基础研究促成了20世纪的人类文明

大家知道，火的发现和应用开始了人类的文明，火的来源是太阳，太阳能的来源是核能，太阳本身就是很大很大的氢核的反应堆。1942年12月2日，费米带领的科学家团队第一次产生人类可以控制的核能。此前人类所有的能源都是直接或间接来源于太阳能，这是第一次人类不通过太阳取得能源。这是有历史意义的事件。我相信这种核反应堆现在和将来对人类的影响足以与火对人类的影响相媲美。今年为了纪念费米诞辰100周年，美国发行了纪念邮票。爱因斯坦和费米是20世纪杰出的科学家，可是对20世纪科学的贡献除了他们之外，还有很多人。今天我想和各位谈一下20世纪的物理学再由此谈到对人才的培养。

19世纪末和20世纪初物理学有两个大的进展，一个是在19世纪的1887年，美国的两个实验物理学家迈克耳孙和莫里（Michelson-Morley）完成了一个著名的实验，证明光顺着地球走和背着地球走的速度完全一样，无论哪个方向速度都一样。这一实验很多人并不觉得会与我们的生活有什么关系。1900年德国理论物理学家普朗克建立了普朗克方程式，这个方程式试图阐明物体受热发光后，光的颜色、波长与能量分布等的关系。这种关系在经典物理学中是不能解的，但普朗克“跳”了一下，大胆地提出了一个假设，这个假设就是普朗克方程式。一般人很难想象得到，接下来整个20世纪的人类生活就因为迈克耳孙-莫里的实验和普朗克方程式而完全改变。请看：

1905年爱因斯坦就产生了狭义相对论；因为普朗克方程式的量子论，到1925年海森伯、薛定谔、狄位克、费米等就创建了量子力学。再从狭义相对论、量子力学就产生了原子结构、分子物理、核能、激光、半导体、超导体、超级计算机等几乎所有我们现在所知的绝大多数的20世纪的科技文明，这一切就是从狭义相对论、量子力学，从研究光和地球旋转的关系，从求物体受热发光能量的分布而得来的。没有狭义相对论，没有量子力学，就不可能有20世纪的科技文明。

19世纪的人们很难想象我们今天的激光、半导体、超导体，超级计算机…...可是20世纪没有上述的基础研究成果也就没有这些科技成就，这就是今天我要给大家讨论的。为什么这些看起来似乎与我们的生活无关的东西会发生这样大的影响？这些发展1950年就全有了，到今天我们的生活已经很难离开这些科技的工具。我曾经说过，基础研究、应用研究和市场开发的关系就像水、鱼和鱼市场的关系。没有水，就没有鱼，也就没有鱼市场。同样的，没有今日的基础研究，就没有明日的应用研究，也就没有将来的应用开发。这个规律是不会变的。当今时代，我们不仅是要创新，而且要能产生划时代的基础研究成果，但如何能真正创新？这就牵涉到第二个问题：人才。

