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同学们好！我来谈一谈自然科学里面的一个分支——物理学。在我的经历中，接触过两类我并不是很熟悉的人，他们给我印象比较深。一类是考生的家长，考生的家长会问我：学习物理是不是太辛苦，一辈子太累了？另一类人我就更加不认识了。比如说有一次我在美国旅行，在飞机上与一位不相识的女士邻座，坐得时间长了，我们开始聊了起来，她问我是干什么的？我说是学物理的，“哇！”她很惊讶，我没有猜到她是什么意思，她也许认为物理很难学，能学物理的人了不起；也许她的生活远离物理。在我的工作中，我一直在想这样的问题，就是物理究竟离一个普通人的生活有多远？对未来人类的发展将会产生什么样的影响？这是我不断思考的问题。我想按照我今天的资历大概也讲不清楚这个问题，不过这确实是值得我用一生的时间来进行思索和回答的一个课题。
我先给大家讲一讲物理在做什么，我想这大概可以用北大物理学院目前的研究领域来简单描述一下。我想象不到在北京大学或其他哪一所大学，那里的一个系或学院能够像北大物理学院的研究领域这样广泛。在空间上，它大到研究宇宙、星系。大家知道，在地球外面遥远的天空中，行星围着太阳转，这个例子实际上对我们的研究来讲还是太近太小了，我们要研究整个宇宙和宇宙外的那些星系。那么小的方面呢？原子够小的了，电子够小了，但对我们讨论的课题它还不够小，我们要研究夸克和弦。而在时间上，你要说短的话，这个尺度可以是10-18秒，叫做阿秒，长的话甚至是上亿年。我想象不到哪一个学科能够做到这样，无论是文科或者是理科，无论我们是搞自然科学的，还是社会科学、人文科学的，我想象不到它能跨越这样大的一个空间和时间尺度，唯独物理学可以。我不知道应该用什么样的一个词来涵盖如此宽泛的研究范围，但是我记得英语里面倒是有一个词我挺喜欢，叫做“unique”。
我担心自己的语言不够漂亮，所以我找到了一本我很欣赏的书——《今日物理》推荐给同学们，是高崇寿先生和谢柏青先生写的，两位都是物理学院非常有名的教师。他们这样讲道：“物理学研究宇宙间物质存在的基本形式、物质的性质、物质的运动规律、物质之间如何相互作用、相互转化及各种物质形态内部结构的基本规律。”如果你们想对物理有最基本了解的话，我个人认为这是一个很恰当的定义。
我不是太想泛泛地去讲这节课，这样的话同学们听起来可能会觉得不会有很大的收获，所以，今天我想通过这个讲座，让大家能够知道物理学从过去那么久远走到今天，它大概分成哪些若干的阶段，每一个阶段又做了哪些主要的事情。我觉得最鲜明的一个跨越，是发生在20世纪初的前后，就是1900年前后这段时间，这之前，物理学基本上应该叫做“经典物理学”，那么“经典物理学”大致研究哪些事情呢？我想它主要研究的是力、热、电、光，因为这是人们在生活中可以直接感受到的一些物理现象。那么物理为什么要研究这些事情呢？一句话，是为了探求这些现象的规律和本源。但是在20世纪初，物理学经历了一个迅速的、非常巨大的变化，我在后面会努力给大家解释这个变化多么伟大，这里说的变化是相对论和量子力学的诞生，这两门科学奠定了当今世界科技的基础。你想象不到，如果没有相对论、没有量子力学，我们将回到一个什么样的社会和生活中去，这对今天的年轻人几乎是不可能想象的。
20世纪物理学的发展显示，物质世界是有层次的，反映物质世界的物理学的规律也是有层次的，每一个层次的物理学都是根植于更深层次的物理学，同时，每一层次的物理学的规律又不能还原为更深层次物理学规律的简单的积累和叠加，从这个意义上讲，每个层次的物理学在真正意义上都是不可穷尽的。这些话我个人理解已经上升到哲学的程度上了，就是它已经告诉了你物理学的整体图像以及应该如何去开展研究。
我先回顾一下20世纪以前物理学走过的路。实际上20世纪以前，经典物理学已经基本建立起来了。首先以研究运动规律为主的力学已得到了很好的发展，随后是对热、电磁、光现象本质的研究，对这些分支的不同存在形式和运动形式做了深入的研究。这是20世纪以前整个物理学界所做的最主要的工作和贡献。我下面把这几门内容一门一门讲一下。
首先为什么要研究力学，经典力学是怎么一回事。物理学最早的部分是对机械运动规律的认识，力学是物理学中发展最早的一个分支，大家在中学的时候就知道，如何利用杠杆去撬动一个很重的物体，这是力学课堂上最简单的例子，涉及力的各种关系。应该是这样讲，1589年到1592年的时候，伽利略第一次提出了惯性的概念，惯性的概念其实很简单，就是速度为一个常数。假设一个物体动起来了以后，不加外力它就永远动下去；假如它静止的话，不加外力，它是不能动起来的，这是最基本的惯性法则。
从1609年到1619年的这10年，是开普勒总结了太阳系中行星的各种各样的运动规律，提出了三个主要的定律。第一个是“轨道定律”，在他的假设中，太阳系中所有行星分别在大小不同的椭圆轨道上围绕太阳运动，而太阳处在这个椭圆的一个交点上，这叫做轨道定律。第二个定律叫做“面积速度定律”，行星围绕太阳运动时，它和太阳中心的连线在相等的时间内扫过的面积相等。第三个叫做“周期定律”，是指绕以太阳为焦点的椭圆轨道运行的所有行星，其椭圆轨道半长轴的立方与周期的平方之比是一个常量。
1687年，牛顿在他著名的《自然哲学的数学原理》中，提出了牛顿三定律。一个是“惯性定律”，我刚才提到，不过牛顿已把它上升到数学的层次上来描述。第二个叫做“运动基本定律”，这个是大家熟知的F=ma，就是物体受的合外力等于它的质量乘上加速度。第三个是“作用与反作用定律”，就是F=-F，比如说你打了一下其他物体或人的话，你自己也会感到疼。这三个定律再加上万有引力定律，就奠定了经典力学的完整理论框架。总体来看，这个过程从16世纪到17世纪，差不多是一个世纪所完成的任务，这就是经典力学的简单发展史。
