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从物理学前沿看二十一世纪自然科学走向

已有 11357 次阅读 2011-12-20 11:09 |个人分类:物理学|系统分类:论文交流|关键词:class,pp,自然科学,华文楷体,center| class, center, 华文楷体, 自然科学

从物理学前沿看二十一世纪自然科学走向

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引言:在所有的自然科学领域中,物理学所研究的对象是最广阔的,从基础到应用,从理论到计算[1]、实验、观测[2],从阿米级[3]的极限微观尺度到几十亿光年的极限宇观尺度,从以大爆炸为标志的宇宙诞生之初到宇宙如何终结,,从量子力学到广义相对论,从粒子物理学到宇宙物理学[4],从单粒子体系到多粒子复杂体系,从纯物理学到数学物理、生物物理学、物理化学、天体物理学[5]、地质物理学、工程物理学、物理电子学[6]、环境物理学、大气科学、非线性科学[7]、系统科学[8],物理学几乎包容任意大小的空间尺度和时间尺度,几乎与所有基本科学方法和科学思想联系紧密,几乎可以和其它任何自然科学甚至和某些社会科学建立联系。

因此,以物理学为视角,纵览大自然科学体系的宏观全局,预测和把握二十一世纪自然科学的走向,是合理的。

一、        物理学的的各个领域和物理学的特点

1. 物理学分为经典物理学与非经典物理学两大体系

从时间上来讲,我们可以粗略地把十九世纪之前的物理学看作经典物理学,十九世纪末之后的物理学看作非经典物理学。经典物理学体系中的杰出科学家代表是牛顿和麦克斯韦,主要发展在16世纪到19世纪,开启者是伽利略。非经典物理学的杰出科学家代表是爱因斯坦,主要发展时期为十九世纪末至今。开启着是普朗克。实际上,经典物理学与非经典物理学的差异绝对不只是时间上的先后,而涉及到了方方面面。

我们不妨用列表的形式比较二者的差异:

 

经典物理学

非经典物理学

核心特征

确定性

不确定性

主要理论

牛顿力学、分析力学、经典热力学、经典电动力学

量子力学、量子场论、狭义相对论、广义相对论、QED[9]QCD[10]、标准理论等

时空连续性

连续

离散

时空特性

绝对时空

相对时空

时空相关性

不相关

相关

使用范围

宏观尺度、低速物体

任何尺度、任何速度

物理量的连续性

大多都是连续的

大多被可以量子化

思想特征

决定论、还原论

系统化思想、混沌、不确定性

 

2. 物理学的特点

(1)      理论物理学对于数学的依赖十分强烈

自伽利略开启近代物理依赖,物理学的发展几乎和数学的发展是相随的。每一个重大的物理学进展必然伴随着重大的数学进展。绝大多数在物理学领域取得重大成就的物理学家都有十分深厚的数学功底,甚至有些本身就是数学家,并在数学领域取得突出成就,如牛顿、莱布尼茨、欧拉、哈密顿、拉格朗日、麦克斯韦、狄拉克等杰出物理学家。

数学和物理学相辅相成,相互促进。

(2)      物理学是一门历史悠久的学科,但他的主要发展时期在近五百年

物理学的诞生要追溯到公元前的希腊文明时代,亚里士多德最先创立了物理学。亚里士多德的开创性成就对于物理学的发展起到了深远的影响,例如,亚里士多德最先提出“力”的概念,力的概念的提出对于牛顿力学的创立是很关键的。

物理学真正的发展是从16世纪开始的,而开启近代物理学的先驱者正是伽利略,在物理学沉睡了一千多年之后,伽利略成为最早关注一些重要物理学问题的人物之一,并且在静力学、动力学、几何力学等方面做出了开创性的工作。在牛顿时代,物理学的发展当然已经走上高速公路,牛顿时代涌现了一大批出色的物理学家,他们对于牛顿力学理论的最终建立起到了关键的作用。

在牛顿时代,万有引力定律的提出和科学家们关于光的本质的讨论都是十分重要的成果。

随着微积分的创立和微积分方法思想的成熟,物理学的发展在定量计算的路上走得愈来愈兴盛。17世纪、18世纪诞生一个重要的理论——分析力学。热力学的从开始发展到成熟主要经历了18世纪和19世纪。经典电动力学的发展和成熟跨越了171819三个世纪。

