北大郭建栋教授“物理学照亮世界”讲稿
发布日期：2008-5-10 新闻来源：原创 浏览次数：89
各位家长、各位同学们好！非常高兴有这样一个机会和大家进行一个交流。我今天做的这个报告的题目叫“物理学照亮世界”。
英语单词里边，这个“照亮””enlighten”，表面上看是“光芒照亮”的意思，但是，它还有另外的一重意思，就是“教育、启发、启迪，使人变得明白”。所以大家就可以知道，“物理学照亮世界”它并不是指简单的这个光的照亮，还包括启迪人的心灵和智慧。
“物理学照亮世界”是“世界物理年”的一项活动。在2004年的时候，联合国大会通过决议，把2005年定为“世界物理年”。
“物理学照亮世界”是一个什么活动呢？就是在一个特定的时间，从美国普林斯顿大学用光纤发出一个激光信号，这个激光信号一站一站地传递，在24小时之内，绕地球一圈又回到普林斯顿。
在“世界物理年”里，通过了一个决议。这个决议对物理学的重大意义作了三项表述：
1、物理学是认识自然界的基础
2、物理学识当今众多技术发展的基石
3、物理教育为培养人的发展提供了必要的科学基础。 这三点，可以说很全面地概括了物理学的重大意义。
早在1999年第23届国际物理会的时候，就提出了物理学的作用和意义是什么。物理学有三项意义：探索自然，推动技术发展和拯救生命。从它这三个作用可以看出来，物理学几乎是涵盖了我们人类所涉及到的各个方面。对自然的探索，对技术的推动，而且和我们人类本身的生命有着重大的关系。这一点，大家将在后面再一次看到。
物理学的历程
我们简单回顾一下物理学发展的历史。早在16-17世纪的时候，物理就形成了一门学科。那时候最早就是从牛顿力学和伽利略天文学发展起来的。这个我们同学们在初中时就都学过，这一点是比较清楚的。那么到18-19世纪的时候呢，就有了动力学、热力学、电气和电磁学的发展。在这点上我稍微多说两句，从18-19世纪物理学的发展，我们可以看出物理学发展的两条路线、两种方法。在18世纪的时候英国的工业革命推动了蒸汽机的发展，瓦特发明蒸汽机这个是老幼皆知的。瓦特发明了蒸汽机，但是他并没有研究里面的物理问题。如果要提高蒸汽机的效率，他想到的就是扩大蒸汽机的容量。实际上问题远远不是那么简单。真正解决了蒸汽机的效率问题的是法国的一个青年炮兵，叫卡诺。同学们如果学过，可能会知道热力学有个基本定律，叫卡诺循环。从卡诺循环开始，建立了热机的基本的规律。人们对能量守恒和能量转化有了初步的认识。有了对热力学的这些基本的认识之后，又推动了热机的发展，于是蒸汽机的效率大大地提高，而且以后出现了内燃机等等。
那么从热机的发展我们可以看出来，物理学的发展的第一条道路就是先出现了技术的需要。技术的需要推动了物理学的发展，物理学的发展反过来再次推动技术的发展。是走了一个“技术?物理学?技术”这样一个路线。
物理学的发展还有另一条路线，这个很典型的就表现在电和磁的发展上。在19世纪的时候，开始是发现了电的现象，比如说库仑发现了电，伏打发现了伏打电池，安培发现了带电线圈的相互作用，以至于后来最重要的法拉第发现了电磁作用。当时发现这些现象的时候，技术上并没有要求，并没有应用，因为那时候对电还没有认识，所以当然也没有应用。这些现象都是这些科学家们在实验室里边做实验发现的。那么在实验里面发现了这些现象有什么用呢？那时候还不知道。有这样一个故事，说法拉第发现了电磁作用以后，法国一个贵夫人问他，说你发现这个玩艺有什么用啊？什么用都没有。法拉第说，一个小孩刚出生是个婴儿，你说他有什么用啊，他长大了就有用了！确实是这样，正因为我们在实验室里面，从理论上首先发现了电和电磁，那么发展到今天，我们处处完全离不开电和电磁。所以从电学和电磁学来看，物理学走的是另一个发展的道路，就是先有了理论，然后推动了技术的发展，技术的发展反过来再一次促进了理论的发展。所以18-19世纪的时候，是我们的一个非常重要的里程碑。
