未来物理的发展方向

1、杨振宁杨振宁( zhen ning yang )，物理学大师，诺贝尔奖获得者。 1957 年由于与李政道提出的“弱相互作用中宇称不守恒”观念被实验证明而共同获得诺贝尔物理学奖；其于 1954 年提出的规范场理论，则于 70 年代发展成为统合与了解基本粒子强、弱、电磁等三种相互作用力的基础；此外并曾在统计物理、凝聚态物理、量子场论、数学物理等领域作出多项卓越的重大贡献。各位同学， 我是 1929 年七岁的时候搬到清华园来居住的。我父亲那时候在清华物理系当教授。 清华和北大那时候都比现在小得多。我估计清华园的面积只有现在的十分之一。两校门南边那条河，是当时清华的界线。从西直门、动物园一直到北大和清

2、华中间，基本上都是一些农田和农民的房子，还有一些小镇。那时候电影院都在城里，所以我还记得很清楚， 每个礼拜清华都在这个大礼堂里演一次电影，所以对于这个大礼堂我当时是很熟悉的。我在清华从七岁到十五岁一共居住了八年。方才我走进这大礼堂，推开大门一进来， 我就闻到了大礼堂的味道， 这个味道跟七十多年以前我所闻到的味道是一样的。所以你们可以想到，我对清华很多地方有非常亲切的感觉。当然， 世界变化很大了。 1938 年到 1942 年我在西南联大念物理系本科生的时候，全系加起来，连研究生在内，不到 50 个人。我想今天的规模应该是当时的十倍甚至二十倍。 当时正值抗战， 我们居住的条件， 教室的设备， 图

3、书馆的情形， 都简陋得不得了。可是也许跟今天你们最大的分别， 还不是这些， 而是整个气氛不一样了。 那时正在抗战，常常有日本飞机来轰炸，前途是很不乐观的，我们每个人的前途都笼罩着忧患意识。相比而言， 你们今天生活的时代实在是一个大时代， 我相信你们每一位对于这一点都有应 该有的认识。我后来去美国学物理，下面我给大家讲讲我去美国学的研究院的物理和你们今天所面临的物理之间的重大分别。我是1945 年去的美国，从物理学发展的观点来看，20 世纪头三四十年， 是历史上的一个黄金时代。 因为当时大家知道， 19 世纪 maxwell1 、boltzmann2 和 gibbs3 创建了电磁学和统计力学以后

4、， 到了 19 世纪末 20世纪初， 出现了很多的不能解释的事情， 那个时候开尔文勋爵( lord kelvin ) 曾经作过一个演讲，说是物理学的天空里头有几朵乌云4 。 如果你看到过1904 年在圣路易斯开的一个国际讨论会的记录，你就可以知道那个时候整个物理学有垮台的危险。因为在19 世纪人们虽然了解了很多东西， 尤其是电磁学和统计力学方面的， 但是仍然存在不能解释的现象。最重要的两个现象我想大家都知道，一个就是michelson 和 morley5 的实验与以太的观念有直接的冲突。另外就是一个电子在原子里绕着原子核转，它随时都有加速，一个加速了的电体应该随时有辐射，所以能量就越来越减少。

5、这样的话，绕着原子核的电子就应该越来越转到里边去，因为它的能量变小了，最后就要撞到原子核上去。而这种现象跟当时的实验是完全不符合的。人们当时完全不懂这个问题。这在当时是一种困扰，不过在今天看来是一个机会。 是什么机会呢？就是人们可以根据这种现象创建出来新的、革命性的原则。大家知道在20 世纪头 30 年产生了“三大革命”：狭义相对论、广义相对论和量子力学。这些都不仅是物理学上，而且也是人类历史上的高峰。我到美国去的1945 年可以说这个高峰已经过了。 可是这个高峰带来的一些新的， 从前不能想象的东西发展出来了， 所以我在国内外给一些学生演讲时常常说从物理学的发展史来讲， 20 世纪的前三十年是

