何祚庥

选自《中国科学院院士谈21世纪科学技术》(上海三联书店1995年版)。何祚庥，理论物理学家，中国科学院院士。

在新世纪，世界各国都把增加科技投入作为重要战略。因为经济的发展，社会的进步，综合国力的提高，归根到底要依靠科学技术的发展。为了配合国家有关部门和科研单位制定“九五”及“跨世纪”科技发展规划，1992年底，《中国科学报》开辟了“院士谈21世纪”专栏，邀请部分院士就21世纪科技发展问题撰写文章，发表见解。本文就是其中的一篇。

这篇文章从实际应用和理论发展两个方面，对理论物理学的研究作了简要的介绍。先举我国研制“两弹”的历史，说明理论物理学在国防科技上做出的伟大贡献；再谈量子力学的发展给物理学乃至整个自然科学在思想观念、研究方法上带来的革命，并对21世纪理论物理学的走向作了预测，指出介于宏观物理与微观物理之间的“介观物理”将成为21世纪研究的焦点。作者的这些论述，对我们了解理论物理学这门前沿科学的历史与未来很有帮助。文中涉及的一些科学术语、概念，可参照注释大概了解一下，不必深究。只要能对本文所论述的科学史实和科学观念有所理解，有所感悟，就达到了阅读的目的。

国家自然科学基金委员会自1993年起给理论物理学科增拨100万元“专款”，以支持理论物理学的发展。这是一个有远见的决定，也是一个十分重要、十分正确的决定。

理论物理学的发展对国民经济的发展、对科学技术革命，在历史上曾起过重大作用。我国“两弹”过关的历史经验表明：“两弹”的过关首先要打好“理论仗”，要从理论的角度高瞻远瞩地为科学技术的发展路线问题做出正确的战略决策。理论物理学者的一个重要职责就是结合国家的实际需要，为国家挑选出最具有发展战略的技术开发项目，并为这些项目的决策提供理论依据。

1955年，我国的现代化空军建设正处于草创时期。当时的有识之士指出：中国与其重点发展空防飞机，不如重点发展导弹。导弹有远比飞机速度更高的“马赫数”，不论从攻击或防御的角度，其性能均比飞机优越。当时从世界范围来说，洲际导弹尚未过关，人造卫星尚未上天，以中国如此落后的技术基础，能否迅速掌握这一有待开拓的技术，是一大疑问！然而正如一些理论工作者所指出：飞机的困难不仅有理论上和技术上的困难，还在于有无尖端的材料的困难。飞机的起落和使用的多次性，决定了对材料的选择比较苛刻，其解决尤其依赖于经验的积累，远非短期内所能奏效。而导弹的材料却是一次性的。导弹的困难在于制导。这有赖于聪明的设计。于是，一个重大的战略决策便做出了，我国将优先发展导弹技术。

1955年，我国在发展核武器的技术问题上，又面临一次抉择：是选择钚239②还是铀235③?乍一看来，实现化学分离将比物理分离更容易。然而钚和铀的化学分离有两个问题，一是要处理反应堆中铀棒照射后的强放射性。二是钚有剧毒，因而，实现这一化学分离并不容易。相反，铀235和铀238的同位素分离及其所需的分离膜的制备工作，只要有优秀的理论物理学家、优秀的化学家参加工作就能完成，反而比从反应堆中实现铀、钚分离更为容易。

在确定了我国核武器的核材料以后，接踵而来的理论问题是：在爆炸机理上，是选择炮筒式还是内爆式?在原子弹发展的历史上，用铀235作燃料，首先采用的是炮筒式的引发方式；对钚239采用内爆式的点燃方式。但前者效率较低，后者效率较高。中国核武器面临的抉择是，能否在仅有铀235的情况下，直接采取比较先进的内爆式的机制来点燃铀235的原子武器?中国的理论物理工作者做了研究并和实验工作者一起解决了这些问题，从而实现了一颗由内爆式机理所触发的、由铀235所制成的原子弹。美国著名理论物理学家兼军事评论家在《中国原子弹的制造》一书的序言中指出：令人惊讶的是，这居然是一颗向心聚爆的浓缩铀弹。中国的原子弹制造者不但从气体扩散场得到了浓缩铀，而且还掌握了先进的向心聚爆技术(这项技术最初是为了钚弹而开发的)，并把它用于浓缩铀弹，这是一项惊人的成就。

〔马赫数〕流体速度与声速的比值，通常用Ma表示。因奥地利物理学家、心理学家、科学哲学家马赫(1838—1916)首先阐述而得名。

②〔钚239〕钚是一种人工放射性元素，为银白色金属，毒性极强，化学符号为Pu，原子序数为94。钚239是钚的一种最重要的同位素，可以在核反应堆中生成，是易裂变核素，可用于制造核武器。