进入到20世纪，大家就更熟悉了。20世纪首先发现了原子能，在核物理方面我们用了核能，或者是核武器或者是和平利用核能，核医学。我们发展了激光，特别是现在进入了电子信息时代，我们每个人手里面都有手机，处处都离不开这些，这些的基础就是半导体。另外我们现在所有的地方都离不开计算机，包括我现在在做这个讲座，也离不开计算机。还有新材料，大家耳熟能详的，什么超导啊纳米啊等等。所以进入20世纪以后，物理学以及由物理学推动的技术得到非常非常大的发展。
物理学与其他学科
物理学不是一个简单的自身的科学，它涉及面非常宽。就像刚才一开始讲到的，物理学它是认识自然的基础，几乎自然科学的各个方面都离不开物理。我这样说是不是夸大了呢？我们来看看物理和其他几个重要自然科学的关系。
我们首先来看看物理学和化学。大家知道物理学和化学是联系最紧密的。现在经常说“物理化学”是放在一起说的。因为物理的过程往往是和化学的过程是相伴进行的，物理现象和化学现象有时候也是交织在一起，很难完全分开的。比如说现在在化学里边，非常常用的光谱分析，X射线分析，激光分析，核磁共振等等。这些你说它是物理还是化学？它是利用物理的手段去研究化学的现象。
再比如说，物理学和生命科学。现在，生物物理是一个非常重要的学科。像DNA的发现，现在方兴未艾的仿生学等等，一会儿下面我还会提到这些例子。
可能大家以前没有想到的是物理学和经济学之间有非常密切的关系，而且现在这个关系越来越密切。
我这样说大家可能还感到比较抽象，我也不可能很详细地去讲每一个内容，我怎么让大家对这个问题有一个比较具体的理解呢？我想举一个诺贝尔奖的例子，这样大家就可以看到物理学和其他各学科的关系。大家知道，诺贝尔奖是在1901年由瑞典皇家科学院设立的。1901年设立诺贝尔奖时只有5项：物理、化学、医学、文学和和平奖。到1968年的时候，为了纪念瑞典中央银行成立300周年，增设了诺贝尔经济学奖，所以现在诺贝尔奖是有6项。这6项奖里边，可以说每项都与物理有关系。怎么说明这个问题呢？我用一个例子，就是每一个获奖的里边，物理诺贝尔奖当然不用说了是物理学家，那么其他的诺贝尔奖里边，也都有物理学家获得。我举这么个例子，比如说1901年第一届的诺贝尔化学奖，得奖的是谁呢，是一位物理学家，是瑞典物理学家范托夫，表彰他在化学动力学方面的贡献。1920年的化学奖奖给了柏林大学应用物理所的所长能斯特。我们学化学的同学都知道，化学里面有个能斯特方程十分重要，他也是一个学物理的。1935年的化学奖奖给了法国物理学家约里奥。居里夫妇，这个大家都很熟悉了。不是第一代居里，是他们的女儿和女婿，第二代居里，表彰他们在人工放射性方面的贡献。1936年的诺贝尔化学奖奖给了苏黎世大学的理论物理学教授德贝，表彰他在粉末X衍射方面的贡献。1951年的诺贝尔化学奖奖给了美国的物理学家迈克米伦，他发现了超铀元素。1971年的诺贝尔化学奖奖给了加拿大物理学会的主席海森伯格，表彰他在电子结构光谱方面的贡献。1998年的诺贝尔化学奖奖给了美国的理论物理学家科恩，表彰他在量子化学方面的贡献。
