今天我和大家談?wù)摰念}目，叫做“加速的科技應(yīng)用”。

20世紀(jì)人類(lèi)生產(chǎn)力猛增，大家有目共睹。這個(gè)猛增的動(dòng)力來(lái)源于物理學(xué)、化學(xué)、生物和醫(yī)學(xué)的一些世紀(jì)性進(jìn)步。今天我只討論物理學(xué)對(duì)人類(lèi)生產(chǎn)力猛增的貢獻(xiàn)。

我們先看19世紀(jì)。雖然近代科學(xué)從牛頓就開(kāi)始了，可是起步后發(fā)展很慢，比如力學(xué)走過(guò)整個(gè)18世紀(jì)才成為一門(mén)相對(duì)完善的學(xué)科。今天看來(lái)，19世紀(jì)是一個(gè)關(guān)鍵的世紀(jì)，這個(gè)世紀(jì)大大地?cái)U(kuò)大了近代科學(xué)的發(fā)展，這其中一個(gè)最重要的發(fā)展是對(duì)電磁學(xué)的了解。

電磁學(xué)發(fā)展大概可分兩個(gè)階段：

在18世紀(jì)甚至于17世紀(jì)以前，中國(guó)和西方都對(duì)于“電”和“磁”有些初步的認(rèn)識(shí)。關(guān)于電和磁，一個(gè)關(guān)鍵性的發(fā)展是在1820年，一個(gè)叫Orsted（奧斯特）的丹麥人 ,他第一次發(fā)現(xiàn)“電”和“磁”是有相互聯(lián)系的，在那之前電就是電、磁就是磁，電的表現(xiàn)如脫毛衣時(shí)有一些火花、天上的閃電等等，磁是更早就知道。可是第一次知道他們之間有著密切關(guān)系，是在1820年，Orsted發(fā)現(xiàn)電流可以影響周?chē)拇盆F。那個(gè)時(shí)候已經(jīng)可以做出簡(jiǎn)單的蓄電池，Orsted發(fā)現(xiàn)用蓄電池產(chǎn)生電流時(shí)，電流旁邊的指南針會(huì)動(dòng)，第一次了解到原來(lái)這兩個(gè)很稀奇的現(xiàn)象是互相關(guān)聯(lián)的，這個(gè)發(fā)現(xiàn)具有決定性的影響。當(dāng)時(shí)歐洲很多國(guó)家的學(xué)者都在拼命研究這個(gè)現(xiàn)象，其中有很多大科學(xué)家，如安培，今天電流的單位就是以“安培”命名的。

第二個(gè)大發(fā)展，是1831年Faraday（法拉第），他基本上沒(méi)有受過(guò)正式的學(xué)術(shù)訓(xùn)練，所以他基本上不懂?dāng)?shù)學(xué)。他有好幾厚冊(cè)的研究報(bào)告，但里面沒(méi)有一個(gè)公式，因?yàn)樗麤](méi)學(xué)過(guò)數(shù)學(xué)。可是他有很多的直覺(jué)，他把Orsted的發(fā)現(xiàn)拿來(lái)做反復(fù)的研究，之后他發(fā)現(xiàn)了一個(gè)基本的現(xiàn)象，西方叫做Electromagnetic Induction，中國(guó)叫做電磁感應(yīng)。這個(gè)發(fā)現(xiàn)的重要性顯而易見(jiàn)，現(xiàn)在的發(fā)電機(jī)之所以能發(fā)電，就是應(yīng)用了他的發(fā)現(xiàn)。

楊振寧院士題寫(xiě)參觀三峽工程感言 攝影/劉華

法拉第日記（1831年10月17日）中的繪圖。它顯示了一個(gè)線圈連接到電流計(jì)的螺線管，將磁棒移入和移出螺線管會(huì)產(chǎn)生電力。

發(fā)電最早是用了簡(jiǎn)單的線圈，這里有一張圖（下圖）是一個(gè)線圈，里頭放了一個(gè)磁鐵，F(xiàn)araday發(fā)現(xiàn)單是這樣放著，線圈中沒(méi)有電流，可是把磁鐵向里面推或向外拉的時(shí)候就會(huì)產(chǎn)生電流。因此Faraday發(fā)現(xiàn)動(dòng)的磁鐵會(huì)產(chǎn)生電，這個(gè)叫做Electromagnetic Induction。這就是今天發(fā)電的基本道理。

