中科院院士朱邦芬:數(shù)學(xué)物理學(xué)科魅力及前景

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2010年6月9日,清華大學(xué)將聯(lián)合新浪教育頻道發(fā)布2010年招生政策并指導(dǎo)考生估分填報(bào)志愿,同時(shí)發(fā)布百年校慶相關(guān)事宜,屆時(shí)新浪教育將進(jìn)行網(wǎng)上直播。以下為清華講堂:感受學(xué)科魅力首場(chǎng)開(kāi)講的文字實(shí)錄,演講人清華大學(xué)理學(xué)院院長(zhǎng)朱邦芬。
    主持人:各位新浪網(wǎng)友大家好,歡迎大家來(lái)到今天的新浪嘉賓聊天室,我是婁雷。您現(xiàn)在關(guān)注到的是由清華大學(xué)和新浪教育為大家推出的“清華講堂,感受學(xué)科魅力”的特別節(jié)目,我們今天的節(jié)目將會(huì)繼續(xù)進(jìn)行,和大家關(guān)注的學(xué)科是數(shù)學(xué)物理學(xué)科,為大家請(qǐng)到的嘉賓是清華大學(xué)教授、力學(xué)院院長(zhǎng)、物理系主任、中科院院士朱邦芬老師來(lái)到聊天室和大家進(jìn)行交流。朱老師,首先跟我們的同學(xué)們打聲招呼。
    朱邦芬:各位同學(xué)大家好,很高興有這個(gè)機(jī)會(huì)向大家來(lái)介紹一下數(shù)學(xué)跟物理這個(gè)基礎(chǔ)學(xué)科。
    數(shù)學(xué)跟物理基礎(chǔ)學(xué)科大家也都知道,從小學(xué)開(kāi)始大家就學(xué)數(shù)學(xué),從初中開(kāi)始大家都學(xué)物理。這兩門(mén)學(xué)科大家都有一定的了解,但是這兩門(mén)學(xué)科確實(shí)是非常重要的學(xué)科,而且關(guān)系到人類(lèi)將來(lái)的發(fā)展,關(guān)系到我們整個(gè)地球?qū)?lái)怎么演變,關(guān)系到一些最基本的問(wèn)題。所以,這兩個(gè)學(xué)科是非常有魅力,非常有吸引力的學(xué)科。大家也都知道像牛頓力學(xué)的發(fā)現(xiàn)和萊布尼茨對(duì)微積分的發(fā)現(xiàn),推動(dòng)了整個(gè)產(chǎn)業(yè)。17世紀(jì)、18世紀(jì)各種機(jī)械技術(shù)蓬勃發(fā)展依賴(lài)牛頓力學(xué)。20世紀(jì),最重要的物理學(xué)的兩個(gè)大的革命,一個(gè)是量子力學(xué),一個(gè)是相對(duì)論,這兩個(gè)物理學(xué)上重大的發(fā)現(xiàn),使得我們今天的人類(lèi)生活,我們的方方面面跟一百年以前完全不一樣。比如說(shuō)像今天我們?cè)谶@兒,有很多跟物理有關(guān)。我們?cè)诹奶?,我們的信息是通過(guò)光纖送出去。大家知道去年諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者高錕,原來(lái)人家也知道光纖可以傳輸光的信息,但是當(dāng)時(shí)很多人都認(rèn)為,你要傳送非常長(zhǎng)的距離,而且不失真是不可能的。但是高錕利用他的物理學(xué)知識(shí)解決了這個(gè)問(wèn)題,使得Internet完全是靠光纖傳輸各種各樣的信息,而且速度非???、質(zhì)量非常高。比如今天大家看到,不管你是計(jì)算機(jī)里面的各種集成電路,還包括平時(shí)我們戴的石英表,再比如房間里各種強(qiáng)光源,各種信號(hào)LED的二極管,應(yīng)該講方方面面都跟我們的量子力學(xué)和相對(duì)論這兩個(gè)重大發(fā)現(xiàn)關(guān)系非常密切,20世紀(jì)物理是整個(gè)科學(xué)技術(shù)的領(lǐng)軍科學(xué),它是一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī),推動(dòng)了整個(gè)高科技的發(fā)展。
