美哉物理(十八) 造福人类科学美学之真谛(下)

发布时间：06年04月28日

沈葹

现代科技发展是现代物理理论拓展的驱动力

激光技术亦被公认为20世纪最重大的技术成就之一。激光机理、即受激发射原理便是爱因斯坦在其量子辐射理论里所作出的科学预言。激光是相干光，其亮度、单色性、方向性都比普通光强得多，故而在精密加工、医疗手术等方面得到广泛应用；人们称它为“神光”“、利器”。尤其是，以激光充作“神奇的信息载体”，从而形成光通信的重要技术领域；因光通信具有信息容量大、通信质量高、保密性能好、能量损耗低等优点，以致很快就与电子通信并驾齐驱，甚至可能会成为首选的通信方式。所谓“信息高速公路”的建成，便当归功于激光载体以及光纤网络的功劳。另外，高功率激光器用作惯性约束驱动装置，可望最终实现可控热核聚变。再者，用于冷却原子，则导致原子系统在极低温实现爱因斯坦-玻色凝聚；这不失为“神光”的又一神奇应用。

激光物理因激光技术兴起而诞生，再因其发展而臻于完善。传统的光学立足于麦克斯韦电磁场理论；由于激光是高强度的相干光，其运动规律就越出了麦氏理论的线性框架，所以激光物理实为非线性光学。至于光子学所研讨的，也是以激光为重要角色的光学理论，此乃用量子理论改造传统光学的产物；然而其许多内容是在激光技术十分发达以后才扩充了的。同样，光通信技术亦使较系统的光通信理论应运而生。此外，激光用于核聚变、原子冷却乃至原子凝聚等研究项目，便使等离子体物理扩展、并使量子统计理论大为充实。如此等等，显其然：激光技术、光通信技术的发展是光学和电磁场理论等拓展的驱动力；并且，所拓展的学科领域展现了现代物理理论非线性化的趋势和概貌。

能产生超短超强激光的“神光Ⅱ装置”

中国首栋零能耗的“生态楼”

非线性化是当今物理理论拓展的主要方向，计算机技术的高度发展使这一拓展成为可能；如果新一代计算机变成主角，还可促成更大的拓展。目前经典的电子计算机，其二进制计算是采取0和1二者或此或彼的“经典位”；而未来的量子计算机则采取0和1亦此亦彼的“量子位”。就是说，量子力学不仅影响计算机的“硬件”，而且直接影响其计算原理。计算原理的改变便使经典的信息理论转变为量子信息论。进而言之，技术发展还会促使基础理论的基本观念发生变化。还说这通信技术，它已证认了量子缠结效应。是否存在此效应，乃爱因斯坦与以玻尔为首的哥本哈根学派(“哥派”)当初论争中的一个尖锐问题。想不到，此效应竟成为量子通信技术的重要依据，亦就被作为量子信息论的重要前提。这一实例足以证明，基础理论及其基本观念对技术发展有长远的促进作用；然而，信息科技的迅猛发展却使爱氏-玻尔论争延续至今。当初论争的中心论题之一是，如何看待微观物理实在[参见《美哉物理》(九)、(十七)]。如今有一些理论物理学家认为：量子力学揭示的并非微观物质世界本身，而是关于它的信息；量子信息论并非量子力学的一种应用，而是它的基础；信息是量子力学的基本概念，由以可轻易地解释量子缠结效应、可重新构建时间、空间和物质运动等概念、甚至可调和量子理论与相对论的矛盾。这些学者企图对爱氏和“哥派”双方的观点采取折衷的态度；但笔者觉得，他们的新观点似乎比“哥派”更“哥派”。然而不管如何，他们提出新的观点，则就表明，现代科技发展已触及了基础理论的本质、震憾着人们思想观念结构。

上面就激光技术和量子通信技术与相应理论的关系稍作了论述。其实，现代科技的任何领域都是如此。除上述者外，再择要言之。例如电子计算机技术对于半导体物理以及微电子学；纳米科技对于固体物理以及纳米电子学；加速器偕同粒子探测的技术对于核物理和粒子物理；射电望远镜偕同探索卫星等太空测量的技术对于天体物理和宇宙学等等：前者的发展对于后者的拓展都有驱动作用。事实上，现代物理理论为现代科技提供基础，即前者促发了后者，反过来，后者的发展又驱动了前者，二者是相促互动的。一般说来，科学理论的建立和拓展，是精神文明昌盛的标志之一，但又凭藉于技术发展，以其为依托；技术文明则保证了生产力不断解放、物质文明日趋繁荣。因此“，科学技术是第一生产力”，科技事业是人类文明建设的支柱；而今，现代物理理论或可称作这支柱的根基。

造福人类科学美学之真谛

前面已提及，技术美发韧于科学美。但机巧奇异的技术之美毕竟有其自身的特色。其一，讲究实用；其二，崇尚创新；其三，追求最大经济效益；其四，技术工艺往往精致而复杂。当然，最为重要的是，技术创新之目的在于为人类大众谋福利；若忽视这一条就谈不上美，即前文所说的技术应用的美当以“为善”作前提。或可言之：认识自然，则创建科学；改造自然，靠的是技术创新。认识自然为的是改造自然，使自然为人类所利用，技术是改造自然的手段。