催生非经典物理学的动力来自19世纪后期的所谓的“两朵乌云”——黑体辐射问题和以太漂移问题。1905年爱因斯坦提出是狭义相对论以及之后提出的广义相对论、20世纪二三十年代发展成熟的量子力学,是足以让世界震撼的事件。特别是量子力学,可以这样说,20世纪后半世纪的所有重大科学和技术成就都脱离不了量子力学。之后,物理学的发展开始分方向蔓延,一个走向是微观,试图寻找量子力学、狭义相对论共同的基础,另一个走向是宏观,以量子力学为基础去寻找更大的体系、更大尺度上的规律。至今,物理学在这两个方向上都走得相当深入了。

(3)      物理学是科学思想和科学方法的集中营

亚里士多德的许多理论都是基于他的日常经验和哲学思辨。在亚里士多德之后的又一位伟大物理学家阿基米德第一次将实验方法用到物理学当中。

除了经验方法、实验方法之外,物理学中还有许多重要的思想方法,例如理想模型思想、决定论思想、近似与简化思想、从简单到复杂的思想、从单粒子到多粒子体系的思想、归纳与综合方法、类比思想、逻辑演绎方法、定量方法、微分模型思想。这些思想方法有些是借用其它学科的,有的是物理学家在研究过程中创立的,并被其它学科所借用。

物理学中的思想方法十分灵活十分丰富,所以,如果领会了物理学中的各种思想方法的精髓之后从事其它学科的研究是十分有优势的,这其中甚至包括经济学。

(4)      物理学是一门成熟的学科

    不得不承认,这门有二千多年历史的学科已经是一门十分成熟的学科。这一点不仅体现在物理学的发展历史上,还体现在它的思想方法上和它的理论体系上。

(5)      物理学是一门基础学科

    物理学从诞生之初就与应用离得比较远,因为它的创立者是一位哲学家。尽管近代物理学的发展中,许多物理学实验所取得的成就能够很快拿来实现技术发明,但物理学的主线始终还是离应用比较远的,而且一旦物理学的某个领域开始全面走向应用时,它就会很自然地从物理学中脱离出去而成为一门新学科。

(6)      物理学与世界观

物理学诞生之初的灵感虽然源于哲学,但他的发展对于哲学的发展的影响是十分深远的。哲学中的许多概念的灵感都来自物理学。哲学中许多基本定律都和物理学的重要定律是直接相关的。例如,哲学中的“运动”、“静止”,哲学中“可知论”、决定论与牛顿机械论世界观。

物理学与哲学的联系紧密是容易理解的,因为物理学是直接面向自然界的最有说服力、包含面最广的学科,物理学的基本理论和基本原理直接阐释了人们对于自然界的理解和认识,甚至可以这样说,物理学本身就是世界观的重要组成部分。

二、        当今物理学的发展情况

1. 物理学的三大前沿

下图很形象地表示了物理学的三大前沿及其关系:

    物理学的三大前沿中,粒子物理和宇宙物理、天体物理有合并的趋势。总的来说,其实当前只有宇宙物理、粒子物理和系统科学才能算作纯物理[11],其它的正在发展的物理学二级学科都朝着应用的方向发展了,更有点接近技术科学了。

2. 物理学内部各个学科的发展已趋于饱和

可以看出,当前物理学的发展走向边缘化,要么是向超大尺度发展或极小尺度发展,要么脱离物理学主区向其它学科蔓延,究其原因,主要是物理学内部的发展已经相当成熟,或者说已经研究得相当透彻。

3. 物理学发展的困境

由于物理学的发展走向边缘化,物理学所面向的对象越来越复杂、越来越极端,所以取得进展的难度非常大。比如说,向极小尺度发展,必然需要放大倍数和分辨率都很高的显微镜或者其它探测设备,超大尺度上也是这样的,视距十分遥远的望远镜或其它观测设备,而这些勇于极端情形的设备的制造都有十分巨大的技术难题,而且往往要耗费巨资。另一方面,物理学正在走向与其它学科的方向,这就意味着物理学就面向越来越庞大越来越复杂的体系,而对于这些体系的研究,传统的数学方法特别是解析方法已经不再使用,而需要新的数学工具。计算机的发展使得数值计算方法在物理学中的应用十分广发, 但它的局限性也是很明显的,因为复杂体系所需的计算量是十分巨大的,而当前世界上的计算机的运算速度普遍不能满足要求,离我们期待的水平还很远。

4. 物理学与其它学科的交叉和融合

物理学与多个学科交叉,形成了各种交叉学科。其实,物理学与其它学科的交叉从二十世纪初就已经开始了,最先与物理学交叉的算是化学,形成的交叉学科叫物理化学。物理学与其它学科的交叉是很自然的,一方面由于物理学的研究对象十分广阔,很容易与其它学科的研究对象有重叠的地方,另一方面,物理学中有丰富的思想方法,能够很好地被借用或移用。