    但是現(xiàn)在到21世紀(jì)了,可能有的同學(xué)關(guān)心21世紀(jì)物理跟數(shù)學(xué)還是不是繼續(xù)領(lǐng)頭。有一種說(shuō)法,說(shuō)21世紀(jì)是生物的世紀(jì),生命科學(xué)的世紀(jì)。但是我自己個(gè)人看法,至少21世紀(jì)前50年,我們的主要推動(dòng)力還是物理學(xué),這可能從幾個(gè)方面來(lái)看。我們現(xiàn)在最關(guān)心幾個(gè)問(wèn)題,一個(gè)問(wèn)題就是,我們的信息技術(shù)在進(jìn)一步革命,因?yàn)榇蠹叶贾烙?jì)算機(jī)的集成電路芯片有一個(gè)叫摩爾定律,每過(guò)18個(gè)月的集成度要翻一番?,F(xiàn)在當(dāng)然摩爾定律還沒(méi)到量子極限,但在到量子極限之前我們還有一系列問(wèn)題要解決。即使我們這些問(wèn)題都解決了,到了摩爾定律里的量子極限,也就是這個(gè)時(shí)候它的電子不像一個(gè)粒子,到了摩爾,到了這個(gè)地步,我們的信息、計(jì)算機(jī)再怎么進(jìn)一步發(fā)展,這個(gè)問(wèn)題現(xiàn)在還沒(méi)有解決。如果將來(lái)你的芯片能夠集成度進(jìn)一步加大,今天很多幻想會(huì)變成明天的現(xiàn)實(shí),這只是一個(gè)方面。另一方面,我們目前在關(guān)心什么問(wèn)題?一個(gè)是能源問(wèn)題,一個(gè)是我們的環(huán)境問(wèn)題,還有材料問(wèn)題。這些應(yīng)該講物理是基礎(chǔ)。比如能源問(wèn)題,我們關(guān)心很多,一個(gè)是你要找新的能源,這個(gè)新的能源里面,目前我們看,人們比較關(guān)心有幾種可能性,一個(gè)比如太陽(yáng)能怎么進(jìn)一步利用。又比如說(shuō),怎么把我們的一些廢熱,像汽車(chē)排的尾氣溫度很高,怎么能夠把這個(gè)廢熱轉(zhuǎn)化為電,這就涉及到一個(gè)熱電技術(shù)。一方面新能源的產(chǎn)生,需要我們學(xué)的物理想很多辦法。另一方面,從節(jié)能這個(gè)角度,我們有很多事情可以做,比如說(shuō)現(xiàn)在人們提出來(lái)一種智能的玻璃,這個(gè)時(shí)候如果外面很熱,你不需要這么熱,想辦法使外面的這種熱進(jìn)不來(lái)。但是如果里面需要保溫或者需要冷,如果保溫,里面的熱散不出去。如果需要外面的冷空氣能夠進(jìn)不來(lái),它可以通過(guò)各種自動(dòng)的調(diào)節(jié),使得里面的溫度通過(guò)我們?cè)O(shè)計(jì)的這個(gè)玻璃想辦法達(dá)到一個(gè)很好的節(jié)能的效果,現(xiàn)在有很多想法。實(shí)際上這里面涉及到很多物理的基本原理。
    再比如現(xiàn)在有風(fēng)能等各種各樣的能,但是這些能不太好用,怎么把它儲(chǔ)存起來(lái),能用的時(shí)候用上,不用的時(shí)候儲(chǔ)存起來(lái),這需要很多電池,因?yàn)殡姵噩F(xiàn)在怎么提高效率,怎么提高容量,而且能夠瞬時(shí)放出很大功率,這里都有很大的物理問(wèn)題。至少在未來(lái)50年之內(nèi),物理應(yīng)該是推動(dòng)我們整個(gè)科學(xué)技術(shù)關(guān)鍵的學(xué)科。這是我自己個(gè)人的一個(gè)看法。
