2004年6月10日联合国全体会议作出决议,将2005年定为“世界物理年”。决议指出:物理学是认识自然界的基础,物理学是当今众多技术发展的基石,物理教育为培养人的发展提供了必要的科学基础;并指出爱因斯坦在1905年的几项重要发现奠定了现代物理学的基础。它高度评价物理学在认识世界和改造世界,以及提高人的科学素质等方面的基础作用。我理解,这是指近400年来走到较正确的认识自然和改造自然道路上的,并以相对真理形式体现绝对真理而不断发展的物理学。

物理学是关于物质性质和能量转换的系统知识。为了不断获取这种知识,人们不断创造实现各种特殊条件的设备和测量各种变量的仪器,进行适当的安排组织,以扩大人们观察实验的范围。物质世界虽然浪漫,千变万化;但却十分真诚:“在同样条件下必然出现同样现象”。所谓“同样”系指某些主要因素而言,忽略了关系不大的其他因素的不同。正确地区分出哪些为主要因素,是使知识得以系统化的前提;因为只有抓住那些主要因素,才能对条件和现象进行描述;更严格地讲是一种近似的描述。如对象简单,条件容易重复,主要因素就容易被识别。识别的正确与否,可以用重复的观察实验来判断。这样,这部分知识便容易系统化,发展成为较成熟的科学,像物理学这样。

物理学还是严格定量的科学,所谓exact science在定量控制的条件下,对发生的现象进行观察实验,积累数据,经过分析、比较,可以总结出经验规律或定律。定律的真理性即在于实践检验时其依律实现的可靠程度;一般讲,可靠的、经实践检验过的规律,才称为定律。定律总结概括的范围,便是定律适用的范围。在应用定律作推论时,用到概括范围的内插值时,推论同样可靠;但用到概括范围的外推值时,推论的误差可能增大,外推远了一般需要修改定律。根本的修改办法是,再从更大范围的实验数据,总结出适用范围更大的规律或定律。所以,就物理知识的获得而言,实验是开垦者。开垦后进行治理,形成定律,进而各方面结合成为统一的自然世界观,成为理论。

从不同方面总结出来的定律,在物质的统一中要联合使用,这就要求不同定律间彼此相容而不产生矛盾。理论分析有助于发现矛盾。有时还对原来的定律用到外推值时如何修改有所启示;如牛顿力学用到高速度时怎样修改为相对论力学。有时只暴露矛盾,如根据经典力学和电磁学,原子中电子很快应该掉到原子核上。但是经典力学如何修改成量子力学,则是从黑体辐射、光电效应、原子光谱等多方面的实验,特别是从光谱实验总结出来的经验规律,即Ritz组合规则得到启示。也有另种情况,理论分析暴露了矛盾,但需要结合使用两方面的定律的实际情况一时难以实现,则解决矛盾尚需等待未来的实践。

图为彭桓武发言

理论是知识系统化的更高阶段。在已被开垦治理的领域内,进行新的组合应用时,理论可以指导实验,可以在计算机上求工程的最佳设计。但实验或工程的实现,则决定于材料生产和加工工艺技术等,决定于能否创造实际实现时所需要的各种条件。新领域的开垦,虽然有时也可以从旧领域中提出要求而得到扩充,但更重要的是由人们认识能力的工具(包括实验方法和计算方法)的新发展所推进。

通过开垦、治理、积累起来的能具体实现各种条件的本领,包括知识经验和材料设备等,标志着我们所掌握的科学技术水平,它在继承和交流中创新和发展。其前进的速度,除诸多社会客观因素外,还依赖于所走的认识和改造自然的道路的正确程度。说到底,科学技术是通过实现条件而使现象出现,以资利用。现象在一定条件下必然出现这点,既可用来参加组合,以创造新条件去研究或发现新现象,也可应用来造福人类而别犯造祸人类的错误。所以我们可以形象地说:基础研究和开发应用研究是一根藤上的两个瓜。