③〔铀235〕铀是一种天然放射性元素，为银白色金属，是最重要的核燃料，化学符号为U，原子序数为92。铀235是重要的天然铀同位素，是原始核燃料，可用于制造核武器。
 

以上两项实例，是我国理论物理工作者和科学工作者，在国防尖端技术上所做出的历史性贡献。

理论物理学的研究还常常为物理学的发展以及整个自然科学的发展，带来新的理论观念、新的指导原则、新的探索新事物的途径。略为早一些的发现是量子力学的出现。正是量子力学为原子物理、分子物理以及原子核物理奠定了理论基础，也深入地影响到化学、生物化学以及生命科学等等基本问题的研究。可以说，没有量子力学就没有自50年代以来蓬勃发展的各种现代科学以及新技术。

需要提到的是，自50年代以来，理论物理有一个重要的但却为人们忽略的进展。那就是由狭义相对论而广义相对论，而宇宙论的确定，亦即人们所属大爆炸的宇宙论。现在这一理论已得到多方面的实验验证，如宇宙红移、背景辐射、元素丰度②、三代中微子③等等，已被广泛承认为“标准模型”。自60年代以来，由于在粒子物理方面大量的实验数据的积累，理论物理工作者相继提出了夸克式层子的观念④、层子模型⑤或夸克模型，继而又将规范场论的原则应用于探讨层子或夸克间所可能的强相互作用、弱相互作用以及电磁相互作用⑥。60年代末70年代初又相继出现了弱电统一理论，量子色动力学⑦的理论，并以此预言了Z°、W±⑧粒子以及胶子⑨的存在。自80年代以来，这些预言中的粒子均相继在实验中得到证实。于是，有关粒子物理研究中，粒子运动的基本规律就得到确立，并也被公认为“标准模型”。随着这一基本理论的确立，人们也就进一步移用于核物理、原子物理、天体物理以及宇宙论等研究领域。

21世纪的理论物理将向何处去?历史即是现实的见证。理论物理学将一方面为开拓国民经济的新领域继续做出贡献，而另一方面又仍将继续向“粒子之小”和“宇宙之大”进军。如果有什么新的动向的话，那就是人们正在尝试将理论物理的思维方式以及技能等移用于解决复杂性问题。当前值得关注的一个重要问题，是要为宏观物理和微观物理间架起一座桥梁，亦即介观物理的领域。我以为，介观物理的研究将成为揭开复杂性问题的序幕。

〔宇宙红移〕指天体光谱中某一谱线相对于实验室比较光谱的同一谱线向红端的位移。河外星系的谱线红移表明这些遥远的天体正在快速地离我们远去，这一发现成为大爆炸宇宙学的有力论据。1929年，美国天文学家哈勃发现河外星系的退行速度与距离成正比，即距离越远，膨胀速度越大。

②〔元素丰度〕指天体中氦的丰度。在各种不同天体中氦元素的含量大致在30%左右，大爆炸理论认为，宇宙大爆炸最初几分钟温度极高(在100亿摄氏度以上)，所以产生氦的效率也很高。

③〔三代中微子〕中微子是一种稳定的中性粒子，以光速运动，一般认为其静止质量为0。目前已发现三种类型的中微子，分别是电子中微子(υe)、μ子中微子(υμ)和τ子中微子(υτ)，称三代中微子。中微子有无质量，目前还有争议。如果它有微小的静止质量，一定有所谓“中微子震荡”，这对解释宇宙的演化进程很重要。

④〔夸克式层子的观念〕1964年美国理论物理学家盖尔·曼提出了一个强子(有内部结构、参与强相互作用的粒子)结构模型，称“夸克模型”。他认为有三种更深一个层次的粒子、反粒子存在，他称这些粒子为“夸克”。“夸克”这一称谓取自爱尔兰小说家乔伊斯写的一首题为《芬尼根的彻夜祭》长诗，原指海鸟的叫声。

⑤〔层子模型〕在盖尔·曼提出“夸克模型”不久，我国科学家于1965提出的一个强子结构模型。

⑥〔强相互作用、弱相互作用以及电磁相互作用〕从粒子角度看，自然界中存在四种基本相互作用，按强度排列，依次为强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用和万有引力。

⑦〔量子色动力学〕一种强相互作用的规范理论，它主要描述组成强子的夸克与其所具有的量子数的相互作用。

⑧〔Z0、W±粒子〕两种传递弱相互作用的粒子，分别在1983年1月和6月被发现。为此，发现者意大利物理学家C.鲁比亚和荷兰物理学家S.范德米尔获得了1984年诺贝尔物理学奖。

⑨〔胶子〕理论上预言的一种粒子，被认为能传递夸克之间的强相互作用。