    總的來(lái)講,這個(gè)學(xué)科現(xiàn)在可以做的事情非常多。當(dāng)然還有很多是更進(jìn)一步的。比如說(shuō)暗能量、暗能源、暗物質(zhì),現(xiàn)在人們可見(jiàn)的東西,總共能量只占宇宙非常小的一部分,有大量的所謂暗能量、暗物質(zhì)我們不知道它是什么東西,這些物質(zhì)占了能量的絕大多數(shù)。所以,這部分你去研究,如果把這部分弄清楚,對(duì)人類(lèi)未來(lái)的能源,對(duì)于我們?nèi)祟?lèi)將來(lái)的發(fā)展,真是不可限量。因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在連什么是暗物質(zhì)、暗能量都不清楚,但是從現(xiàn)在我們的天文觀測(cè)、基本的物理原理,我們已經(jīng)知道目前我們所有看到的這些物質(zhì),不管是遠(yuǎn)處的各種星球,加起來(lái)只占總量非常小的一部分,而大量的是我們不知道的東西。所以,很多非常玄妙的東西值得我們?nèi)パ芯俊?BR>    這個(gè)學(xué)科的生命力非常強(qiáng)大。但另一方面,數(shù)學(xué)是一個(gè)基本的工具,數(shù)學(xué)家最喜歡講我們數(shù)學(xué)是自然科學(xué)的王后,什么東西都是需要我們數(shù)學(xué)作為一個(gè)工具,我們?nèi)プ鳛橐粋€(gè)最基本的工具,去思考、演算、推理,數(shù)學(xué)家當(dāng)然起了很重要的作用。
    總的來(lái)講數(shù)學(xué)跟物理這兩個(gè)學(xué)科是非常重要的基礎(chǔ)科學(xué)。
    主持人:很多同學(xué)學(xué)這兩個(gè)學(xué)科很擔(dān)心,覺(jué)得這兩個(gè)學(xué)科會(huì)不會(huì)很枯燥,天天做題,怎么樣才能讓這個(gè)學(xué)科好玩起來(lái)。這個(gè)學(xué)科究竟枯不枯燥,如何讓大家更有興趣的學(xué)這門(mén)學(xué)科?
    朱邦芬:應(yīng)該講這兩個(gè)學(xué)科,我自己的看法不是一個(gè)枯燥學(xué)科,因?yàn)檫@里有很多未知的東西。你如果只是重復(fù)性的做題,當(dāng)然很枯燥,那是干苦力。但是如果有個(gè)沒(méi)有解決的問(wèn)題,我去研究它,在研究的過(guò)程里我要算很多東西,做很多實(shí)驗(yàn),重復(fù)性地獲得很多數(shù)據(jù)。也就是說(shuō)你想解一個(gè)謎,想看一個(gè)人變很多戲法,想看到底它在哪里玩了花樣,把謎底找出來(lái),我自己感覺(jué)在這個(gè)過(guò)程就像看一本偵探小說(shuō)一樣,應(yīng)該非常有趣,非常吸引人。這個(gè)過(guò)程里盡管你可能幾天幾夜睡不著覺(jué),飯也吃不香,但是你始終執(zhí)著地在追尋一個(gè)謎底,在探索真理,我自己感到在這個(gè)過(guò)程里面,是一個(gè)人最興奮的時(shí)候,最能發(fā)揮你潛能的時(shí)候,這種過(guò)程如果你不做這個(gè)事情,往往是體會(huì)不到的。
    我記得原來(lái)我剛上清華的時(shí)候,還是“*”以前,當(dāng)時(shí)批判大學(xué)生有些脫離工農(nóng),脫離實(shí)際,資產(chǎn)階級(jí)思想。當(dāng)時(shí)清華工程物理系有一個(gè)學(xué)生,他當(dāng)時(shí)57年被打成右派。打成右派的原因是什么呢?因?yàn)樗?dāng)時(shí)等著理發(fā),后來(lái)看理發(fā)師傅在剃頭,他想這個(gè)理發(fā)師這一輩子都不知道量子力學(xué)是什么,他覺(jué)得這多可惜,這么美妙的東西他居然不知道,所以后來(lái)他講出他這個(gè)想法,后來(lái)覺(jué)得這個(gè)人完全是輕視工農(nóng),完全不重視實(shí)踐,最后給他打了一個(gè)嚴(yán)重右傾,差一點(diǎn)是右派分子。當(dāng)然那是在那個(gè)年代,現(xiàn)在我覺(jué)得相對(duì)論、量子力學(xué)這些知識(shí)應(yīng)該是絕大多數(shù)都應(yīng)該知道,是最基本的東西。不要求懂得很多數(shù)學(xué),但是它里面基本的圖像,到底量子力學(xué)講的是什么東西,相對(duì)論到底是說(shuō)什么,我自己感到至少我們每個(gè)大學(xué)畢業(yè)的人應(yīng)該懂得這些。你一旦知道這些,真是會(huì)感到奧妙無(wú)窮,這里有一種魔力,吸引你研究它、探索它。