今年大热的电影《奥本海默》由著名导演克里斯托弗·诺兰执导，讲述了原子弹之父罗伯特·奥本海默的传奇一生。一如诺兰电影以往的风格，这部电影信息量依旧很大，观众直呼过瘾。

除了主角奥本海默，玻尔、费米、海森堡等人类历史上举足轻重的物理学家也在电影中相继出场，这些天才共同造就了一个科学史上伟大的时代。在过去的100年当中，他们所付诸心血的重大物理学发现不仅改变了人们的生活方式，也重塑了人们的思想观念。

今天，我们要处理好人与自然界以及个人和社会的关系，其中一个重要方面就是认识物理学的作用，了解物理学在过去100年中是怎样极大地改变了人们的生存状态和思维方式。

1.世界为什么变化这么快 

Ｘ射线、放射性和电子的三大发现，揭开了近代物理的序幕，也就是揭开了２０世纪科技交响乐的序幕。

今天哪一个人不与电子器件打交道？但电子只是100年前才在剑桥大学的卡文迪许实验室中被汤姆逊所发现。

从1895年第一张Ｘ光摄像片问世以来，这一医疗新技术不知救了多少人的命，放射性也在医疗和工农业各方面迅速获得广泛应用。

再看1901年意大利工程师马可尼首次实现长距离的无线电报通信，其后迅速发展。但在100年不到的今天，老式数码式电报在大城市间的通信中已被淘汰。

在理论上，20世纪开始的一年——1900年，恰好是量子论诞生的一年，普朗克通过对黑体辐射的研究，在物理学中引进一个普适常数ｈ＝6.6260696×10-34焦耳·秒。

1905年， 爱因斯坦建立了狭义相对论和光的量子论，为物理学引进了第二个普适常数ｃ——光速c＝299792458米／秒，并推出了一个“质能关系式”E＝mc２，后被称为“改变世界的方程”。

很快地，1911年原子核被发现，1913年玻尔原子模型建立，到1925—1926年，量子力学便建立了。这时近代物理学达到了高潮，并开始向其他学科和应用领域渗透和扩展。

实验上，继发现放射性现象和原子核之后，中子和核裂变在20世纪30年代被发现，结合质能关系式的理论，科学家立即预言一种巨大的能量——原子核能（亦称原子能）可以从核内释放出来。于是人们马上看到：“科学技术是一把双刃剑。”一方面，可用来发电的核反应堆做出来了；另一方面，在第二次世界大战期间，美国首先制成人类历史上杀伤力最惊人的武器——原子弹。

在20世纪里，物理学取得了突破性的进展，特别是相对论和量子力学的诞生，形成了物理学革命，使物理学的各分支学科，如原子分子物理、凝聚态物理、原子核物理、光物理都得到了充分的发展，还大大促进了一些与物理学有关的交叉学科的发展，对整个科学技术（包括航天、激光、材料、信息、能源、医学和生物等高新技术）的发展起了巨大的推动作用。

今天，谁也不能否认：科学技术深刻地影响了经济、社会和国际政治的面貌。可以说，正是因为现代科技极大地改变了人们的生存状态和思维方式，才使我们这个世界变化得这么快。

2.科学的双重功能

把物理学仅仅看成一门专业性的自然科学是不全面的，物理是人们的自然观和宇宙观的重要组成部分。

近代科学，首先是天文学和物理学，从无知和偏见中解放出来的过程，也是人们从漫长的中世纪社会中解放出来的过程。这一过程在20世纪发展到一个新的更高的阶段，相对论和量子力学的建立不但是物理学上的伟大革命，而且常被认为是第三次科学革命，也可说是人类思想史上的伟大革命。

马克思在100多年前就曾说过，科学是“最高意义上的革命力量”。1883年，马克思逝世时，恩格斯致悼词说：“在马克思看来，科学是一种在历史上起推动作用的、革命的力量。任何一门理论科学的每一个新发现，即使它的实际应用甚至还无法预见，都使马克思感到衷心喜悦，但是当有了立即会对工业、对一般历史发展产生革命影响的发现的时候，他的喜悦就完全不同了。”

爱因斯坦也说过：“科学对于人类事务的影响有两种方式，第一种方式是大家都熟知的：科学直接地、并在更大程度上间接地生产出完全改变了人类生活的工具；第二种方式是教育的性质——它作用于心灵。”   

20世纪物理学的“文化味”是越来越浓了；也就是说，它日益成为社会一般知识、社会一般意识形态的重要组成部分了。

3.物理学的“真善美”

物理学是“求真”的

物理学研究“物”之“理”，从一开始就具有彻底的唯物主义精神，一切严肃而认真的物理学家都坚持“实践是检验真理的唯一标准”这个原则。并且这种“实践”在物理学中发展出特定的“实验”方法，具有其他学科还达不到的精密程度，再结合严格的推理，发展出一套成功的物理学研究方法，不断发现新的物理规律。

规律是真理，而这种“真理”又都是相对真理。物理学家清醒地懂得：一切具体的真理都是相对的而非绝对的，我们只能通过对相对真理的认识不断逼近绝对真理。因此，盲目迷信历史上的权威和原有的认识是不对的，企图追求一种终极的理论也是不对的。