Faraday反復(fù)研究，有了重大的發(fā)現(xiàn)。他把有些東西定量了，可是他不會(huì)寫(xiě)成公式，尤其重要的是他引進(jìn)了一個(gè)重要的觀念，是他自己也講不清的幾何觀念，他用種種的語(yǔ)言來(lái)描述這個(gè)觀念，人們多多少少可以感受到他的觀念，但是發(fā)現(xiàn)有時(shí)候是前后矛盾的，因?yàn)樗麩o(wú)法用公式準(zhǔn)確描述。比如，他覺(jué)得動(dòng)的磁鐵和它產(chǎn)生的“電”，是在垂直的方向，他有這個(gè)幾何直覺(jué)，但是無(wú)法用公式寫(xiě)出來(lái)。

1865年， Maxwell（麥克斯韋）來(lái)了，這個(gè)時(shí)候的Maxwell很年輕，差不多十年前他在英國(guó)劍橋大學(xué)畢業(yè)了，他給Thomson（威廉·湯姆森，后來(lái)被稱(chēng)為開(kāi)爾文爵士）寫(xiě)了一封信。當(dāng)時(shí)Thomson在學(xué)界遠(yuǎn)比Maxwell有名，他比Maxwell大6歲，但是他已經(jīng)是大學(xué)教授了。Maxwell在信上說(shuō)，我很想了解電是怎么回事，你可否告訴我要看哪些書(shū)。這封信現(xiàn)在留下來(lái)了，可是Thomson給 Maxwell的回信找不到。不過(guò)我們可以猜想，Thomson給 Maxwell回信說(shuō)你去查我的某某篇文章，這篇文章里面引進(jìn)了一個(gè)方程式:磁場(chǎng)H=▽×A，A即是電磁式。

楊振寧院士參觀三峽工程后題寫(xiě)的感言 攝影/劉華

1865年，Maxwell發(fā)現(xiàn)這個(gè)A就是Faraday想要找到卻講不清楚的觀念。研究這段歷史多年后，我認(rèn)為這是個(gè)真正的巨大發(fā)現(xiàn)，它使得Faraday的不能用數(shù)學(xué)表示的直覺(jué)，清楚地?cái)?shù)學(xué)化了。過(guò)了幾年，Maxwell寫(xiě)出了一組方程式，這組方程式有二十三個(gè)方程式，現(xiàn)在我們看到的四個(gè)方程式，是他的二十三個(gè)方程式簡(jiǎn)化，概括了里面的基本精神。這對(duì)是人類(lèi)歷史是非常大的貢獻(xiàn)。

Maxwell寫(xiě)出方程式后，用數(shù)學(xué)的方法計(jì)算下去，得出一個(gè)結(jié)論，就是應(yīng)該存在電磁波，而且電磁波的速度可以算出來(lái)。當(dāng)時(shí)已經(jīng)有人把光的速度測(cè)出來(lái)了，Maxwell把他算出來(lái)的電磁波速度和已知的光的速度對(duì)比，發(fā)現(xiàn)二者很接近。于是他大膽地推測(cè)光就是電磁波。在人類(lèi)歷史上這一發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是從知識(shí)方面、還是應(yīng)用方面來(lái)說(shuō)都是極大的發(fā)現(xiàn)。我曾在一篇文章中寫(xiě)到：“Maxwell是一個(gè)虔誠(chéng)的基督徒，不知道他有這個(gè)發(fā)現(xiàn)后，是否向上帝懺悔，因?yàn)樗焉系垡粋€(gè)最重要的秘密展現(xiàn)給人世”。但是電磁是否有波，在Maxwell的有生之年，沒(méi)有做成實(shí)驗(yàn)，因?yàn)槟菚r(shí)候電流還很弱，沒(méi)人能做出這個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)。