还有很多，我这是只能举这么一些，所以大家可以看到，得诺贝尔化学奖的竟然很多都是物理学家。这是化学，那么我们再看看生物学和医学。
在生物学和医学里边，首先提出遗传密码的，就是生物学和医学的一个重要的概念，手先提出遗传密码的是物理学家薛定谔。我们大家都知道，量子力学的奠基人薛定谔提出了一个著名的薛定谔方程，现在还是量子力学的基础。竟然是薛定谔首先提出了生命现象是个量子现象，生命有遗传密码。非常不容易。那么，大家知道生物学里边DNA的结构的解析是个非常非常重要的事情，在1962年，提出DNA结构的有4个人，这4个人里面有2 个物理学家1个化学家1个生物学家。所以提出DNA结构的，搞生物的就1个人，但是有2个搞物理的。
那么我下面再说说物理和经济，这个大家觉得好像离得很远，一个是理科一个是经济，怎么会在一起呢？实际上大家可能想不到，经济诺贝尔奖是1968年决定的，1969年才颁发的第一届奖。从1969年颁发诺贝尔经济奖到今天，诺贝尔经济奖里边，完全和数学物理没有关系的只有一个，其他各项诺贝尔经济奖都和数学物理有关系。比如说1969年的第一届诺贝尔经济奖，得奖人是谁呢？是荷兰莱顿大学的波丁根，他是学数学物理的。表彰他用动态模型来解决的经济发展的规律。2000年的经济诺贝尔奖奖给了美国明尼苏达大学的物理学家麦克法登，表彰他用统计学的方法分析经济规律。2003年的经济奖奖给了美国康奈尔大学的物理学家罗伯特。恩格尔，表彰他用时间顺序分析经济变化的规律。所以大家看，经济诺贝尔奖设得很晚，但获奖者几乎都和数学和物理有关系。因为现在大家越来越认识到，经济学实际上是用数学、统计、物理学的模型方法来解决的，而不是简单的一个数钞票的问题。
其实物理和和平奖和文学奖也有关系，当然和平奖、文学奖和意识形态关系很密切，这个很难说明什么问题，但是我也举这么一个例子。在诺贝尔和平奖里边，有3名自然科学家获得，其中一个是化学家鲍丁，这个大家都很熟悉。还有两个是物理学家，一个是前苏联的萨哈罗夫，还有一个是英国的核物理学家罗夫托拉斯。具体内容我们就不去讲它了，就是说，物理学家也涉及到各个领域。包括文学奖，大家都知道有一个很著名的小说《古拉格群岛》，它的作者是前苏联的苏尔仁尼琴，苏尔仁尼琴是学物理的大家知道。当然这些有些是笑话了，但是前面物理和化学和生物与经济，那个是实实在在的。所以有这样一句话，说“什么是物理？物理学家所干的都是物理”（What is physics? Physics is what Physicists do）这个话很辩证很哲学也很有意思。物理学家所做的都归到物理里边，所以它并不仅仅是简单的物理。
为了让大家对物理对以前的发展过程，现在的发展影响有一个比较清楚的了解。我想举一个超导的例子。因为我本人是搞超导的，对超导比较熟悉，所以我想举这样一个例子，简单讲讲超导发现的历史，说明物理学的发展是有延续的，学科本身也是不断的发展，对我们人类的影响也是不断地产生的。