三、        从物理学看二十一世纪自然科学的发展趋势

实际上,当我们看到物理学的发展现状时,我们也应该想到,其它自然学科的发展和物理学的发展状况是类似的。特别是传统学科,他们的发展趋势有许多相同点。

1. 学科交叉和融合的趋势

这是一个不争的事实,当前,学科的交叉与融合,不仅仅体现在自然科学内部,还体现在科学与技术之间的交叉和融合,社会科学与自然科学的融合,文学艺术与社会科学、自然科学、技术之间的融合,学科交叉和融合的目的不仅仅是为了更好地促进相关学科的发展,而是为了适用于更具体的应用对象,比如说视觉艺术与计算机多媒体技术的融合,其目的是为了产生更具感染力和人性化的视觉数码产品或软件产品。学科交叉和融合产生一个重要的结果和指导意义是,人才的培养不能再走严格专业化道路,而是配用多学科背景和全面发展。学科交叉融合趋势产生另外一个现象是,学科的设定更以应用对象为基准。

2. 基础与应用的分水岭将越来越宽

我们在前面已经看到,物理学的三大前沿中,开始出现割裂的趋势。其实,不仅仅物理学如此,其它许多学科都是这样的,比如数学,从数学中分离出来的运筹学和控制论是直接面向应用的,而基础数学的发展已经远远地远离了应用,在某种意义上来说成了“数学家的娱乐”。

3. 传统理论方法的困境与新方法的诞生和兴盛

传统的理论建模方法主要是指以微积分为基础的解析代数方法,但这种方法已经被广泛地证明对于某些体系软弱无力,比如说非线性体系、剧变问题、断裂体系、不确定问题、大多数复杂体系、多粒子体系、量子体系、混沌体系,正如前面所说,这些问题让物理学遇到了理论困难,同时也让其它学科遇到了理论苦难;而二十世纪后半期所产生的新的分析方法和数学工具是新科学的增长点,对于物理学如此,对于其它学科也是一样,比如相图方法、分形方法、生物模拟方法、人工智能方法、模糊逻辑方法等等。

容易相信,二十一世纪的自然科学的发展将会伴随者许多新方法的发明和创造性的应用。

4. 对计算方法的期待

当前的数值计算方法,对于一个数目大于50的多粒子体系,都无法通过计算机进行有效地模拟[12],这说明计算机的运算速度还远远不能满足模拟宏观体系的要求。但是,数值计算方法仍然被科学家们期待着。也许,随着计算机运算速度的提高和算法技术的发展,计算方法将成为科学发展的重要的推动力。

5. 实验方法的新突破依赖于技术的发展和资金的投入

正如前面所说,当前物理学发展的另外一个困难是实验困难,换句话说,就是技术困难。对于极端情形(比如超大尺度、极小尺度、极端高能、极端低温)的研究,先进的实验设备变得尤为关键,而且科学的发展也必然要求实验仪器或实验设备有越来越高的测量精度,这些都只能依靠大量的资金投入和高新技术的进步来得到。

 

 


[1] 这里指的是数值计算方法,自二十世纪后期数值计算的方法对物理学的发展起了非常重要的作用,而且数值计算方法在物理学中的广泛应用直接催生了一门重要学科——计算物理学。

[2] 观测也是一种特殊的实验手段,观测方法在天文学、粒子物理学、宇宙物理学中尤为重要。

[3] 1阿米=10-18米。

[4] 研究宇宙如何产生、如何演变以及宇观大尺度内的物质及其运动规律的科学。

[5] 天体物理学是运用物理学理论来探究宇宙中天体的各种性质和观测方法以及天体运动、演变规律的学科

[6] 物理电子学是寻找制造信息领域中要用到的各种器件和设备所需的具有各种特殊性质的材料并研究其规律和性质的科学。

[7] 非线性科学是探究复杂体系特别是非线性体系的一般规律的科学,其交叉性十分强,研究对象十分广泛。

[8] 要明白系统科学的概念,先要明白系统的概念,在物理学中系统是一个非常重要的概念,它是指具有某种特殊环境和内部结构的物质体系,系统科学研究的正是各种系统的一般规律,其交叉性十分强,研究对象十分广泛。

[9] 即量子电动力学

[10] 即量子色动力学

[11] 天体物理虽然也被拿作物理学的范畴,但它的研究对象限定为天体,所以严格地来说更应该算作天文领域的学科。

[12] 所谓有效的模拟,就是精确地模拟,要考虑量子效应。



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