在1887年Maxwell去世以后，一位叫Hertz（赫茲）的德國(guó)人，做成了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，Hertz讓一個(gè)很小的線圈里面有電流，旁邊又放一個(gè)線圈，結(jié)果發(fā)現(xiàn)旁邊的線圈有感應(yīng)。這是人類(lèi)第一次知道電磁波可以制造出來(lái)，并且可以傳遞信息，今天的網(wǎng)絡(luò)就是這個(gè)發(fā)現(xiàn)的擴(kuò)充和補(bǔ)充。

是這些電磁的發(fā)展引導(dǎo)出來(lái)整個(gè)20世紀(jì)的物理學(xué)。

這個(gè)影響有兩方面，一個(gè)是理論方面，一個(gè)是應(yīng)用方面。

20世紀(jì)物理學(xué)理論方面的發(fā)現(xiàn)基本上是以電磁學(xué)所引導(dǎo)出來(lái)的。首先是狹義相對(duì)論，這是1905年愛(ài)因斯坦所提出來(lái)的。他當(dāng)時(shí)研究電磁傳遞在一個(gè)移動(dòng)空間上的傳遞與地面上的傳遞有什么關(guān)系，他在26歲的時(shí)候大膽的寫(xiě)了一篇文章，就是現(xiàn)在說(shuō)的狹義相對(duì)論。

又過(guò)了差不多十年，愛(ài)因斯坦把狹義相對(duì)論推廣，變成了廣義相對(duì)論。廣義相對(duì)論和狹義相對(duì)論可以說(shuō)是把電磁學(xué)本身的結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮了，可是這發(fā)揮后又出現(xiàn)了新的問(wèn)題：“原子是什么結(jié)構(gòu)？”當(dāng)時(shí)已經(jīng)知道了原子，是有一個(gè)原子核，周?chē)须娮釉谵D(zhuǎn)動(dòng)。問(wèn)題是電子在周?chē)D(zhuǎn)的時(shí)候會(huì)有向心加速度，根據(jù)Maxwell的方程式，任何帶電的東西加速度以后就會(huì)放射電磁波，電磁波放射出來(lái)后，能量就會(huì)降低。比如說(shuō)一個(gè)氫氣的原子，它的原子核即質(zhì)子，旁邊有電子在轉(zhuǎn)，根據(jù)電磁學(xué)原理，這會(huì)產(chǎn)生電磁波放射，氫原子能量降低，軌道就會(huì)縮小，最后就會(huì)縮到原子核里面，所以所有氫氣的原子都不會(huì)永久下去，而且能算出來(lái)它們?cè)诤芏虝r(shí)間內(nèi)就會(huì)被消滅掉。

這就產(chǎn)生了一個(gè)大的問(wèn)題，就是量子力學(xué)，在20世紀(jì)的頭三十年之間被解決了。量子力學(xué)有很多人在其中做了貢獻(xiàn)，包括愛(ài)因斯坦等。量子力學(xué)的發(fā)展使得人類(lèi)對(duì)于原子、分子的結(jié)構(gòu)有了非常清楚地了解，并大量應(yīng)用，比如激光。可以說(shuō)沒(méi)有量子力學(xué)的發(fā)展，就不可能有今天對(duì)于分子、原子的了解，那今天的世界就不會(huì)是現(xiàn)在這樣子。

到了20世紀(jì)50年代，人們對(duì)原子、分子結(jié)構(gòu)的方程式基本是知道的，但是這些方程式還沒(méi)有完全。當(dāng) 時(shí)，在50年代，我做研究生的時(shí)候，就要研究原子核的里面是什么？

對(duì)原子核內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究，產(chǎn)生出一個(gè)新的領(lǐng)域，是基本物理學(xué)領(lǐng)域叫做高能物理學(xué)，為什么叫高能，因?yàn)殛P(guān)閉在越小的空間里面，能量就越大。原子核里面的能量是外面的幾千倍，這就是為什么原子彈的威力比炸藥的威力大很多，因?yàn)檎ㄋ幍耐κ窃雍送饷娴?，原子彈的威力是原子核里面的?/p>