冷热是自然界中一个非常重要的基本现象，大家知道现在这个季节（10月份）我们要添一点衣服了。冷热是物体的一个重要属性，热学是干什么的呢？它是在研究总结各种热现象和它们的基本规律。它的发展是这样的：1840年至1842年的时候，焦耳提出了热力学的第一定律，就是说第一种永动机是不能成立的，它的道理是如果没有热源，你只是要求自身永远不断输出有用功，这是做不到的。1842年的时候，开尔文制定了热力学的温标，稍后克劳修斯和开尔文两个人又一起给出了热力学的第二定律，它告诉我们第二类永动机是不能实现的。1906年至1912年，能斯特提出了热力学的第三定律，绝对的零度是不能达到的，就是通过有限手段，把一个物体的温度降到绝对的零度是做不到的。在这三个定律之前，有一个热平衡定律，当你把一个热的东西和一个冷的东西放在一起，假设你有足够的耐心和时间，最后去看它们的话，它们两个温度应该是相等的。这四个定律加在一起，构成了热力学的完整框架。你们看这也是经过了半个多世纪的努力，把热力学的一些基本理论确定了下来，它一直指导着我们今天的工作。
热学实际上描述的是冷和热的宏观现象，以及它们之间如何转换、如何发生变化的基本关系和规律。但是，热的本质究竟是什么，这个还是要走到更深的层次上，这就是统计物理学的问题。分子层次上对热的描述是这样的：它是大量分子运动的结果，这些分子在运动时满足一定的统计规律，宏观上就表现出冷热的现象。实际上物体中的分子都是在剧烈地运动着。统计物理研究大概是什么时候开始的？是1857年至1872年，这期间克劳修斯、麦克斯韦、玻尔兹曼发展了分子运动理论。大家都知道，他们几位都是非常著名的科学家。
直到1902年，吉布斯写了一本书《统计力学的基本原理》，他比较全面地论述了这一理论。我在这里讲一个有趣的插曲，吉布斯是一位美国科学家，他父亲是耶鲁大学的教授，所以，吉布斯就一直生活在那里，长大以后也在耶鲁学习，1863年在耶鲁大学获得博士，是美国最早的博士之一，后来他又成了耶鲁大学第一个数学物理教授。我想把这个故事引申一下。这个时期全世界有1000个左右物理学家，美国占了1/4，但是这1/4人所做的贡献、在物理学史上留下来的工作却没有这么大的比例。因为当时科学的中心还是在欧洲，就是在德国、英国。吉布斯是一个例外，他是一个非常出色的人，留下了非常好的工作，奠定了平衡态统计物理的基本理论体系，他是一个非常值得尊敬的人。
对电现象的研究也经历了一个非常漫长的过程。1785年的时候库仑提出了库仑定律。大家知道万有引力定律告诉我们两个物体之间总是在相互吸引，但是库仑定律描述的带电体之间既有相互吸引、又有相互排斥。什么时候相互吸引呢？就是当它们带有相反电荷时，而当它们带有相同电荷时就会相互排斥。异性相吸、同性相斥，这是万有引力定律中所没有的内容。库仑定律奠定了静电学的物理基础，这是一个很重要的定律。1831年，法拉第发现了一个电磁感应现象，就是当一个带电的粒子在运动的时候，将产生一个磁场，这两个现象是在一起相互关联的。直到1864年，麦克斯韦真正在理论上把电和磁统一起来了，那就是麦克斯韦方程组。这是一组非常漂亮的方程式，能够写出这样的方程式来，我个人觉得好像是来源于一种超乎人类想象力的能力，我们将来无论是哪一代人，当看到这组漂亮的方程式的时候都会发出赞叹！1895年的时候，洛伦兹提出了洛伦兹力。在一个新的方程中力分为两部分，一部分是来自于电场的库仑作用，一部分是来自于洛伦兹作用。同时人们又证明了电荷是守恒的，它可以转换，从一个物体上跑到另一个物体去，但是它不能消失。所有的这些工作奠定了电磁学的基本框架。
接下来人们开始考虑光的现象。光对我们的影响也是极其深远的，它是自然界中一个非常基本和重要的现象。光有不同的颜色，可以被吸收、折射、反射，光学就是要回答究竟为什么会是这样，光的本质是什么。这个是非常有趣的问题，在这项研究中有过非常激烈的争论。在17世纪的时候有两种假说，一种叫做“微粒说”，就是光是发光物体发出来的大量微粒，代表人物是牛顿。牛顿是主要研究力学的，大概更喜欢看到一个实实在在的东西。另一种叫做“波动说”，它认为光是发光物体发出的波，光传播是通过波传出去的，代表人物是惠更斯。这两个学说在17至19世纪一直争论不休。但是在早期牛顿的影响实在是太大了，于是“微粒说”占了上风，这是毫无疑问的。但是从19世纪初，“波动说”开始被逐渐接受，甚至到了19世纪末的时候，“波动说”占了上风。一直到麦克斯韦证实光是一种波长在一定范围的电磁波，确定了光的电磁理论。
科学研究的进步是非常有趣的，研究物理学的发展史你能获得很多重要的启示。我曾经在上课的时候跟同学们讲，你们在做科学研究（包括自然科学、社会科学和人文科学研究）的时候，一定要把最真实的结果拿出来，否则你所有的研究就没有了基础，你的研究结果也就没有了任何价值和意义。如果你迫于某种权威和某些专家的压力搞研究，那你是真正错了。其实任何人的先见或现有的理论对你的研究未必一定都是正确的，科学遵循最基本的客观事实，这是做研究的一个非常重要的基本原则。在上面的例子中，没有哪一个人笑话另外的人做错了，任何一个研究结果对后面的人都是有借鉴意义的，科学总是在不断的改进中得到深入和发展。
20世纪前，整个物理学的发展非常地完美、非常地漂亮，以至于著名物理学家开尔文曾经在1900年的一次报告中说了这样的话：“在已经基本建立的科学大厦中，后辈物理学家似乎只要做一些零碎的修补工作就行了。但是，在物理学晴朗的天空的远处，还有两朵令人不安的乌云。”这句话我想同学们都会听说过很多次。你们应该知道开尔文所做的贡献，我想我们大家至少都离不开温度的标准。开尔文是一个非常杰出的科学家，但是在这里，他既对前面物理学家做的工作表示非常满意，同时又表现出了不安和忧虑。他认为在那个时候有两件事情对物理来讲还不完美，至少用当时已有的理论无法解释。现在我们来看看是哪两件事。一件事情就是热辐射的紫外灾难，它冲击了整个电磁学理论和统计物理，等一下我会向大家做详细的讲解；另一件事情就是迈克尔孙-莫雷实验，他们否定了以太的存在。这些研究已经开始动摇经典物理学的基础，无疑将引发物理学上一场伟大的革命。
我们现在就来看一看，这两朵乌云究竟是什么。在讲这个之前，我先告诉大家，20世纪的前30年是一个不可磨灭的英雄辈出的年代，就是在这个时期，量子力学和相对论发展了起来。研究量子力学的学者得过多次诺贝尔物理学奖，研究相对论的学者也得过诺贝尔物理学奖，但是相对少了一点。它们使物理学摆脱了经典物理框架的束缚，完成了近代物理学的一场意义深远的革命，为后来层出不穷、不断涌现的高新科技奠定了基础。毫无疑问，这是一个激动人心的时代。
