发展中的理论物理学研究
何祚庥
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239还是铀235?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.
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、三代中微子等等,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、层子模型或夸克模型,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.60年代末70年代初又相继出现了弱电统一理论,量子色动力学的理论,并以此预言了Z°、W±粒子以及胶子的存在.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.