6、一个黄金时代； 我去美国以后， 也就是第二次世界大战以后的二三十年是一个白银时代。 白银时代不能够跟黄金时代比， 就是没有像产生黄金时代的那 “三大” ，那种观念上的大革命。但是能够做的事情也是很多的，比如核物理、原子、基本粒子的构造、固体物理等领域的新发现，以及激光的发明，都是1945 年以后的二三十年里的 辉煌成就。了解了上面这些以后，我们可以问，今天在座的各位同学面临的物理学的前景是什么样的呢？以后的二三十年物理学将向什么方向上发展呢？我想这个问题对于你们是非常非常重要的， 因为你们将来的工作就与这个问题的回答有密切的关系。当然对于前途没有人能够讲出来百分之百准确的语言。但是我想能看清楚

7、的是，以后二三十年物理学发展的性质和刚才讲的黄金时代、白银时代都不一样了。 为什么不一样呢？因为物理学的学科前沿现在变得非常广。之所以变广了，就是因为刚才所讲的黄金时代和白银时代拓展了物理学的前沿。 这种宽广对于你们有坏处也有好处。坏处是什么呢？极宽广的领域会使得你们无所适从， 不知道该向什么方向上发展。好处是什么呢？如果你在众多的方向中选择了适合你的道路的话， 你可以做很多事情。 今天能做的事情， 比起 20世纪初，比起我在作博士后的时候，要多得多，而且今天学术和社会的关系更密切了。讲得通俗一点的话， 就是现在发财的机会多了。黄金时代和白银时代打开的新门路多得不得了。你如果找着了某一个门路，

8、就可以做出很大成就，创造很多财富。这是一种困扰，但同时也会带来机会。最重要的是每个人都必须对这一点有所了解，知道今天物理学前沿的发展跟20 世纪前 80 年不一样了。如果你对这一点不了解的话，对于你将来选择道路不利；如果你接受我刚才所说的话，就会得出一个推论。这个推论就是，你必须要讲究学习的方法，这也和传统的方法不一样。大家都知道，爱因斯坦1905 年写了几篇革命性的文章。他那时候专注于几件事情， 对每一件事情他后来都作了革命性的贡献。 一个是光子； 一个是狭义相对论。现在我们知道爱因斯坦和他的第一个太太在1900 年前后还处在恋爱时期，他们的来往信件， 现在被人发现了， 发表出来。 如果你看

9、过这些历史材料的话， 就会发现， 早在 1899年的时候，爱因斯坦就已经对电动力学产生兴趣了。那个时候的前沿问题比较专一，比较少， 加上他有能力， 有见解， 又选择了这个题目， 所以就有了大成就。 今天不是这样，今天讲不出来物理学领域中在未来十年或者二十年内会有巨大发展的某个方向。 所以正如我刚才所讲的一样，这一点对你们选择前途是一种困扰。不过认识了这一点以后，你就会知道自己应该采取什么样的对策， 那就是必须要把兴趣放广放宽。 如果你还只是对着一两个方向走的话，那你的机会就会很少。在这一点上中国的学习方法跟西方的， 尤其是美国的学习方法有着根本的分别。中国的学习方法受中国教育哲学的影响，一直是

10、让小孩子向专业的方向发展。这跟美国的传统是很不一样的。美国比较放任，让孩子自己去发展。这种分别到了大学时代以后就会看得很清楚。美国的大学生，一年级的大学生，他们的兴趣平均起来很广，所以他们什么东西都懂一点。他们的网散得比较广，导致的结果就是他们不会考试，这是大家都知道的。而中国的学生非常会考试，为什么呢？比如说中国的同学在中学学习三角，会做很多习题。 而美国的中学生虽然也都知道正弦和余弦的定义， 但是他们不会做习题。他们接受的是一种比较宽泛的知识，而没有深度。你们必须要了解，这两种方法的教育结果是各有短长的。从考试的角度讲，那当然中国的教育方法是非常好。大家都知道现在从中国到美国去念书的学生是