一代一代新的挑战，造就一代一代新人才，科学成就出于青年一代——

一代新人才，一片新科技

刚才讲到爱因斯坦和费米，他们两位是大师。实际上一批人都是有贡献的。让我们看他们在什么年纪什么时代做了什么事情：

1905年，爱因斯坦创立了狭义相对论，那年他只有25岁；

1912年，玻尔从普朗克的量子解释发展成量子论，时年27岁；

1925~1926年，为量子力学和量子统计学的发展作出贡献的有薛定谔，37岁；海森伯，24岁；费米，25岁；泡利，25岁；

1927年，狄拉克完成了相对论性量子力学，27岁；

1935年，汤川秀树创立了介子理论，建立了核力基础理论，28岁；

1942年，费米建成第一个核反应堆，41岁。

二次大战后，新一代年轻科学家向量子电动力学发起挑战，这一任务也是由年轻的一代人承担的：

1945~1947年，朝永振一郎（39岁）；薛文格（29岁）；费曼（29岁），完成了电动力学的理论基础。

20世纪50~60年代，从宇宙线和高能加速器发现了很多新的粒子。阐明它们间的作用和规律是又一场新的挑战，由此产生了又一批新一代的青年科学家，其中：

1956年，李政道（29岁）和杨振宇（34岁）提出了宇称不守恒理论；

1957年，吴健雄（44岁）完成了宇称不守恒的实验；

1964年，盖尔曼（35岁）建立了夸克理论；

1961年，格拉肖（29岁）；1967年，温伯格（34岁），完成了统一电磁作用和弱作用。

1972~1973年，特豪夫特（26岁）和泡利策（28岁）建立了量子色动力学，如此就完成了强作用的基础理论，强作用和弱（磁）作用这两大作用再加上爱因斯坦的广义相对论，就构成了我们今天所有对宇宙的基本认识。

不仅在物理学上，而且在生物学上最重要的发展，也是年轻一代科学家完成的。其中最重要的是1955年，克里克（39岁）和沃森（27岁）发现了DNA的双螺旋结构。

可以这样说，科学成就出于青年，一代新人才，一片新科技，这是不会改变的。一代一代新的挑战，出来一代一代新的人才。这些领域是相当激烈的。但是我们说青年是出人才的必要条件，但这并不意味着青年人必定就会成为人才，这里面是有一个过程的。我们不光是要研究必要条件，而且要研究充分条件。当然充分条件很多，但我们应该了解哪些条件是必需的。以下我归纳了科学上要有所建树的几个必要条件，具体说来就是怎么培养人才；怎么认识方向；怎么制造环境；怎么抓紧时间。

培养创新的科学人才，离不开良师的指导和密切的师生共同的研究过程——

我和费米老师的故事

培养人才不能只依靠课堂教育和高科技教育工具。我们现在这个时代是信息时代，但不要以为买来很多的计算机，联上因特网就可以解决问题了。因特网之类的高科技工具确实可以很快地转达“信息”但“信息”不是简单的“理解”，这一点很容易误解。许多人都以为只要有了高科技工具，信息就都有了，一点就出来了，这实际上是误导。因为理解是要有一个过程的，这个过程就是怎样培养。而要培养能创新的科学人才，必须要有良师的指导和一段密切的师生共同研究过程，这个过程决计少不了。基础研究中很重要的是研究方法，这必须是老师一对一的带着学生一块儿做研究，以身作则。不能就买个机器，也不能只看屏幕，那没用！而只能是人与人，一天两天，一周两周，一年两年累积起来的。这一点非常非常重要。高科技工具是需要的，课堂教育也是需要的，但是这不能代替理解和真正的培养。下面我就结合自己的经历，谈一点我自己是如何在老师的带领下走上研究之路的。

图为1957年12月10日李政道接受瑞典国王颁发的诺贝尔奖

记得在40年代我做研究生的时候，那时我念的是理论物理。我的导师费米是理论和实验多方面的大师，他那时正在研究电子和中子的作用。他每星期要花半整天和我在——起单独——对一这样的讨论。在讨论时他第一步的训练方法就是让学生对所有的物理问题都要独立思考，提出看法。那时我正在研究粒子物理。费米在每半天的讨论中问我问题，让我讲。有一天他就问我，太阳中间的温度是多少？我说大概是1000万度绝对温度。他问我怎么知道的。我说是看文献的。他问我自己有没有算过。我说没有，这个计算比较复杂，文献上都是这个数字，我也觉得很合理。他说这不行，你一定要自己思考和估算过，如果没有通过自己的思考和估算，你不能接受别人的东西。