超导是在1911年发现的。在1911年的时候荷兰莱顿大学有一个物理学家叫奥尼斯，当时他是在做金属在低温下的电阻的实验，结果他发现，到了4.2K的时候，Hg的电阻突然垂直地掉下来，减到0。这就是超导现象。奥尼斯的这个发现当时震动了世界。发现超导以后，人们都来研究超导现象。人们试了很多很多金属，发现很多金属元素都有超导，但是他们的临界温度都非常低，常压下温度最高的也只有铌，也只有9.2K。一直到1973年，我们试制出来的最高温度的合金Nb3Ge，也只有23.2K。从1911发现到1973年经过了60多年，这临界温度才提高了这么一点。这种现象在1986年得到了改变，1986年的时候，瑞士爱德华大学的Bednortz和Muller在世界上第一次发现了金属氧化物有超导性。他们发现的是La-Ba-Cu-O，临界温度超过了30K。震动世界。为什么？第一，它的临界温度突然从20多K提高到了30多K。主要的是一个金属的氧化物在人们固有的概念里是绝缘体呀！这个太出乎人们的意料了。他们1986年发现了氧化物超导，1987年就得到了诺贝尔物理学奖。然后在1988年发现了钡锶钙铜氧，它的临界温度是110K，接着发现了铊钡钙铜氧，临界温度123K。
从1986年发现高温超导到1988年短短两年时间，临界温度提高了将近100K，而且各种高温超导材料像雨后春笋一样出现，人们对此非常乐观，认为临界温度还能很快提高，室温超导都能实现，很快根本不用冷却介质了。但是从铊钡铜氧发现以后，人们一直做不出临界温度更高的材料。这样一直过了5年，到1993年，我和我的同事，做出了汞钡钙铜氧，这个汞钡钙铜氧的临界温度是134K。（鼓掌）
谢谢大家祝贺我，但是这也是个很尴 尬的事情，因为从1993年之后到今天15年了没有新的材料发现。所以现在这个汞钡钙铜氧的临界温度还是世界纪录。
现在为什么核聚变还不能应用呢？因为它需要极高的温度，几乎要到1亿度以上才可能发生，要有一个容器装着它让它在里边发生反应。这个就难了！那么发生核聚变的这个容器是什么呢？是磁笼。是一个巨大的磁铁产生一个磁场。产生这个强大的磁场只能用超导体，只能用超导材料，因为它可以用很少的电能产生极强的磁场做成这个磁笼，让等离子在里边发生核聚变反应。
我给大家超导的例子就是说，我们去观察生活中的现象，会不断地发现新的东西，发现后我们去研究它，就会推动一个新的领域的发展，新的领域的发展会更大地造福我们的人类。大家不要误会说北大物理学院就是超导，绝对不是。超导在我们北大物理学院里面只是很小很小的一个部份。下面我把北大物理学院给大家做个简要的介绍。
北京大学的物理学科
北大物理学科是全国高校中最早建立的，在1913年就设立了物理门。抗战时期大家很清楚，北大和清华南开三个学校组建了西南联大，在那个很困难的条件下仍然得到了很大的发展，培养出了李政道，杨振宁，朱光亚，邓稼先，黄昆等一批杰出的科学家。1952年进行了院系调整，原来的北大清华、燕京三校物理系合并成立新的北大物理系。燕京就完全取消了，清华则变成了个工科学校，这个大家都知道了。所以我们说北京大学她的物理学是全国最强的，有它的基础，有它的客观的条件，把三个大学的物理都集中到一起了。这里边有大家熟悉的，饶毓泰，周培源，叶企孙等等在国内都是顶尖的物理学家都集中到了北大，同学们家长们有机会呢可以到物理学院去看看，现在我们大厅里面为这些著名的物理学家都立了塑像纪念他们。
从52年成立了全国最强的物理系后，发展得很快，1955年，建立了我们国内第一个原子能学科，它为我们两弹的制作做出了非常大的贡献，56年集中了北大复旦南京大学厦门大学吉林大学五校师生，办了我国的第一个半导体专业，56年办了第一个地球物理专业，70年代，创建了我国第一个计算机的微电子学科。因为有很好的物理基础，所以在我们国家都是第一个建立的。在2001年组成了物理学院，它是北大原来的物理系，技术物理系，地球物理系，天文系，重离子所合并组成的。所以现在的物理学院比以前的物理系更扩大了，学科更多了。现在物理学院有教工将近300人，其中教授87名，副教授104名，院士13名。还有长江学者，杰出教师等等。教师的力量在全国物理领域里面是最强的。每年我们招收本科生200名左右，这200名包括保送的，自主招生来的，高考来的，还有为军队和国防工业代培的。每年招收硕士生大概110名，还有博士生和博士后。