世界物理年的头面人物爱因斯坦是伟大的理论物理学家。下面允许我更仔细地谈谈理论物理。

如上所述,随着人们通过多次观察和实验等科学实践,对物质世界中在一定条件下一定现象之出现,获得大量可靠的感性知识,得到数据和经验规律。然后经过反复综合整理改造,形成概念,并用判断和推理的方法,去伪存真、去粗取精、由此及彼、由表及里,给以合乎逻辑的描述或解释,这样达到某种理性认识。如能以此为据对新现象有所预见且为而后的科学实验所证实,则表明这理性认识正确可靠。对越来越多方面的物质现象得到越来越普遍的正确可靠的理性认识,便构成发展着的理论物理。它现在包括经典力学、热力学、统计物理、电磁学、狭义相对论、量子力学等。

理论物理的发源可从伽利略和牛顿对地面上物体的坠落和天空中行星之绕日等现象的统一解释算起。这奠定了经典力学,而从此动力学观点广泛流行。这种观点和方法,结合对气体的物理和化学实验的多个经验规律,产生并逐渐澄清分子和原子的概念,并结合热现象的物理研究,阐明了热的分子运动本质;又结合电磁现象多方面观察和大量实验所总结的一系列经验规律,特别是法拉第的有关磁力线和电力线的形象思维,帮助麦克斯韦形成电磁场的概念和其动力学理论。他不仅利用运动把电现象与磁现象联结起来,并且从理论上预见到电磁波即电磁振动现象。这预见为而后的实验证实,并为无线电通讯奠定基础。光的各种现象也都归结为波长短的电磁波现象。

法拉第电解定律表明,分子、原子内部有带有一定的基本电荷的电子。有鉴于此,洛伦兹对物质中的电磁现象提出了电子论。他引入带有电子运动的分子和微观电磁场的概念,后者的局部多分子的统计平均即是麦克斯韦的宏观电磁场;这样解释了物质对光的折射率随光的波长变化的色散现象。但对电子和其运动规律的较清楚认识,则尚待更多的近代物理实验和与其伴随的20世纪才发现的相对论和量子论。在这两个理论中,对时间和空间、粒子和波,概念上与以前有所深入,有些人称之为革命。但这与现代科学史前的革命,即推翻错误旧概念、建立正确新概念大不相同。它实际是认识上升到了更深的一个层次,原来认为割裂的时间和空间却是统一的时空,原来认为对立的粒子和波却是统一量子。而回过头来看,原来的认识在原来所概括的范围内仍是正确可靠的。

今后随着认识范围的扩大和认识能力的提高,统一更广,近似更精,类似地还会出现某些概念的变革和规律的发展——如某些人所称的“物理学中即将来临的革命”。

周培源先生谈论物理学中理论的发展时,特别指出新理论与旧理论的如下关系:新理论不但要说明旧理论已经说明的现象,还要说明旧理论不能说明的现象,而且还要预言现在还没有观察到的现象,我想也是根据如上的判断。

我认为理论物理是有用的。作为工程设计原理的早已成熟的那些部分虽已分属各门工科,不是当今理论物理的主流,但对其发展仍应关怀。在开展理论、实验与工程技术相结合的工作时,理论工作先行一步可以减少实验和工程的工作量。

我还认为理论物理方法是有生命力的,可尝试扩大其应用面。很难确切地描述的理论物理方法,如下两点必不可少:联系实际获得启发和验证,反复辨证达到系统化的统一(毛主席的两篇文章,“实践论”和“矛盾论”中有关感性认识和理性认识以及相对真理和绝对真理的论述)。爱因斯坦的两段话,对我们摸索正确的理论物理方法是很有帮助的。“纯粹的逻辑思维不能给我们关于经验世界的任何知识;一切关于实在的知识,都是从经验开始,又终结于经验。”

“我们现在特别清楚地领会到,那些相信理论是从经验中归纳出来的理论家是多么错误呀。甚至伟大的牛顿也不能摆脱这种错误(我不作假设)。”

虽然由于某些原因,或者纯属偶然,几百年前物理学特别是理论物理的发祥地不在中国而在欧洲。但我想借陶渊明的“归去来辞”中的两句话“悟已往之不谏,知来者之可追”表示一个祝愿:祝愿物理学和理论物理能在中国得到很好的发展,并能在联合国决议所指出的三方面充分发挥它们的基础作用!