因此，科学与技术密切相关：科学离开了技术应用，其价值就不完全，还会停滞不前；技术离开了科学指导，就流于盲目，并终将失去价值。科学本身蕴有巨大的物质力量，终由技术开发才释放之。但科学理论常常会走在科学实践之前，待到开发其技术应用，一般总过了一大段时间。例如爱因斯坦预言受激发射原理(1916年)到第一台红宝石激光器问世(1960年)，相隔四十多年。固体物理学家P · W · 安德森有一巧妙短语——“零乘以无限大”，以晓谕理论创建和相应的技术创新这二者的功效；具体乃指：每项基础理论之研究成果的实用价值为零，但一旦付诸技术应用(即使隔了很长一段时间)、并成就了大规模技术工程，则就会收到无限大的经济效益。半导体理论乃至晶体管-集成电路技术工程是这样；激光理论乃至光通信技术工程亦然；其他卓越理论成果通过相应的技术工程也会导致不可估价的实际功效。“0→∞”的转化凭藉于技术，致使人类受益无穷。从数学得知，0与∞之积可能还是∞；这“0 · ∞”就是理论与技术二者的总效益。当然，理论成果对于物质文明建设的功效其实绝非为零，而是在0→∞的转化过程中长久地发挥出来。那末，科学美乃至技术美的无尽光辉，也就在这过程中永远地照耀人间。

原子能科技可用于战争，其他高科技亦可用于战争；而且科技水准越高的，一旦用来制成杀伤力很强的武器和指挥、控制战争的尖端设备，对人类的危害程度也就越大。这正是爱因斯坦的一种深深忧虑[见本文(上)开头的引述]；显然，唯有制止侵略者运用现代科技手段挑起现代化战争，才无悖于科学大师们发展现代科技、阐发其科学美学蕴含的本意。高科技确是一把双刃利剑，既可造福人类，又可给民众带来极大祸害。这祸害见诸于战争，还可见诸于和平建设的某些后果。

因为人们凭借甚为发达的技术工程改造了自然，这改造既有改善、又有破坏的意思。譬如说，生产和生活中的高能耗使自然资源、尤其是普通能源濒于枯竭；大量工业废气、废料的排放，造成对环境的严重污染。总之，工业化步伐的日益加快，人为地改变了甚至破坏了全球生态环境的方方面面；从长远来看，这不仅对人类的健康生存构成威胁，而且对社会生产本身的持续发展形成重重障碍。

崇尚创新可谓技术美的主要特色，创新本是增添技术美的关键。然而，资源的综合利用和节约使用也是必要的。建设“创新型社会”和建设“节约型社会”理当同时并举，从而达到“可持续发展社会”。以能源而论，既要开发新能源(例如有丰富资源贮藏的氘核聚变)，又要充分利用已有能源(例如扩大使用太阳能)，并在不影响生产发展和生活需要的前提下尽量有节制地耗能。再者，保护全球生态环境尤为重要，它是拓宽种种高科技工程时必须顾及并认真执行的使命，亦是促使社会生产持续发展的战略根本。世界环境与发展委员会前主席布伦兰特夫人曾说过“：从广义上说，可持续发展旨在促进人们相互之间以及人与自然之间的和谐。”有人把工业革命称作“黑色文明”，那末，“可持续发展社会的文明是一种建立在高科技基础之上的‘绿色文明’”。所以在凭藉技术改造自然的同时，必须协调人与自然的关系，使二者和谐相处。和谐引来绿色文明，这是技术美的首要标志。改造自然，应着力于改善并保护自然，由以保证社会生产持续地发展，也就是维护、扩展人类的长远利益；这算得是最大的“善”，亦为现代科技最璀灿的“美”。

所幸者，物理学与其他自然科学，本身就可用来保护自然、保护环境；一门综合性的环境科学已突兀崛起。同时，依靠现代科技的全面发展，人类已在向天空、向海洋进军，以扩大资源、扩大空间。现代物理的理论和方法以及信息技术、材料科技等，还直接用于生物学、医学以及生命科学工程、医疗卫生工程的研究和开发，于是物理学对于人类之健康生存、自身延续和高质量生活的促进作用也就愈来愈加强。

总的说来，物理学因其理论不断拓展而锤炼了科学美学旨意，又因其技术应用乃至社会生产持续发展而使科学美学旨意升华到“至善”意境。由今而溯古，许慎的《说文解字》这样解析“美”字“：美，甘也，从羊从大”，即指美与善同意；古希腊哲学家苏格拉底说得更明了“：美与善是同一的”。至于爱因斯坦，亦直截了当地说过“：照亮我的道路，而且不断地给我新的勇气去愉快地正视生活的理想，是善、美和真”；这正是许多纯真科学家的人生理想，他们把求真、臻美与为善统一起来，而且把为善、把造福人类放在首位。此宗旨可谓科学进展的终极目的，也就是科学美学的精髓的真谛。我们说，美哉物理！美就美在：由人类智慧驾驭的物理学，归根结蒂是确保人类文明、人类幸福得以永远进益之丰硕的真理渊薮。藉此，自然科学和人类社会达到真-善-美的至高境界。