我讲一讲什么叫做紫外灾难？我们看看第一朵乌云是如何导致了量子力学的诞生。它实际上是这样一件事，电磁波是以真空光速传播的，任何物体的表面发出电磁辐射的能力，正比于它吸收电磁波的能力，就是说吸收的越强，辐射的越强。那么黑体是指吸收电磁波的能力最强的那个物体，也是发射电磁波能力最强的那个物体。物理学要研究在一定的温度下，黑体表面所发射电磁波的基本规律。
怎么来造一个黑体呢？这是个很有意思的问题。物理学家非常聪明，他做了一个盒子，把盒子里面都涂成黑色，这样的话你会看到它在接收电磁波的时候几乎完全把电磁波吸收掉了。现在变化温度，看看这样一个空盒子发出的电磁辐射。我们可以记录下来随着温度改变，辐射波长变化的规律。这是第一件事情，物理学家就做了这样一个非常简单的实验。这个实验首先告诉大家，观察到的电磁辐射现象完全不可理解。1893年的时候，维恩首先发现，这个辐射能量最大的频率值正比于黑体的热力学温度，满足这样一个公式，
这个公式在绝大部分频率的范围内，都是与实验符合得很好的，只是在低频段有一点偏离。接下来在1899年的时候，瑞利和金斯两个人在电动力学和统计物理学的基础之上，严格地推导出来另一个辐射的公式，
这个公式有两个系数，一个是光速（ c ），另一个是玻尔兹曼常数（ k ），这个公式在频率小的时候与实验的结果符合得相当好，当频率大的时候，它竟然发散。这就是所谓的“紫外灾难”，因为大频率是在紫外线波段。
我现在用图1来讨论这些研究结果。首先图1中的细实线是实验的结果，它给出了在给定的温度下辐射能量与频率的对应关系。维恩做了一条
图1 辐射能量与频率的对应关系
曲线（图1中的粗实线），那个曲线在绝大部分范围内都与实验非常好地符合，遗憾的是在低频段的时候有一点偏差。接下来大家知道，瑞利和金斯在电动力学和统计物理学的基础之上做了一个严格的推导，遗憾的是它给出的虚线只在低频段可以符合实验结果，但是当频率变大的时候，特别是在紫外线波段竟然出现了发散。这是使开尔文最不安的一件事情。图1中不同的曲线对应不同的研究结果。就是这样一个实验，对它的理解让物理学家伤透了脑筋，并最终改变了经典物理学。
早期介入这项研究的都是一些物理学界非常有名的人物。首先是一个叫做普朗克的德国人，他1918年获得了诺贝尔物理学奖。普朗克提出了一种量子假说，就是电磁波是按照某个量的整数倍来发射的，后来人们把这个基本量叫做普朗克常数。这是物理学中一个非常重要的常数，是我最欣赏的物理常数之一。在这样一个假设下，普朗克运用电动力学和统计物理学的方法，推导出了一个新的描述辐射能量与频率的关系式。这个公式和观察到的辐射实验的结果非常好地符合。今天我们知道实验测定的h=（6.62606896±0.00000052）×10 -34 J·s，已经是非常精确了。我们后面还会常用到它。
这里面关键的一点是什么呢？大家也许没有完全理解我的意思，与经典物理的区别是普朗克认为电磁辐射是以某个基本量为单元一个一个发射的。这跟传统的想法是不一样的，经典物理讲的电磁辐射都是连续的。尽管这个工作非常漂亮，但是这还是一个假设，还需要更多一些佐证。
在这个阶段物理学上有一个非常著名的实验叫“光电效应”，赫兹首先发现当紫外线照到金属板上的时候，金属板能够发射出带电的粒子，后来证明金属板发射的带电粒子就是电子，并把这种现象叫做“光电效应”。但是对这一现象的理解一直是个让人头疼的事。直到1905年的时候，爱因斯坦提出了光电效应的量子理论，爱因斯坦因为这个理论在1921年拿到了诺贝尔物理学奖。大家往往把爱因斯坦跟相对论联系上，但是遗憾的是，爱因斯坦拿到的诺贝尔奖不是因为他提出了相对论。
爱因斯坦认为，不仅电磁辐射的发射是按照最小能量单位的整数倍进行的，而且电磁波在传播过程中和被吸收时，也都是按照这个最小能量单位的整数倍进行的，这个电磁波的最小能量单位的实体被称为光量子。这是传统的经典力学中所没有的。为什么呢？按照经典物理的概念，电磁波是在电磁场发生周期性变化时传播出去的；按照量子理论，电磁波的发射、传播和吸收的能量都以光量子为整数单位进行。因此电磁波有双重属性，这是物理学概念上最根本的、最大的一个变化。但是这些描述还都依靠着某种假设，并不知道产生这一基本单元更深层次的物理原因。
这个迷是谁先揭开的呢？是玻尔。1913年玻尔提出了一个氢原子模型，我想在座的每一个人都知道氢原子模型，就像太阳周围有地球在转。波尔因为这项工作在1922年拿到了诺贝尔物理学奖。他认为氢原子有一个带有正电的原子核，核外有做圆周运动的带负电的电子，只有当电子满足一定条件的时候，其运动才是稳定的。它要求电子要在一定的轨道上运动，改变了这个轨道的话，电子的运动就不稳定了，这个条件要求电子的角动量只能取简约化普朗克常数的整数倍，这就找到了为什么能量存在一个最小单元的原因，稳定状态的氢原子能量与这个正整数的平方成反比。当氢原子从一个高能量态变到一个低能量态时，多余的能量就以电磁辐射的形式放出，表现为一个有确定能量的光量子。从这个理论出发可以推出描述氢原子的里德伯公式，与实验很好符合。
这一系列研究非常圆满地解释了经典物理出现“紫外灾难”的原因，打破了传统思想的束缚。是否是只有电磁辐射才存在光量子，还是所有其他的小物体都有这种双重属性，这是一个新的挑战。1924年，法国的德布罗意提出在原子世界中，不仅电磁波有双重属性，既是波，又是微粒，而且所有的物质粒子也普遍具有这样的双重属性，即表现为粒子只能一个个地被发射和吸收，同时在运动的时候又遵循了波传播的基本特点。物质粒子具有的双重属性的意义是非常深刻的。1924年，法国物理学家德布罗意提出具有能量E和动量p的物质粒子同时表现为一定频率和波长的波动。他也因为这项研究获得了1929年的诺贝尔物理学奖。
同一时期美国物理学家戴维孙（1937年获诺贝尔物理学奖）和革末观察到电子穿过薄金属片时的衍射图样，证明了电子的波动性。大家一般都不怀疑电子是一个粒子，但是当它通过一个窄缝发生衍射的时候，就表现了一些波的特征，这使人们充分地相信，在原子世界中很多的物质当小到这个尺度的时候，都具有双重属性。