11、非常之好的， 比如我听说伯克利有一个美国学生回家之后父母问他选了什么课，问他有没有选一门很重要的课，他说没选，父母问他为什么没选， 他说我在选课的地方看到有三个中国学生都选了这门课， 我就知道我不宜于再选了。虽然如此，他们知道的东西却非常多，知道很多领域的一些东西。对此我自己也有一些亲身体会，而且不是自今日始，我去美国念书的时候，就看到过这种现象。我还记得很清楚，我1946年初住在芝加哥一个叫international house （留学生公寓），当时有很多研究生住在里边。芝加哥大学的附近有一个溜冰场，冬天可以溜冰。我去溜冰的时候遇见了一个数学系的同学，叫莱布尼克。溜完冰以后我们谈得很投机。于

12、是他就到我的屋子里去了， 结果我们一直谈到了第二天天亮。 他走了以后， 我觉得这个人简直不得了，他知道很多我从来没听说过的数学和物理学领域里最新的东西。 你到美国去的话， 常常会看到这样的同学。 可是很快我就发现，原来他对于自己所讲的那些好像头头是道的东西，根本就不太懂，知道得比较肤浅，所以等到后来考试的时候，中国学生所接受的严那么是不是他们这种办法就绝对不好呢？不然，这种办法格训练的好处就显示出来了。也有好处。而且这种好处在当今状况之下，就是像我刚才讲的门开的很多，不同学科的交叉领域所能产生的重要结果多的不得了的情况之下， 美国学生的学习方法就发生了优势。我给你们举几个例子，我想大家如果自己

13、没有做过cat-scan（层状扫描，俗称ct）的话， 那么你们的父母或者祖父母一定做过。 cat-scan 的发明者有一个物理学教授， 他对于计算机很感兴趣，对于医学也很感兴趣，又研究过理论的 x 光效应，就把这几种研究综合起来， 后来就发展出了 cat-scan， 并且得到了诺贝尔奖。 再比如去年得到诺贝尔奖金的是 nmr（核磁共振 nuclear magnetic resonance,nmr ）,现在叫 mri （磁共振成像 magnetic resonance imaging ,mrd ,这个 mri得奖的一个人叫做劳特伯（lauterbur ）,他跟我在 stony brook （纽约

14、大学石溪分校）是同事。他比我年轻，是化学系一个年轻的助理教授。当然因为他是化学家，所以对于 mri 的技术知道得很清楚。可是他也对计算很感兴趣，而且他也吸收了 cat-scan 的基本观念，因此他就想我为什么不能够也做一个scan,使mri也可以scan癌细胞。于是他想了一个很聪明的办法，就是使用了一个梯度磁场。这是一个很妙的见解，如果你不懂的话，你可以随便找一位老师，五分钟之内，对于梯度磁场为什么可以解决scan 这个问题你就懂了。他只用了一个小试管和一个梯度磁场， 结果今天的 mri 就诞生了。这个故事告诉你们， 今天的方法多得很，如果你的兴趣广一点， 你就可以把好几个东西综合在一起， 然

15、后得出来从来没有过的事物或者见解。所以在今天的情形之下，每一个人都值得向广义的方向去发展，这一点对于中国教育体制下成长起来的年轻人尤其重要。刚才朱教授讲了一件事，我听了以后觉得很惊讶。他说系里现在准备开设学术报告课， 希望每一个研究生都去听， 听说有些研究生反对， 我认为这简直是不可思议的。因为假如一个学期有十次学术报告，就算你去听十次，花了二十个钟头，而二十个钟头的投资是很少的。我知道在美国也有这样的现象，很多同学不喜欢参加学术报告会。比如说在 stony brook ，每个礼拜都有一个学术报告，很多中国同学不去，我就问他们为什么不去，他们说我去了也听不懂。我说我去了也常常听不懂，可是这没有