估算太阳温度需要专门的工具，于是费米就帮我做了一把特制的很大的计算尺，我们花了两天时间（主要是费米的功劳）制作了这把计算尺。有了这把尺一拉就能很方便地计算出太阳中心的温度差不多是1000万度。这把尺可能是世界_上唯一的专门用来估算太阳温度的大计算尺。而要知道当时费米正在做的电子和中子的实验和这个一点关系都没有，我自己也不是研究这个的。但为要让我理解不能盲目接受别人的结论，必须要自己亲自实践得出结论，而且你必须想新的方法来做到这一点，费米自己是以身作则的，他帮我做了这样一把唯一的大计算尺，这当然也是增加了研究的兴趣。费米老师给我树立了以身作则、想尽办法、脚踏实地、克服困难的榜样，启发了我对研究和解决问题的兴趣。这使我一生受益非常深。后来我带学生也是这样，也是每周花半整天时间和他们一起讨论。由此看来，好的导师和一段密切的师生共同的研究过程对培养创新的科技人才是省不了的，也是无法用Internet、Web等来取代的。还是需要学徒和师傅那种关系，必须要一年两年长期的密切合作。我们可以看到，20世纪科学大师辈出的那些研究机构，无论是丹麦的玻尔研究所，还是普林斯顿大学或芝加哥大学，都是一对一这样训练出的，这差不多已经成为创新人才培养的一种规律。

当然这还只是培养人才的一个方面，除此以外，还需要认识方向、制造环境，紧抓时间和机遇，这需要上一代科学家和政府政策的支持。

无论21世纪科技进展到何种程度，但它一定和20世纪的基础研究有很大关联——

从过去展望将来

我们整个自然界林林总总很复杂的现象实际上是，由一些很基本的原理操纵的，我们的工作就是要找到控制这些原理的总机关，总机关找到了，其他问题就迎刃而解了。

20世纪物理学的发展基本上是循着简化归纳的道路。找到最基本的粒子，就会了解大物质体的构造。从19世纪末汤姆孙发现电子、卢瑟福发现核子，一直到现在人类有了精密的实验设备和精密的理论——相对论、量子力学，创造了整个20世纪的物理学。物理学的这一套思路在20世纪中叶就影响了生物学，克里克是英国的物理学家，他就想到物理学的这一套方法可以用于研究生物，后来就发现了DNA，再后来又发展到基因，也是按照简化的规律走的。

20世纪科学的一个极大的贡献，就是知道了一切我们所知道的物质都是由12种基本粒子构成，即6种夸克一上、下、奇、粲、顶、底；6种轻子——电子、μ介子、τ介子、电子中微子、μ中微子、τ中微子。所有的电作用、磁作用、弱作用、强作用归纳为三大基本作用：强作用是说明核子是怎样作用，夸克是怎样连接起来的；另外两个是电弱作用和引力场作用。

这些归纳当然都很成功，但是现在不是陶醉于怎样成功，而是要问现在我们面临哪些大的问题。我认为21世纪科学上有4个大问题：为什么三大作用的理论都是对称的，但实验结果却是不对称的，对称与不对称有什么关系？所有的基本粒子（夸克）12种，一半看得见，为什么单独却都看不见；为什么全宇宙中90%以上的不是我们看到的物质，而是暗物质，这种暗物质到底为何物？

现在至少知道有100万个类星体，每个类星体的能量是太阳能量的10¹⁵~10¹⁶，远远超过太阳的能量，这种拥有巨大的能量的类星体是从哪里来的？这些就是21世纪我们要解决的大问题。这里我只能告诉各位暗物质、类星体的证明在哪里，解现在还不知道，但我们有一个可能解的方法。这里我们给出一个大概的思路：理论对称实验不对称与宇宙开始大爆炸时对称有密切关系；基本粒子一半看不见的道理在于真空的作用，了解暗物质也要从了解宇宙大爆炸的情形人手，要制造和宇宙大爆炸相似的环境，然后跟踪进去寻找。

21世纪科技的具体怎样发展我们现在不知道，但它一定和20世纪的科技发展有很大的关联。科学研究一定要有预见性。这有点像大海中的浪头，一浪接着一浪永不停息，在浪的最高点以后就要往下，你不能在看到别人处于（浪头）最高处时跑过去，等你跑到那里，人家又去追赶另一个浪头了。

（以上文字根据著名物理学家、诺贝尔奖获得者李政道教授2001年10月7日在北京人民大会堂所作的大型学术报告——“物理的挑战”的录音节要整理。整理人：江世亮）