这个时期还有几个人的工作不能不谈。1925年，德国的海森伯提出了矩阵力学，他有很多非常著名的故事，我在这里不跟大家展开谈了。1926年，奥地利的薛定谔提出了波动力学，并证明了矩阵力学和波动力学是等价的，它们是微观世界描述物质粒子运动基本规律的量子力学的不同表达形式。这两个人给出了量子力学的基本数学表达式。直到今天，我们在微观世界做的很多研究，都是由这些基本公式出发，在这个层次上思考解决。1928年，英国的狄拉克提出了相对论性的电子论，建立了相对论量子力学。他也因此在1933年得到了诺贝尔物理学奖。
所以，你们看整个过程中主要做工作的人都得到了科学界的承认，这是个伟大的时代，每当你回忆起这一时期的物理学发展时都会非常激动。通过历史照片，我们看到这些物理学家那个时候经常在世界的几个研究中心开会（如在丹麦的哥本哈根），不同的派别之间会发生激烈的争论，很多人都是雄辩家。可以看到，从1924年到1928年，物理学经历了一场巨大的变革，物理学家认识到主宰微观物质粒子运动的力学规律不再满足以牛顿的三定律为基础的经典力学，而是满足反映了物质粒子双重属性的量子力学。我反复地讲这一点，希望给同学们留下更深的印象。
开尔文还提到另一朵可怕的乌云，我现在也要谈一谈这是一个什么样的物理现象。大家知道波在传播的时候需要借助某种介质。关于光传播时所借助的介质，有人提出是一种布满在整个空间的叫做以太的物质，光是通过它来传播的。接下来大家就在找这种物质，它的质量是多少、密度是多少、甚至它的存在会对人的生活有什么影响，这些都是很有趣的问题。如果以太存在，它要满足一些非常苛刻的条件，因为光是横波，所以以太一定是固体，而且强度必须很大，密度又很小，充满了宇宙的所有空间，包括其中的所有物质中，并且还要求以太与任何物质之间都没有摩擦。这些条件简直不可思议，几乎不能同时满足。
尽管这种以太物质很难想象，物理学家还是设计了各种各样的实验，试图来寻找它的踪迹。我这里只能向大家介绍几个非常著名的实验。第一个是菲佐实验，它证明的结果是这样的：就是水在运动的时候，以太不随水在走。第二个实验是麦克尔孙-莫雷实验，他们证明地球运动的时候，以太随着地球在走。后来其他人又证明当地球绕着太阳公转的时候，以太不随着地球运动。显然这些实验结果相互间是矛盾的，唯一可能的结论就是以太是不存在的，这个结论导致了相对论的建立。
我先讲一讲狭义相对论。1905年，爱因斯坦发表了一篇关于运动物体电动力学的论文。如果我没有搞错的话，这一年爱因斯坦一共发表了6篇论文，对物理研究来讲，一年发表6篇论文算得上是一位高产的科学家，更值得一提的是这几篇论文都称得上是经典之作。我有的时候想，他这一年的工作至少有两篇到三篇应独立拿诺贝尔物理学奖，比如这个狭义相对论的工作。
狭义相对论有两个最基本的原理，一个是相对性原理，就是所有物理规律的形式，在相互做匀速直线运动的惯性系统中都是相同的，简单地讲，在这样一个系统中研究的物理现象与在满足上述条件的另外一个系统里面观察的现象应该是一样的。另一个就是真空中光速不变原理，就是真空中传播的光速在各个惯性系中都是不变的，它都等于一个常数。
在狭义相对论中，原来已经确定的各种物理规律，都应该按照这两条原理的要求进行改造，这种改造可以以两种形式表现出来。一种是规律的表述形式本身需要修改，牛顿力学变为相对论力学；一种是规律的表述形式不改，但是时空变换性质改变，电动力学变为相对论电动力学。
从狭义相对论可以得出两个非常有趣的现象。一个是长度收缩现象。假设在一个静止的参考系中，沿着 X 的方向放置的一把尺子长度为 L 0 ，如果在一个相对于它沿着 X 轴方向做速度为 v 的运动的参考系中观察同一把尺子，你会发现这个尺子会变短为
就是长度收缩现象。从这个公式可以看出，当这个参考系运动的速度越快时，这个尺子就变得越短。现在你知道了狭义相对论的原理，你仔细观察就会看到这一现象。第二个现象是时间也会延缓。假设在静止的参考系中，时钟走过的间隔是 t 0 ，在相对于这个时钟以速度为 v 运动的参考系中测量同一段时间，发现它变慢了，非常有趣，这些现象都是真实的物理效应。你们曾经看过科学漫画，就是把一个人带到太空中去旅游，过一段时间这个人回来以后，发现原来他的同辈人变老了，这都是基于狭义相对论的原理做了一些夸张的表述。
在这些研究中，爱因斯坦还给出了一个非常重要的能量和质量关系式，就是 E=mc 2 ，这是物理学中几个最漂亮的经典公式之一，它告诉我们，一个质量为m的物体内部的总能为其质量 m 乘以光速 c 的平方。这甚至成为了代表爱因斯坦本人的一个标志性的公式，实际上后来原子弹、氢弹的爆炸都是基于这个原理。
曾经有人议论说为什么相对论研究得到的诺贝尔奖不如量子力学那么多，可能是因为原子弹、氢弹爆炸后，大家不太喜欢的缘故。按照上面这个关系式，1克质量的物质中存的能量会是多少呢？大约是2500万度电，1度电等于1千瓦小时。很容易换算一下，如果一户人家每个月用100度电，那么20年消耗的是24000度电。假设真能把物质的内能全部释放出来，一户人家20年全部使用的电还不到1毫克物质的内能。这好比把这个讲桌砍一个角拿回去做燃料就够你用一辈子了，但是这个前提是真正要把所有的内能都释放出来，我下面告诉大家，能不能做得到这一点。
我们知道，在所有的化学反应中，原子可以从一种状态变到另一种状态，但是原子核是没有变的，原子核外的电子大部分也没有变，因此与原子核和这些电子质量相关的内能基本都是不变的。所以这就决定化学反应尽管可以很大，但是它只用了内能很微不足道的一部分。这就是为什么你整卡车拉煤的话，也不够几家人烧一个冬天的，不像我刚才讲砍一个桌角就够一家人用一辈子了。这是因为什么呢？实际上你没有能用上这些煤的所有内能，因为这是一个化学反应过程，就是大部分内能基本是用不上的。那么怎么办？大家就考虑让原子核参加反应，就是它可以改变质子和中子组成的原子核的状态，同时释放出能量，这会比化学反应大6个数量级,这么多的能量，不是6倍，6个数量级是10的6次方，这就不得了。大家都知道原子弹非常厉害，原子弹的原理是什么呢？一个重的原子核，通过核的裂变变成几个中等和小的核，这个时候就是原子核里面发生变化了，这叫核裂变。核裂变释放出来的能量，是原子核整个内能的10 -3 倍，这就是制造原子弹的原理。还有一种反应比这个更厉害，那就是用小的更轻的原子核，让它们结合成大的重的原子核，这叫核聚变，可以想象是把它们聚到一起去，这个过程产生的能量比原子弹的能量大6倍。核聚变大家见过吗？其实我们天天都在经历，这就是我们日常生活中离不开的太阳内部的核聚变。