物理学院下设三个一级学科，物理，天文和大气。拥有三个国家重点实验室，一个教育部重点实验室，这个数目是全国首位的。拥有8个学科，全被评为国家重点学科，这在全国也是唯一的，还有博士点和博士后流动站。我们取得了很多的成果，解放后培养的中科院院士有110名，12名工程院院士，23名两弹一星元勋中与核武器有关的有10人，其中7名为原北大物理系系友，像钱三强，郭永怀，邓稼先等等。郭永怀我要多说两句，他是我们国家试验原子弹的负责人，他牺牲了。他怎么牺牲的呢，他在西北试验完毕后，带着那个绝密的试验资料回北京汇报，结果在北京降落的时候飞机失事，飞机失事的时候，他和他的警卫员胸对胸把那个资料抱在胸前，结果他们两个牺牲了，资料保存下来。所以郭永怀是我们非常值得骄傲的系友。
我们出版了很多教材，其他各大高校在使用，我们的课程被评为国家精品课程，被评为教育部名牌课程，影响力都是非常大的。
那么说了半天，你物理学院现在到底都有些什么学科呢？现在我们物理学院里边有8个部分，第一是凝聚态物理和材料科学，我是属于这个部分的。这里面涉及到超导涉及到纳米半导体还有生物物理。还有就是现代光学，现代光学是搞激光和飞秒光学。理论物理，是理论里面最尖端的，完全靠计算，像我们这种普通计算机它是不能用的，都是几十台计算机连起来做计算。大气科学，里面有搞气象的，也有搞大气动力学的，这次为了奥运会，它就接了国家一个很重要的任务，就是如何能够做到短期的气象预报，不是说几天几周以后天气怎么样，而是几个小时以后天气怎么样就要预报出来。不能说我们这里搞开幕式，半个小时后就下起雨来，这个是要负责的。所以现在他们也很紧张，在搞这个短期的气象预报。技术物理，实际上是搞原子能的，因为对外我们不愿意叫原子能这个名字，所以我们叫它技术物理，它里边一个是搞核物理的理论，一个是搞核物理的应用。天文学，天文学可能很多年轻人对它非常感兴趣。我们今年就有几个同学非天文不学，什么超导纳米都不学就要学天文，就是对这个宇宙怎么形成的，宇宙怎么爆炸的，黑洞到底是什么非常感兴趣，天文学研究这些。后面两个一个重离子研究所，一个显微镜，他们两个单位是只招研究生，不招本科生。重离子所实际上是搞加速器的。我们前校长，国家基金委的前主任陈佳洱先生就是重离子研究所的前头兵，领军人物。所以同学们如果进入物理学院以后，可供你选择的前景是非常广泛的。昨天可能学校领导也给大家介绍过了，现在我们北大发展的方向是宽口径，拓宽教育面。物理学院也是。现在我们前两年不分专业，就是学基础专业课，然后进入到三年级以后，根据情况去选择自己是愿意搞试验物理还是理论物理，实验物理里面是搞凝聚态还是搞光学。
毕业生发展方向