16、关系，你这次没听懂，过了三个月再去听另外一个讲得稍微不一样的，连续听上几次，就会有所收获，而这种收获是非常重要的。我给这种学习方式起了个名字，叫做渗透式的学习。中国传统的教育方法不注重渗透式的学习，而看重灌输式的学习，也就是猛攻，这当然是有它的好处的，可是渗透式的学习也是非常重要的。你看一个小孩子，为什么学语言学得很快呢？不是因为他听懂了每一句话，而是因为他听了一句话，过了几个钟头又听了一句话，他逐渐把每句话都综合起来，就懂了。这种学习方法到一个人年龄变大的时候就渐渐丧失了。 而我认为这是一种非常重要的学习方法。 尤其是在需要的知识越来越广的情况下，这种方法对研究生是很重要的。所以我觉得每一位

17、研究生为了他们自己，应该非常愿意地去听每一节课，每一个学术报告。不懂没有关系，听多了之后就自然会有一些收获，这是非常重要的。至于说你是不是要服从系里的规定去听，我觉得一学期花二十个小时去听并不是一个很大的投资。关于这一点，在美国和在国内各个地方演讲的时候，我都再三讲。我还觉得有许多值得看的科普书，我特别推荐的是scientificamerican （科学美国人） , scientific american 现在逐期都有英文的翻译，你们去看看这个我觉得是非常有用的。读这本书你们会遇到同样的问题，因为里面的内容不止包括物理，还有很多生物学方面的知识。某个领域的文章也许你今天看不懂，但是过半年之后你

18、又看了另外一篇，连续看上一两年，你就会对那个领域的东西多一些认识。总而言之，我要讲的就是，今天学术的前沿就是向宽广方向走，向交叉学科的方向走。每个同学必须了解这个形势而尽量地拓宽自己的兴趣。 我知道清华学生的学习成绩是很好的，所以我相信你们在这里毕业以后，在得到学士学位、硕士学位或者博士学位以后，在几十年以后当你们回忆起来时，会觉得清华的学生时代是很难忘的。 答同学问部分：问：我是研究生，如何处理与导师的分歧呢？具体地说，自己的研究兴趣得不到导师的支持，自己又觉得没有能力单独研究自己感兴趣的问题，此时应如何处理？答：这位同学有一些困扰，他不是第一个遇到困扰的学生，我想所有研究生，或者说绝大多数

19、研究生在做研究生的时候都会遇到一些困扰。 刚才朱教授念了一部分黄昆给我写的信。 他之所以给我写一封很长的信，是因为在那之前我给他写了一封很长的信。我现在没有副本，所以我记不太清楚自己那封信里写了什么。不过从黄昆这封信的口气上看，很显然我当时是不太高兴的，觉得有点失望。那么我当然还记得我那时候在做什么，那是1947 年的事情。我在去美国的船上就曾想，我到美国要做什么方向的研究呢。我对自己说，我在国内没有学过实验物理，所以到美国以后我要去写一篇有关实验物理的论文。到美国以后的几个月，我就到了一个叫 allison 教授的实验室，当时他正在搞一个四十万电子伏的加速器。我在那个实验室里呆了一年半左右。

20、那一年半我做得不太成功， 1947 年给黄昆写信的时候正是我有点彷徨的时候。 现在我看黄昆的回信觉得他当时也有一些彷徨的地方。现在得到黄昆的同意，我特别把它发表出来，是因为就像我在最后一句话中写的一样， 就是希望今天的研究生能够从我和黄昆的信中得到一些鼓励和启发。什么启发呢？原来研究生的时代有些失望的、不太愉快的、彷徨的感觉是很正常的，不必觉得是世界的末日到了。如果和导师的关系不好，怎么解决呢？这个我想没有固定的办法。我不太清楚清华在这方面的规章，在美国，假如有学生跟导师关系不好的话，那么学生可以去选另外的导师，没有导师可以拴住学生。没有说，如果他原来的导师不同意，他就不可以改换导师。 假如这