在能源日趋紧张的今天，我们现在都在研究如何来解决能源短缺的问题。现在看起来如果考虑到爱因斯坦的这些工作，核聚变可能是人类获得能量的最高的极限。就是为什么我们现在很多科学家都在追求着一个目标，如何在地球上造出人造小太阳，我后面还会给大家介绍这方面的进展，它的科学原理也来自爱因斯坦的 E=mc 2 这样的公式。
2010年到了诺贝尔奖颁发一百年的时候，许多热心的人在议论过去一百年哪些奖对人类影响最大，公众评出有三项奖最突出，它们都跟这一世纪整个科学的巨变分不开。一个导致了信息产业，就是量子力学的建立。量子力学的原理直接促成了半导体的发明，半导体是现代计算机的基本元器件，这样一联系，现在所有人用的东西都离不开量子力学了。我们现在工业界要进一步改善的是要如何更好地、更充分地利用量子力学原理，掌握量子力学规律，让它给人类带来更多的好处和方便。第二个就是与能源相关的研究，这方面影响最大的就是相对论的发现和发展，狄拉克得的诺贝尔物理学奖与他对相对论的贡献有关。第三个就是DNA的发现，这标志着生命科学的起步。
我非常高兴地看到被评出来的三个最有价值的诺贝尔奖，都是跟物理研究密切相关的，包括DNA的发现，因为DNA研究的关键一步就是确定它的结构是什么样的，这与一个女物理学家的参与分不开。
所以，基础研究的重大发现不但可以导致一场技术革命，而且最终会对人类社会产生巨大的影响。当初人们曾认为发现电子在应用方面没有什么意义，我不知道大家能不能理解这个玩笑的意思，因为电子在发现的时候，有的人说这能有什么用，不就是你们知道电子的存在了嘛，但是后来人都知道，我们今天很多事情都是跟电子相关的，不从电子的层面去研究就没法解决这些问题。这就是科学的魅力，就是基础科学最重要的地方。在基础科学的研究中，往往做很多事情一开始并不是目标非常明确、非常清楚的，不是说我们走到食堂门口，发现饭盒没带，去找一样东西代替饭盒，解决吃饭的问题，这个目的太明确了，当然这个比喻也许不太恰当。基础研究的成就往往是开始时不能完全预期的，但是一旦它发挥作用的时候，很多地方都会自然地遵循这个基础研究的原理，就是它的伟大之处，是它非常了不起的地方，希望越来越多的人能够了解这一点。
20世纪之前，科学技术在经济发展中一直处于一种从属的地位，基本的特点就是通过实际需求去刺激，不断发展新技术，在应用中进一步推动科学理论的形成，它的规律是现实需要什么我们就先来做什么，然后再去找出其中原理是什么。一个典型的例子就是在生产力发展的驱动下，1782年人们先制造出了蒸汽机，而蒸汽机工作的原理直到19世纪中叶才完全建立起来，这就是热力学原理。怎么才能把火车开得快、开得好不能瞎猜瞎试，要由热力学原理来指导。这是早期的科学技术发展的一般规律。时值当今，科学理论不仅走在技术和生产的前面，而且为社会文明和进步开辟了各种可能的途径。这可以用我刚才讲的那个例子来说明，量子力学的出现导致了后来半导体的发明和计算机工业的蓬勃发展，并且引发了进一步的信息革命，这个道理是非常非常重要的。
我现在用一些例子来跟大家分享一下，让我们一起来看一看物理学是怎样在科学技术的发展和人类生活的改善中发挥作用的。我只选了同学们都非常熟悉的几个科学技术领域，比如说信息技术、生物技术、能源技术、纳米技术，通过对它们的分析和讨论，我们一起来看看物理学是如何影响我们的社会，甚至对未来大概会起到哪些巨大的推动作用。
首先我们从物理学的角度来看一看，信息技术将来会怎么走、能走多远。我这里用了一张我在爱荷华州立大学访问时的照片（图2），我站在一个计算机模型前面，这是为了给大家有一个比较，看看这台计算机的大小。
图2 最早的ABC计算机模型
1957年IBM做的一台商业计算机，现在作为展品放在哈佛大学图书馆的一楼。它大概有15米长、2米多高，但它的功能还不如现在一个笔记本电脑，这是第一台IBM商业化的计算机。回顾过去，我们发现科学史就是这样一步步走过来的，没有当初这个大家伙的话，我们今天的信息化社会就不可想象。
那么为什么要把计算机不断地做小呢？因为大家都喜欢小，这样会增加效率、节省能量，并且携带方便。可以简单地想象，小了距离就近，传送信息就快，而且存储信息的量也越大。为了实现这一点，有一种办法是自上而下，就好比把做器件的材料分隔得越来越细，让每一个单元执行一个器件的功能，简单地讲自上而下就是将制备器件的材料由大的分成许多小的部分。另外一种办法叫做自下而上，就是说根据需要完成的功能，从小的基本单元出发，把它们凑起来实现你需要的功能。由小变大，也有很多的办法，比如其中一个选择基本单元的办法就是制备量子点，这个问题的难点是要求每个量子点尽量要做得一模一样。为什么要一模一样呢？因为你要每一个元器件完成的功能一样，要是它们不一样，则每个器件的功能就有差别了，这就难办了，所以，大家都希望量子点能够做得整整齐齐、个头大小要一模一样。但是这项研究进展并不顺利，人们花了很长时间都做不出来，非常难。下面这张图（图3）如果粗看好像这些量子点排得很整齐，大小也一样，其实不是，你细看的话，这些馒头状的量子点个头还是有点差别的，不过做到这张图的结果已经不容易了。
图3 量子点排列图
这方面的研究人员中有一个人很聪明，他从事这部分工作时是中科院物理所的研究员，这就是薛其坤，他发明了一种新的模版分子束外延生长方法，可以做到量子点整齐排列，大小也一模一样，图4是他领导的小组用分子束外延获得的量子点。你仔细看这是一个两英寸的硅片，把它不断
图4 二维人造晶格——全同量子点
放大，就可以看到一些形状大小完全一样的团簇，它们每一个里面总共有6个原子，不多不少。这个结果出来以后大家都非常高兴，同学们现在都熟悉科学媒体，经常听说 Nature 和 Science 。薛老师的文章出来以后，这些媒体都在争相报道，在报道这一工作的同时，人们又预言了这种二维人造晶格潜在的应用背景。