物理学是“至善”的

物理学致力于把人从自然界中解放出来，导向自由，帮助人认识自己，促使人的生活趋于高尚，从根本上说，它是“至善”的。

从400年的历史看，物理学已经历了几次革命：

力学率先发展，完成了物理学的第一次大综合，这是第一次革命；第二次是能量守恒和转化定律的建立，完成了力学和热学的综合；第三次是把光、电、磁三者统一起来的麦克斯韦电磁理论的建立；到20世纪，第四次的大革命则是由相对论和量子力学带动起来的。每一次革命都产生观念上深刻的转变，而处在每一转变时期的物理学，在本质上都是批判性的。

但是，这种批判是非常平心静气和讲道理的，高明的后辈物理学家总是非常尊重前辈物理学家，在肯定他们杰出的历史功绩的同时，根据实验事实和时代发展的需要，指出他们的不足或片面之处，从而达到认识上的飞跃，建立新理论。新理论决不是对旧理论的简单否定，而是一种批判的继承和发展，是认识上一种螺旋式的上升，新理论必须把旧理论中经过实践检验为正确的那一部分很自然地包含或融入在内。

高明的物理学家又总是很务实的，他们决不会让自己处于一种旧的“破”掉了、而新的又“立”不起来以致两手空空的僵局。物理学，尤其是量子力学发展史在这方面提供的经验，是值得其他科学借鉴的。

不过，物理学也有自己的教训。有过这样一段历史时期，物理学受到“哲学”的外来干预，有些人喜欢对各种物理理论简单地贴上“唯心论”或“唯物论”的标签。例如，量子力学的“哥本哈根观点”就常被扣上一顶“唯心论”的帽子。

历史事实已经证明，这种态度对科学的发展是非常有害的，那些批评者远远没有被批评者来得高明。我们必须看到，重要的是前辈物理学家说对了或做对了什么（哪怕是不明显地或不自觉地），而不是他们曾讲错了一两句什么话，因为在他们那时讲错一两句话，跟今天的我们多讲对一两句话一样，都是毫不稀奇的事情。

人类知识的发展从来是一种集体积累的长期而曲折的过程，这个过程永远不会终结。在科学探索中，我们一定要有这种历史的观点和对人宽、对己严的态度。物理学之所以发展得这样快，就是由于在主流上一直有着这种良好的或者说宽松和务实的研究传统和学术空气。

物理学是“美”的

几百年来，人们对物理学中的“简单、和谐和美”，赏心悦目，赞叹不已。事实上，对这3个词含义的理解，不断地随时间而深化，这是一种不断地再发现和再创造的过程。

首先，物理规律在各自适用的范围内有其普遍的适用性（普适性）、统一性和简单性，这本身就是一种深刻的美。

表达物理规律的语言是数学，而且往往是非常简单的数学，这又是一种微妙的美。其中，物理学家不仅发现了对称的美，也发现了不对称的美，更妙的是发现了对称中不对称的美与不对称中对称的美。

再说“和谐”，人们曾经以为，只有将相同的东西放在一起才是和谐的，而物理学特别是量子物理学的发展揭示的真理，证明了古希腊哲学家赫拉克利特的话是对的：“自然……是从对立的东西产生和谐，而不是从相同的东西产生和谐。”

至于“简单”，人们曾以为原子是最简单而不可分的东西，后来知道它不简单，可以分，一直分到了“粒子”，如中子、质子，电子。它们“简单”吗？非常不简单，用加速器去打它，它照样可以“分”，并且变出许多新的粒子来。一个粒子的稳定存在是与环境分不开的，如一个中子在不同的核环境下就有不同的寿命（半衰期）。“一个多体体系是由单体组成的，单体的存在是多体存在的前提”。这话不错，但只说了一半，另一半应该是：“单体的稳定性（粒子的质量和寿命等性质）是由多体（环境）所保证（或赋予）的，多体的存在是单体存在的前提。”

当我们深入到小宇宙去的时候，时刻也不能忘记作为背景的大宇宙的存在。中国古代哲学讲“天人合一”，包含有深刻的道理，我们前面说到希腊的原子论观点还需要中国“元气”学说作为补充，也是这个缘故。

在我们看来，现代物理学的发展正在把东西方的智慧融合起来，并生长出真正的（非外来的）自然哲学，而这种哲学认识对于我们自己怎样做好一个现代人，成为现代社会中一个深思熟虑、负责任而有远见的成员，不会是没有启迪的。

20世纪70年代非线性、混沌、分形等一些新学科的产生，揭示了现实世界是确定性和随机性、必然性和偶然性、有序性和无序性的辩证统一。与混沌现象相伴随的图形，以及自然界存在的那么多“分形”或“自相似结构”(局部中又包含整体的无穷嵌套的几何结构)，今天已能用计算机将这种图形放大、用彩色绘制出来，它们的美丽是惊人的。

中华民族要在21世纪屹立于世界民族之林，就必须在科学技术上迎头赶上发达国家的水平，而科学技术的灵魂在于创新，创新需要很高的理论水平。现象往往是十分复杂而丰富多彩的，而探索背后的本质，则是科学的任务。爱因斯坦说：“从那些看来与直接可见的真理十分不同的各种复杂现象中认识到它们的统一性，那是一种壮丽的感觉。”科学的统一性本身就显示出一种崇高的美。

李政道也认为：“科学和艺术是不可分割的，就像一枚硬币的两面，它们共同的基础是人类的创造力，它们追求的目标都是真理的普遍性，普遍性一定植根于自然，而对它的探索则是人类创造性的最崇高表现。”

以上内容节选自倪光炯、王炎森、钱景华、方小敏编著的《改变世界的物理学（第五版）》第一章导论。

《改变世界的物理学》（第五版）

倪光炯 王炎森 钱景华 方小敏 编著

复旦大学出版社