21、个学生在平时做研究工作的时候已经学习了一年的课程，而且学得还比较好，那么他去找别的导师，别的导师对他的印象也很好，那么就很可能有人愿意接受他，这样的情形屡屡皆是。我知道国内过去对于研究生换导师、换专业、甚至换系有很多很复杂的规章， 对于这些规章我一向觉得宜于放宽。 我在 stony brook 教了几十年书，就看到有的同学做得不开心，但是换导师以后很成功。我自己有一个研究生，叫余理华。他是1980 年左右到 stony brook 的。他现在做得非常成功。 他去了以后就做我的研究生， 他的特点是自己有非常强的自我钻研的习惯。 很快我就发现他对我让他做的工作不太感兴趣，他想研究的问题是量子力学对

22、于测 量的解释是不是对的。所以他就来和我谈话，说他在国内文革的时候被下放到农村去，就一直在想这个问题， 所以对此很感兴趣。 我跟他说你可以写一篇关于这个问题的论文，但是这个领域太冷了。你如果做这个方向的研究，我可以将来同意你得到博士学位，但是最后可能找不到工作，我不赞成你研究这个。我还记得当时他非常不高兴，我们坚持了很久。后来幸亏他对于另外一个东西又发生兴趣了，是关于加速器的设计，并且在那方面获得了博士学位。 这是我非常赞成的， 而且他在那方面现在做出了非常重要的工作。他设计的自由电子激光，现在是最有可能真正达到x光的自由电子激光的两种方法之一，而且我认为他的方法更好。 我想很可能再过五年或者

23、八年，如果世界上第一个x 光的自由电子激光出现的话，是余理华的所谓hghg(e增益谐波产生自由电子激光器)的方法。今天我问他那时我不让你做量子力学的测量是不是对的，他也承认我的见解是对的。我刚才讲我自己在allison 的实验室做的一年半不成功。 我倒并没有和allison有意见不一致的地方， 而且那一年半的时间给我带来了很大好处，首先让我知道了我不应该做实验物理，因为我的很多同学作起实验来得心应手，但是我作起来很困难，但是我作起习题来要比他们好得多。 最后是泰勒(teller) 帮我解决了问题， 他当时是物理系的一位教授。大家都知道他后来很有名，因为他发明了美国氢气弹的原理。他有一天来跟我说

24、， 听说你做实验做得不太成功。 那个时候物理系有两百个研究生， 大家都很熟悉，老师对于学生也很熟，我当时在物理系是很有名的研究生，因为忽然来了个中国学生，理论学得非常好，所以大家都注意到我。他问我听说你做得不成功，我说对。他就说你何必非得做一篇有关实验的论文呢？你已经选择了一篇文章， 就拿这篇文章做你的论文，你就可以得到博士学位。我说谢谢你，可是这和我的初衷不一样，我得想想。结果想了两天以后，我觉得应该接受他的建议。而且做了这个决定以后，我如释重负。为什么如释重负呢？因为我了解到我的发展前途不是在实验物理方面。 不过是不是我那一年半的时间就白花了呢？不然， 因为那一年半虽然没有使我成为一个实验

25、物理学家，但是对于一个实验物理学家的价值观，也就是他们整天想什么，他们面临什么困难，我都有了亲身感受。这对于我后来的工作有很大的帮助。我是1948 年获得博士学位的， 50 年代以后，我经常到实验室里去和那些做实验物理的人谈话，了解了解他们在做什么实验，已经得到了什么结果。这和我50 年代所做的研究工作有很密切的关系。所以这位同学问我应该怎么处理上面的问题，我想没有一概的回答，如果能够转到一个和自己的想法比较接近的方向当然是很好的。但是能不能和导师谈一谈呢？分析一下为什么会有争执也许是另外一种办法。你问的这个问题很重要，可是我想没有一个普遍的回答。问：您认为在今后二三十年里，物理学还将会有类似

