發(fā)明的Nuclear Magnetic Resonance Imaging （核磁共振成像） 即MRI，對人類的健康有著非常大的貢獻(xiàn)，是巧妙地用了電磁波。到了20世界末，電磁波發(fā)展到了網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)尤其是現(xiàn)在的智能手機(jī)，直接影響了每個人每一天的生活，所以電磁波發(fā)現(xiàn)的重要性是無法講清楚的。而且，很顯然它要繼續(xù)發(fā)展下去。

第三類由電磁現(xiàn)象引發(fā)出來的對于應(yīng)用有決定性影響的是半導(dǎo)體的發(fā)展。半導(dǎo)體是一九四七年戰(zhàn)后發(fā)現(xiàn)的。在30年代的無線電用的是什么呢？是真空管。真空管是什么呢？通常是玻璃的一個管子，有三極管、四級管、五級管，通過這造出無線電通訊，以及后來的計(jì)算機(jī)。半導(dǎo)體的發(fā)展對于計(jì)算機(jī)有重大的影響。半導(dǎo)體怎么發(fā)現(xiàn)的？

奧本海默和馮·諾依曼

19世紀(jì)人們知道有傳導(dǎo)體和絕緣體，在1949年左右，才發(fā)現(xiàn)有一種東西既不是Conductor（導(dǎo)體）又不是Insulator（絕緣體），是一種可以控制，可以是導(dǎo)體，也可以是絕緣體的東西，可以用來作開關(guān)，這是了不得的發(fā)現(xiàn)，因?yàn)檫@樣一來真空管就被半導(dǎo)體代替了，而半導(dǎo)體可以做得極小極小。

這張照片（見上圖）是1950年在Princeton Institute（普林斯頓高等研究院）照的，我當(dāng)時是這個研究所的一個博士后，照片右邊這位是Oppenheimer (奧本海默)，他是物理學(xué)家（1904年出生的），他曾經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)美國的原子彈工程，所以等到1945年原子彈成功爆炸以后，他立刻變成全世界最有名的學(xué)者。1950年他是這個研究院的院長，我在Institute（普林斯頓高等研究院）待了17年，在這期間他一直是院長，所以我跟他很熟。左邊的這位叫做馮·諾依曼（全名John von Neumann）。后面是當(dāng)時世界最大的計(jì)算機(jī)Johniac，馮·諾依曼的名字叫做Johnny，所以大家昵稱這個計(jì)算機(jī)是Johniac，它極大把整個屋子都占滿了。這個計(jì)算機(jī)是革命性的計(jì)算機(jī)，因?yàn)轳T·諾依曼引進(jìn)了一個基本的觀念，叫做Stored Program Computer，在這之前最大的計(jì)算機(jī)叫做ENIAC，大的不得了，其程序，幾千個步驟。幾千個步驟怎樣記到計(jì)算機(jī)中去？它是用幾十個電話接線生，每一個前面都有一個交換機(jī)，幾十個接線生，幾千個程序，一個個插進(jìn)去，需要花好幾個鐘頭。

楊振寧院士與中華鱘研究所科研人員 攝影/劉華

馮·諾依曼說這個辦法不好，應(yīng)當(dāng)把程序拿來當(dāng)做數(shù)字，記到計(jì)算機(jī)中去。這個辦法的好處是：如果根據(jù)計(jì)算覺得需要修改程序，那可以立刻修改。不像ENIAC，要修改程序，須要把電話接線生請來，是好幾個鐘頭的事情。

用Stored Program Computer，程序指導(dǎo)了計(jì)算，計(jì)算的結(jié)果又改變了程序，這個循環(huán)不需要時間了，這是一個大的革命。今天所有的計(jì)算機(jī)都是這種存儲程序的計(jì)算機(jī)。

現(xiàn)在回想一下，從Faraday的線圈到Marconi的原始無線電，到Johniac計(jì)算機(jī)，再到今天的智能手機(jī)：20世紀(jì)科學(xué)應(yīng)用的發(fā)展遠(yuǎn)比19世紀(jì)快。而且，20世紀(jì)下半葉的發(fā)展又比上半葉快，發(fā)展是加速的。今后五年、十年、五十年會發(fā)生什么事情？我相信發(fā)展會更加速。