有的时候我就想，研究物理很累，做出了成果也很难向别人讲清楚，那么乐趣究竟在哪里呢？前些天我们请来了一位著名的物理学家，他是华裔的诺贝尔物理学奖获得者崔琦先生。一天上午他与物理学院一、二年级的一部分学生座谈，其中一个同学就问：“您做物理享受什么呢？”崔先生若有所思地想了想，然后说：“你们从事物理研究的时候，每天做的事情和取得的结果都与前面的不同，你会觉得总有新的发现、新的惊喜，你从事什么工作能让你如此经常有惊喜呢？只不过惊喜是大是小而已，所以从事物理研究就总会有新发现，有料想不到的惊喜出现。”我顺便介绍一下崔琦先生，获得诺贝尔奖的华人很少，但你们不一定那么熟悉和了解崔琦先生。有的人曾经说过这样的话，说：“很多人得了诺贝尔奖以后人就变了。”我还没得过，当然不知道如何变。但是后面接着的这句话很重要，他说：“崔琦先生是少数没变的人之一。”听说当时通知崔琦先生得了诺贝尔奖后，他照常上班去了，连他太太也没告诉，后来我就问他：“你是不是以为消息是假的？” 崔琦先生对我笑了笑，回答道：“那倒不是。”
言归正传，要实现上面介绍的两种方法是非常不容易的，但即便花了这么大的力气，仍没有逃出现有的工作原理框架，无论是自上而下、自下而上，都走不了太远，怎么办呢？我们看看市场的驱动对未来有什么希望和要求。微软是当今信息产业最具典型的代表之一，它不断地挑战自己，提出很多更高的目标。几年前微软研究院的吉姆•格瑞博士对未来信息技术的发展做出了大胆的预测。他提出将来的计算机软件、硬件的可伸缩性可以拓展100万倍；要具有人一样的目标识别、记忆和自动应答能力；要有远程临场感；由于可以做到系统基本无故障，所以一百万台计算机可以由一个人管理；网络安全可靠；计算机随时可用：一百年内中断时间少于1秒；并具备自动编程功能等。这些指标都是非常高的。现在计算机市场有各种各样的机器，所以你在买机器的时候就在想，怎么能花钱少，又能买比较不错的计算机，这让人很头疼。如果能达到上面第一个目标的话，我想在某一个时间阶段，整个计算机市场就卖一种型号的机器，做科学的人也用它，普通的人也是用它，而且价钱相差不大，真正能做到这一点是很不容易的。再如他提出100万台计算机要求一个人管理就够了，为什么会这样呢？因为厂家要保证计算机出厂100年之内，因为故障事故的停机时间要小于一秒钟，就是你一生都很难碰到一次。
那怎么办才能实现呢？前面讲的“自上而下”和“自下而上”的办法可能都不行了，我想除了物理学没有一门科学可以告诉你怎么办。目前的计算机速度大约是10 12 次/秒，对应的最大内存也接近10 12 比特。还有没有发展空间了？实际上传输一个信息，就相当于去送一封信，古时候要找跑得快的人去送信，那么量子力学会告诉你，对给定大小的计算机，你能获得的最快极限速度是多大。我们以我手中这么大小的一个笔记本电脑为例，通过量子力学的原理做简单推导就能得出它的极限速度大约是10 51 次/秒，具体如何来计算，你们要去学量子力学，因为微观世界遵循量子力学的规律。对同样这么大的一台笔记本而言，最高的内存是多少呢？简单地想，计算机的内存是要把所有的结果记录下来，并且需要时想拿就能拿出来，每个结果都要有编号，不能乱。如果每个存储单元大小不一致，同时还排列无章，这就乱了，你要的时候就不知道去哪找，就拿不出来了。在微观世界管理这个现象的是热力学中有关熵的理论，通过热力学我们知道，对于同样大小的一台笔记本，在里面整整齐齐容纳信息的内存极限是10 31 比特。现在我们知道了一台笔记本电脑将来的极限速度是10 51 次/秒，内存是10 31 比特，这与现实情况之间的差距真是大极了。物理学告诉了我们实现未来计算机的可能性，但没有说怎么能够达到，但是我能告诉你原理是可行的，因为它的极限还远远没有达到，发展空间巨大。
物理蛮有意思，这是对未来信息产业所给出的一些预测，当然人们正在做各种各样的实验，比如说可否利用电子上带有的自旋。电子足够小了，现在信息产业的基本原理是基于电子的层次，但每个电子上都带有自旋，它还可以朝上或朝下，那么人们就在想如何控制它的朝向，这就能实现0和1之间的转变。利用电子上的自旋就可以使器件体积更小，科学家们正在努力做这方面的研究。
我再讲一讲，物理学跟未来能源研究有哪些关系、可以做哪些预测。能源为什么很重要？图5是一张关于石油开采在世界上分布的图，你看基
图5 世界探明石油储量分布图
本上都集中在中东地区，中国没有多少，不到一桶油；美国也别神气，大概一桶半；前苏联地区有一些；非洲有一些，大概就是这么一个分布，其余都在中东。所以为什么那边总打仗，因为那边有石油。这张图表示了石油的基本分布，但是我不知道这个探测距地球表面有多深，这个我不敢讲，城环系的王仰麟老师可能了解的更准确。
那么石油耗费是什么样的变化规律呢？石油耗费大概是从1930年开始增长，为什么呢？这是因为这个时候汽车开始在某些国家商业化了，所以石油就开始大量地消耗起来，今天几乎到了顶峰，再往后发展的话，开采石油的能力增长变得越来越慢了，所以，大家都在寻求用什么东西替代石油。这里做了很多的预测，比如说利用太阳能、生物能等等都在尝试。有一种说法是必将有一天，人类从石油文明走向核能文明，那就是人造小太阳，它利用的是我刚刚讲过的物理学中核聚变原理，这是一种物质转化能量的最高形式。我个人想这项科学研究应该还需要50年左右的时间，实现商业化可能时间还要稍微再长一些，可见物理学对未来能源研究会起到非常重要的作用。
对生命科学，最典型的例子就是DNA的发现，这是1953年的事情，它标志着现代生命科学的开启。DNA的结构好像是两根绳子沿一个方向扭起来，确定这个结构的主要是3个人，有生物学家、化学家和物理学家，其中两个人后来得了诺贝尔奖，这是一个多学科交叉的研究成果。大家知道在2003年的时候，人类基因组结构图——“生命天书”被完成，几个贡献国的领导人联合发表声明，宣布了这项伟大的工作，但是这项研究只走出了最基本的一步，我们可以简单形象地说，现在只是知道了各个基因的位置，但是它们的功能和之间的内在关系还不完全清楚，这是后基因组时代要研究的主要任务，显然还有大量的工作要做。后基因组时代的挑战是巨大的，这就是下面我要说的这句话：完成人类基因组图的测试，仅是弄清楚了各个基因结构的排序，离真正了解这些基因的功能是什么、与各种疾病、生命机理有何关系，还有漫长的路要走。目前只破译了个别的功能基因，如耳聋基因和肥胖基因，还有很多的事情要做，只有破译更多的基因，对人类健康构成巨大威胁的恶性肿瘤研究才有望突破，抑制艾滋病的疫苗才有望将来上市，对脑功能也将有更深入的、系统的了解。大家知道，有的时候一个人得了病以后，比如某些体内器官要更换，经常会听说要找一个跟你一样的人的器官才可以，这是很难的事情，对普通老百姓更是难上加难。我想总会有一天，随着后基因组时代研究的深入，我们不会再依赖这些条件。干细胞克隆取得快速进展，这可实现通过干细胞分化制备器官（如心脏、肝脏、肾脏等），从而进行器官修复，治疗好白血病等恶性疾病，我们都希望这一天早日到来。