26、与相对论那样的革命性突破吗？如果有，你以为最可能会在什么地方出现？答：这个问题很好，我有一个很直接的回答，我觉得这种可能性非常小，当然不能讲绝对不可能。为什么这样讲呢？因为在相对论产生的时候，也就是100 年前，有几个重大的绝对不能了解的东西。假如那些东西总是不被了解，过去的整个物理学研究就要垮台。而且事实上尤其是在量子力学到了 1923-1924 年的时候， heisenberg6 在 70 年代他老年时候曾有一些描述， 他说那个时候我们都非常失望，以为人类已经不可能了解原子的结构。这说明当时他们是非常失望的，可是从现在我们知道的结果来讲呢，他们赶上了最好的机会。困难越厉害，机会就越大。那么

27、今天我们有没有这种困难呢？当然也有，比如说 dark matter （暗物质）就是非常困扰人类的一件事情。今天跟那个时候不一样的地方是很难做实验，不是你花上几万美金，几十万美金就可以做一个新的光谱方面的实验。而在20 年代德国所以能够发展出来量子力学，主要原因就是因为德国当时的光谱学非常先进。他们做了一些新的实验，这些新的实验在今天看来都只是几千块美金的实验， 是非常容易做的， 一个教授带一个研究生就可以做。而今天需要的实验，比如刚才讲的 dark matter ，不是一两个人甚至不是一个国家所能够做的。因此相比之下，今天能够取得突破性发展的可能性非常小。你问我这种突 破可能会在什么地方出现，

28、 我觉得以后二三十年物理学领域中最可能取得重要贡献的地方应该是应用方向， 我很难相信有基础原理性被发现出来。而应用的方向现在多得不得了，比如最近这七八年来最热的科目是bec （玻色一爱因斯坦凝聚），bec里头发生的变化非常之多， 它对于激光的研究有重大的推进作用。因此我想在这种领域出现突破的可能性是比较大的。问：对于物理系的学生尤其是学理论物理的学生首先应该具备数学的思维还是数学的技巧？ 答：这个问题是这样的，数学的技巧和数学的思维是分不开的。如果一个学生想要做一位好的理论物理学家， 学习很多数学知识是很自然的。 比如今天物理学领域中很重要的一个问题是群论， 所以我知道很多搞理论物理的研究生去

29、学群论方面的知识。读了很多群论之后，你就很容易被数学的思维所吸引，因为群论里边有些想法确实是妙不可言的。 可是如果你的愿望是做理论物理学家， 那么你读很多的数学有一个危险， 那就是你会渐渐地把你的价值观转移到数学的价值观上去。 转移到数学的价值观是有缺点的， 这一点从几十年来的数学物理方面的文献就可以看出来。有许多人因为他们太喜爱数学的价值观，就有不能够充分注意物理学价值观的倾向。所以这是一个问题。当然如果你被数学的价值观吸引，能在数学方面做出重要贡献也是很好的， 不过这就和你原来希望在理论物理方面有所作为的想法有了不同。问：我是一名大二的学生，现在非常困惑的是像我们这样做基础科学研究的人究竟

30、怎样才能巩固自己的兴趣，坚定我们的志向呢？答：我想这个大二的同学很显然是非常努力的。一般来说，中国的大学生和同年级的美国大学生相比，可以说努力得多了。而且自己觉得受父母的压力、学校的压力和社会的压力比一般的美国学生要多。 所以我对于这位大二学生的回答就是： maybeyoushould relax ，太紧张了对你不见得是好事。我在芝加哥上学的时候我的导师是泰勒( teller )。刚去的时候我和他做过几个月的研究工作，他有五六个研究生，我们每个礼拜一块出去吃一顿午饭， 他就跟每个研究生谈一谈， 问我们每个人的研究做得怎么样。很快我就发现他常问的一句话是are you having fun ？这种观念在中国的教育体制之下是没有的，中国讲究“苦学”。我觉得在这方面宜于吸取他的一些经验。他的另外一个特点就是他的想法非常多，并且愿意跟任何人讨论。路上碰到你他就会抓住你跟你讲，某一个分子的对称，大家讲得都不对，于是