最近這六七十年人們主要是研究這個(gè)領(lǐng)域，雖然沒(méi)有完全解決，但是有了長(zhǎng)足的進(jìn)展，最后得出的結(jié)果叫做“標(biāo)準(zhǔn)模型”。大家可能在報(bào)紙上看到，2012年在日內(nèi)瓦發(fā)現(xiàn)了一個(gè)粒子叫做Higgs（希格斯），這個(gè)發(fā)現(xiàn)對(duì)原子核結(jié)構(gòu)有一個(gè)相當(dāng)完整的了解。Higgs是個(gè)人的名字，他最早提出這個(gè)觀念。

20世紀(jì)基本理論物理學(xué)的發(fā)展，其實(shí)都和電磁學(xué)的發(fā)展有直接的關(guān)系，標(biāo)準(zhǔn)模型中最基本的觀念其實(shí)就是把Maxwell方程式推廣。那么是否現(xiàn)在是什么都了解了，沒(méi)有新的問(wèn)題了？其實(shí)不然。又出現(xiàn)了新的問(wèn)題，新的問(wèn)題是不知道把引力拿來(lái)怎么辦。

現(xiàn)在基本上知道，世界上所有力量分為四種：最弱的是萬(wàn)有引力，我們?cè)谌粘Ｉ罹湍苤酪Φ闹匾ㄔ又g也有引力，不過(guò)很小很?。?。再次是弱力，即放射線。其次是電磁力。再后，是高能，也就是原子核力。

最弱的力量和量子力學(xué)的關(guān)系搞不清楚，今天仍然在研究，產(chǎn)生了一個(gè)新的領(lǐng)域叫做弦論，弦論搞了這么些年，在數(shù)學(xué)上有一些成功，但是跟物理現(xiàn)象關(guān)系不大，仍在繼續(xù)研究。

以上大概描述了電磁學(xué)在20世紀(jì)在基本物理學(xué)所產(chǎn)生的影響。接著我們來(lái)討論電磁學(xué)從20世紀(jì)一直到今天，在應(yīng)用方面的發(fā)展。這個(gè)大概可以分為三類(lèi)。

第一類(lèi)的影響是電的生產(chǎn)和應(yīng)用。當(dāng)初Faraday的小線圈，與現(xiàn)在70萬(wàn)、100萬(wàn)千瓦的機(jī)組，是不可同日而語(yǔ)的。電的生產(chǎn)和應(yīng)用之重要是無(wú)法具體描述的，不能想象沒(méi)有電的世界現(xiàn)在是怎樣的。

第二類(lèi)的影響是電磁波。剛才我講了是Hertz第一次證實(shí)電磁波可以制造，在這十多年后，意大利人Marconi真的做了一個(gè)無(wú)線電，可以短距離的傳遞信息。之后，到我出生的時(shí)候（1922年），無(wú)線電廣播就已經(jīng)有了，我讀小學(xué)、中學(xué)的時(shí)候在北平，家里有小的收音機(jī)可以收聽(tīng)廣播。到1960年代，我在美國(guó)時(shí)有了電視。這些都是用不同的波長(zhǎng)、不同的方法利用電磁波傳遞消息。另一個(gè)重要的應(yīng)用是Radar（雷達(dá)），雷達(dá)的發(fā)展是在二次世界大戰(zhàn)的時(shí)候，美國(guó)為軍事應(yīng)用而發(fā)明的。雷達(dá)的影響極大，戰(zhàn)后基于這發(fā)明的Nuclear Magnetic Resonance Imaging （核磁共振成像） 即MRI，對(duì)人類(lèi)的健康有著非常大的貢獻(xiàn)，是巧妙地用了電磁波。到了20世界末，電磁波發(fā)展到了網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)尤其是現(xiàn)在的智能手機(jī)，直接影響了每個(gè)人每一天的生活，所以電磁波發(fā)現(xiàn)的重要性是無(wú)法講清楚的。而且，很顯然它要繼續(xù)發(fā)展下去。