我在想这项研究一定更需要大量的学科交叉，问题来自于生命科学，许多原理是化学方面的，而研究的方法、手段和工具是物理学的。这种研究的学科交叉可能不单是在自然科学之间，而且会与人文社会科学的发展产生紧密的交流。
最后我来谈谈大家都熟悉的纳米科学。纳米是什么意思？实际上纳米是一个尺度的概念，大家都知道地球的直径是10 7 米的量级，人的身高是10 0 米的量级，而纳米是在10 -7 米～10 -9 米这样的范围，即1纳米～100纳米之间。在这样一个微观世界里有很多不为人们所知的新奇结构。比如，今年的诺贝尔物理学奖授予了两位与发现和研究石墨烯有关的物理学家。石墨烯是一张由碳原子组成的非常薄的纸，这张纸的厚度只有一个碳原子层。这两位物理学家发明了一种很简单的制备石墨烯的方法，他们先取一小块石墨，然后用胶带把它反复地对粘，一次一次减薄，最后就会在胶带的一面发现石墨烯。这个过程很简单，有的国内媒体报道说这个诺贝尔奖是玩儿出来的，我觉得不是，为什么不是玩儿出来的呢？因为其中的一个人叫盖姆，这个人是做低温输运性质研究的，他一直在寻找一种具有高电子迁移率的新材料，所以他就想什么材料能有更高的迁移率。从2004年他们用这种简单的办法做出石墨烯，到今年颁发给他们诺贝尔物理学奖，总共才6年的时间，但实际上已经有了一些初步的应用。比如三星公司已经推出用石墨烯做屏幕的手机，因为这类材料具有高强度、高电流密度的特点，做出来的手机图像非常清晰，同时屏幕很耐磨。现在又研制用它做成可折叠的电子报纸，非常方便，信息量又非常大。这些研究都是在纳米尺度上进行的。我的专业是表面物理，你想一层石墨稀就没有体内，两面都是表面，所以听到今年的诺贝尔物理学奖授予了这项研究，我非常激动。纳米科学讲述的是一个微观世界里发生的各种新奇现象，在这个尺度上我们可以研究信息材料、生命材料、能源材料，揭示并掌握这些材料在微观世界中的新规律，这就可能使原来的研究领域大大地扩展，带来更深刻的科技革命。
我前面谈到交叉，本身这几门科学就有交叉，信息、生命、能源都有交叉，而纳米科技是在这个交叉的核心上，我们可以用纳米科技来做任何一个方面的研究，了解这点非常重要。在纳米尺度上研究信息、生命、能源科学都将进入更深的层次，获得更多意想不到的结果，所以，尼尔•莱恩（世界著名物理学家，曾任克林顿总统科技顾问兼白宫科技办公室主任）就讲过一句话：“纳米技术并不是简单地向小型化走了一步，而是迈进了一个崭新的微观世界，在这个世界中主宰它们的规律是量子力学。”尼尔在做美国总统科技顾问时，大概两个重要的研究方向是他极力倡导推动起来的，一个是纳米科学，另一个是生命科学，这是非常有远见的事情。
研究纳米科学，我们首先要造这么一个微观世界。现在这方面的研究情形是怎样呢？图6显示给我们的是由48个铁原子围成的一个围栏，中间留下了一个原子，也可以中间留下了两个原子（如图7），它们的情况就
图6 扫描隧道显微镜（STM） 量子栅栏之一
图7 扫描隧道显微镜（STM） 量子栅栏之二
非常不同，这就是人们在纳米世界制造各种基本结构的一个例子。这里也有一个东西是我们小组造出来的，我们把它叫纳米锥，这是2003年的一个工作成果。中国科学家非常聪明，在纳米科学研究中有很多出色的成绩。
实际上纳米科学的发展已经带来了一系列的技术革命。比如说在材料领域里面，原来很硬的某种金属材料当它的尺寸减小到纳米范围时就变软了，反过来也行，即可以使软的东西在纳米世界里变硬。我们还可以使它的电学性质发生变化，导电的变成不导电的，非常有趣。在微电子领域里利用纳米技术可以大幅度提高器件的集成度；在能源领域可以利用纳米技术处理各种各样的核废料；在生物、农业领域里面也可以大大提高质量和产量。最近哈佛大学的研究人员提出在刚刚得诺贝尔奖的石墨烯纸上面打很小的孔，让DNA穿过去，当它们穿跃时把电流记录下来，分析电流的变化，就可以快速检测DNA。我们物理学院也有几位教授在做类似的研究，他们现在打的孔直径4个纳米左右，哈佛大学做的可能比这更小一点。
物理学每时每刻都在改变我们的生活，我也给大家举一个例子。大家知道自然界的光线可用三种颜色配出来，比如一种配对的方法就是红色、绿色加上蓝色就行了，但遗憾的是人们一直找不到发蓝光的材料，很费脑筋。多次试验不成功后有人就说，上帝造世界可能会给你留下一点遗憾。大家都知道这项研究非常重要，早期有大量的人都投入了这项研究，除了科学意义重大之外，大家知道，如果这项研究一旦做成功，有可能会带来巨大的产业革命。但遗憾的是，经过若干年的努力进展并不顺利，许多国家纷纷放弃了相应的研究课题。
后来有一个日本科学家的课题组坚持了下去，他们最终发现了一种叫氮化镓的材料，将它激发后就会自然发出蓝光。当他们发表了这项研究成果后，有人就讲，说这个人如果会做生意的话，几年之内他的公司就能超过索尼，但很遗憾他不会做公司。这项研究当时也受到了大量的质疑，这有什么用啊？用那么贵的设备（上千万元人民币一台机器），那么高成本的科学家才会制作这种材料，而且即使做出来材料，它本身还含有缺陷，做成器件寿命也会很短。你说这有什么用？但是工程技术人员巧得很，物理上证明可能之后，他们很快克服了各种使氮化镓实现产业化应用的困难。现在这一发现已经深入到我们日常生活的什么程度了呢？我再用另一个例子告诉你们。