第三類(lèi)由電磁現(xiàn)象引發(fā)出來(lái)的對(duì)于應(yīng)用有決定性影響的是半導(dǎo)體的發(fā)展。半導(dǎo)體是一九四七年戰(zhàn)后發(fā)現(xiàn)的。在30年代的無(wú)線電用的是什么呢？是真空管。真空管是什么呢？通常是玻璃的一個(gè)管子，有三極管、四級(jí)管、五級(jí)管，通過(guò)這造出無(wú)線電通訊，以及后來(lái)的計(jì)算機(jī)。半導(dǎo)體的發(fā)展對(duì)于計(jì)算機(jī)有重大的影響。半導(dǎo)體怎么發(fā)現(xiàn)的？

奧本海默和馮·諾依曼

19世紀(jì)人們知道有傳導(dǎo)體和絕緣體，在1949年左右，才發(fā)現(xiàn)有一種東西既不是Conductor（導(dǎo)體）又不是Insulator（絕緣體），是一種可以控制，可以是導(dǎo)體，也可以是絕緣體的東西，可以用來(lái)作開(kāi)關(guān)，這是了不得的發(fā)現(xiàn)，因?yàn)檫@樣一來(lái)真空管就被半導(dǎo)體代替了，而半導(dǎo)體可以做得極小極小。

這張照片（見(jiàn)上圖）是1950年在Princeton Institute（普林斯頓高等研究院）照的，我當(dāng)時(shí)是這個(gè)研究所的一個(gè)博士后，照片右邊這位是Oppenheimer (奧本海默)，他是物理學(xué)家（1904年出生的），他曾經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)美國(guó)的原子彈工程，所以等到1945年原子彈成功爆炸以后，他立刻變成全世界最有名的學(xué)者。1950年他是這個(gè)研究院的院長(zhǎng)，我在Institute（普林斯頓高等研究院）待了17年，在這期間他一直是院長(zhǎng)，所以我跟他很熟。左邊的這位叫做馮·諾依曼（全名John von Neumann）。后面是當(dāng)時(shí)世界最大的計(jì)算機(jī)Johniac，馮·諾依曼的名字叫做Johnny，所以大家昵稱(chēng)這個(gè)計(jì)算機(jī)是Johniac，它極大把整個(gè)屋子都占滿(mǎn)了。這個(gè)計(jì)算機(jī)是革命性的計(jì)算機(jī)，因?yàn)轳T·諾依曼引進(jìn)了一個(gè)基本的觀念，叫做Stored Program Computer，在這之前最大的計(jì)算機(jī)叫做ENIAC，大的不得了，其程序，幾千個(gè)步驟。幾千個(gè)步驟怎樣記到計(jì)算機(jī)中去？它是用幾十個(gè)電話(huà)接線生，每一個(gè)前面都有一個(gè)交換機(jī)，幾十個(gè)接線生，幾千個(gè)程序，一個(gè)個(gè)插進(jìn)去，需要花好幾個(gè)鐘頭。

楊振寧院士與中華鱘研究所科研人員 攝影/劉華

馮·諾依曼說(shuō)這個(gè)辦法不好，應(yīng)當(dāng)把程序拿來(lái)當(dāng)做數(shù)字，記到計(jì)算機(jī)中去。這個(gè)辦法的好處是：如果根據(jù)計(jì)算覺(jué)得需要修改程序，那可以立刻修改。不像ENIAC，要修改程序，須要把電話(huà)接線生請(qǐng)來(lái)，是好幾個(gè)鐘頭的事情。

用Stored Program Computer，程序指導(dǎo)了計(jì)算，計(jì)算的結(jié)果又改變了程序，這個(gè)循環(huán)不需要時(shí)間了，這是一個(gè)大的革命。今天所有的計(jì)算機(jī)都是這種存儲(chǔ)程序的計(jì)算機(jī)。

現(xiàn)在回想一下，從Faraday的線圈到Marconi的原始無(wú)線電，到Johniac計(jì)算機(jī)，再到今天的智能手機(jī)：20世紀(jì)科學(xué)應(yīng)用的發(fā)展遠(yuǎn)比19世紀(jì)快。而且，20世紀(jì)下半葉的發(fā)展又比上半葉快，發(fā)展是加速的。今后五年、十年、五十年會(huì)發(fā)生什么事情？我相信發(fā)展會(huì)更加速。