我小的时候马路上指挥交通的红绿灯用的是三个长筒子，里面是三个白灯泡，外面的玻璃分别刷上红绿黄油漆，“文化大革命”的时候，淘气的小孩经常把玻璃打坏，这很麻烦，司机开到那个地方不知道是该走该停，当然也不重要，那个时候大家都不看红绿灯。今天有了氮化镓就不怕了。为什么不怕呢？就是可以用氮化镓材料做成体积很小的蓝光二极管。如果你仔细看现在十字路口的绿灯，它是用很多这种小的发光二极管排列组成的。它不但使这个红绿灯做的很薄，而且也非常省电。因为维持这种发光二极管工作的是一块普通电池，既节能又环保，而且非常安全。假设其中一个二极管不亮了也没有关系，还有许多管子在工作，整体不受影响，它的寿命也大大延长。当然氮化镓的用途非常广泛，已远远超出了上面制作红绿灯的例子，比如，它已经在军事领域得到广泛的应用，我就不花时间再讲得更详细了。
现在我来谈谈科学与艺术，我认为科学界与艺术界相互之间是非常尊重的。2010年6月份在纽约举办了“第三届世界科学节”，从这张照片（图8）大家可以看到这是马友友的小乐队在与著名物理学家霍金同台献艺。
图8 科学家与音乐家
在美国有一个片子 Lost ，其中有一个主题音乐，是哥伦比亚大学的一个物理学家和一个著名的交响音乐家合作而成的，他们用15种不同的乐器去演奏，这些乐器一会儿分开一会儿又合起来，表示一个平行的宇宙关系，在演绎宇宙的变化规律，实际上就是表明了这样一个道理：物理学家和艺术学家都试图更好地理解世界和宇宙，只是从不同的角度，当人们允许这两者融为一体的时候，物理学家和艺术家的任何一方都能帮助另一方获得更深入、更进一步的发展。
物理学的研究同样会给你带来很大的乐趣。我早期刚开始物理研究时经常感到有些问题很费解很枯燥，我的老师在看到我难受的样子就说：“你的抽屉里可以什么物理书都不放，但是你要留一本书，就是一本物理漫画书 What ’ s so Funny about Science 。”今天我从这本书里找了两张漫画跟大家分享,第一张（如图9）讲的是什么呢？在这个画里面的一个巨大天文望远镜旁边站着两个物理学家，其中一个人对另一个人讲:“这些从外星球传来的信息似乎是让我们一旦收到信号以后马上回复他们，但遗憾的是这个信号是在300万年前发出的。”大家自然会笑，走了300万年如何能够马上回复？非常有趣。另一个漫画讲的是（如图10），有两个物理学家站在黑板前看上面的一个公式 E = mc 3 ,他们两个想了又想，只好无奈地说：“看来这个年头什么都上涨了。”看了这些物理笑话，你们还能感到学物理是那么枯燥吗？
图9 接受来自宇宙的信息
图10 看不懂的公式
这是一张北大物理学院正门的照片（图 11）。这是一个很了不起的地方，她有着非常辉煌的历史，从这个学院走出来的学生，曾有120多人做了中国科学院和中国工程院的院士，可能没有一所中国大学的院系，甚至是一个大学能够做到。在结束我今天这个讲座之前，我想跟大家谈谈物理学人的一些人生观,这里面有两个小故事我非常喜欢，我也多次跟我的学生讲，也反复对自己讲。故事中涉及了几位中国的物理学家，他们也都与北大物理学院有很深的渊源。
图11 北京大学物理学院
我这里要讲的第一个故事是关于杨振宁先生和邓稼先先生，这两个人都是西南联大毕业的，是我们的校友。他们大概是1945年的时候同班毕业,两个人一起去了美国，杨振宁是在芝加哥大学，邓稼先是在普渡大学。从杨先生的回忆录可知，他们曾经在一个房子里住过两年，两个人亲如兄弟。1950年，邓稼先毕业回到了中国，1958年他开始从事原子弹的研究,之后的28年中邓稼先默默无闻，一直在领导原子弹的研究，非常难得的一个人。杨振宁先生评价邓稼先的时候说，这是一个真正做到了鞠躬尽瘁、死而后已的人。我这里要讲的故事不是讲这一段，而是讲1971年杨振宁先生第一次回国的事情,也是他阔别了22年后第一次见到邓稼先，这个时候杨先生想起在美国听到的一件事情，想问邓稼先,他说在外面听说中国第一颗原子弹的成功爆炸与一个美国人参与研究有关,他就问邓稼先是不是这么回事？邓稼先说我要问一问，没有回答他。我想邓稼先是知道的，但是邓稼先由于某种原因没有马上回答。之后杨先生一行离开了北京，到了上海,在准备离开上海回美国的前一天，吃饭的时候别人给他递上一张纸条，纸条是邓稼先写的（也许是他已经请示过了），上面简单地写道：我可以非常肯定地告诉你，中国的原子弹研究完全是中国人自主完成的，没有外国人参与。杨先生看了以后顿时热泪盈眶，他很快去洗手间整理了一下。后来杨先生一直在回忆，为什么看这样几句简单的话，能够使自己这么激动？也许是一种油然而生的民族自豪感。邓稼先先生一直工作在第一线，后来是因为癌症去世了，我不知道这会不会跟他早期从事原子弹研究受到的一些辐射等危害有关。杨先生在追念邓稼先的时候，曾经说过几句话：“邓稼先的一生是有方向、有意识地前进的，没有彷徨、没有矛盾。如果邓稼先再一次选择他的人生途径的话，他仍然会走自己走过的道路，这是他的性格与品质，这样的人是不多的，我们应该为稼先所庆幸。”
另一则故事是有关我国物理界的前辈彭桓武先生的，他在北大教过书，是一个非常让人尊敬的老先生。我1995年回国之后，曾经有一次在物理所的一个学术会上作报告，如果没有记错的话，这个报告的主持人是北大物理学院的杨威生老师，我也非常尊敬他。报告开始时来了一个老先生，穿着一件棉袄，然后就坐在听众中间了。我讲完以后杨老师站起来，说看看大家有没有什么问题，但是他总看着这位老先生，我就想这位老先生不知是谁，但一定是一个威望很高的人。后来这位老先生自己笑了笑，他说刚才打瞌睡了，估计我的报告作得不精彩。
这个人非常可爱，后来我才知道他是大名鼎鼎的彭桓武先生。彭先生也是参与整个原子弹和氢弹研究的人，他的物理直觉非常好。他的一个精彩故事是说，一个好的物理学家在做某项研究时，能做到10跟1比，10就是无穷大，而可以简单地把1略去。听说曾经在一次试爆原子弹之前，出现了两套不同方案，没有人知道按哪一套方案好，马上要严格验算这两套方案是来不及的，这个时候谁都不敢说话了，彭先生说“我来试试”，然后他就回到自己的房间，让人把他关了三天，后来拿出了正确的答案。几年之前，我有一次在合肥开会，晚上打开电视看，没想到正好有一个电视节目——《大家》，讲的是中国物理界的泰斗彭桓武先生。我从头到尾看下来了，中间讲到这个故事时，采访的记者问彭先生：“当时您这样做，没有想到后果吗？”彭先生天真地笑了一笑，回答说：“没想，总不至于杀头吧。”
我想就用这两个故事来结束我今天的讲座。这些物理学家是那么的伟大，他们深深地爱着自己的国家，他们的人生情怀是非常高尚的。谢谢大家！