最后我想说一个问题就是关于毕业生的去向。可能家长同志们更关心这个问题，也有人说，我这还没进呢你就说毕业，早不早啊。不早，挺快的。进来以后四年一晃就过去了，很快就要面临毕业的问题。所以我把物理学院毕业生的去向也跟大家简单介绍一下。我们物理学院毕业生一大部分是出国。每年40%左右，少呢35%多呢超过50%出国。在这个问题上我们一贯的指导思想是支持出国鼓励回国。因为我们出国的人太多了，所以引起一些社会上的议论，前几年国务院的一个负责同志曾经把我叫去，说郭老师你给我解释解释，你们的学生这么多出国，是怎么回事。家长把最优秀的学生送到你们这，国家给你们投了这么多钱，结果你们学生将近一半出国，人家社会上管你们叫美国预科班。你怎么解释这个问题？我说这个问题我这么看。第一咱们支持出国鼓励回国，我们没有别的政策。第二，在这个问题上我认为眼光应该放得远一点，我说我这话可能有点远，没有孙中山和周恩来的出国就可能没有中国的民主革命和社会主义革命对不对。没有钱学森钱三强的出国就没有中国现代的科学技术。所以呢，现在看可能是一批人出去了，但是他们学成以后会回来，对我们国家的发展会起非常重大的作用。我为什么这么说呢，因为我自己有亲身体会。我86年到瑞士去，我在瑞士工作了7年以后做出了这个世界纪录，当时我就马上要求回来，我就很快意识到我那个导师非常不高兴，他跟我拍桌子，说你合同还在，你走了我罚你款。我说你罚，反正我又没钱，但是我回我自己祖国你不能阻拦。结果使馆也几次出面跟他们交涉。我是94年回来的，和我夫人一块回来的。我自己有这个体会，所以我敢说这话。而且我相信我们多数的青年学子，他们是一定会回来为国家工作的，即使暂时是不回来，以后他们也会回来，即使以后不回来，他的心也不会变，也是向着国家的。你能说杨振宁李政道他们对国家没有贡献吗？他们没有回来但是他们也是有贡献的呀。国务院的那人说，你说的也有道理。我说我还要说第三点，第三点就是我们把工作重点放在鼓励回国上。我们确实做了很多工作，我们很多学子回来了。一方面他们有这种回来的心，另一方面我们给他提供尽量优越的工作和生活环境。所以在这个问题上，特别是成立物理学院以后我负责这项工作，我一直是这个指导思想，大家现在也都认同。所以我们对每年的毕业生出国，我们是在政策允许下不会阻拦的，而且提供各种的帮助。比如说07年，我们就有将近半数的学生出国了，我这里列举的是世界比较著名的大学，像美国的斯坦福，哈佛，普林斯顿，耶鲁等等。所以我们每年出国的同学是相当多的。近几年我们出国的同学已经有学成的开始回来了。现在我们物理学院的教师，基本上都有出国的经历。有些个别的教师没有出过的经历，我们创造条件，让他出国学习然后再回来。而且现在很多学生学成了，急于回来。我当年带的一个学生，现在我正在帮他办回来的手续。他在美国普林斯顿搞表面物理，搞得非常好，美国已经给了他教授职位，但是他坚决要回来。我们马上为他提供种种方便。学校也很支持，他在搞那个隧道扫描电镜，这一台仪器就是150万，学校说没有问题，肯定提供。在他的生活上边提供住房提供很高的工资，比我都高。我说你可真赚了，比老师挣的还多哈。我们就是这样提供种种方便让他回来可以安心工作。现在还启动了一个百人计划，就是对学成回来的100名学子，在生活上给他们提供最优越的条件。我们很支持，这样呢，对我们北大的发展，对我们国家的发展是非常有益的。
第二个出路呢就是读研。我们很多学生都看到了，本科学完了以后呢觉得知识不够用，还想继续读研究生。我们每年有大量的保研的名额，但是也不是说我们自己的本科生毕业了，你想读研那么就接着读。不行。为什么呢，我们必须要限制名额，因为我们不能说让自己的本科生全都读自己的研究生，用一句话讲叫近亲繁殖了。所以我们还是限额，然后又要空出相当的名额来给其他的学校，比如南京大学，中国科大，复旦，武汉大学等等。他们也是非常优秀的学校，我们也希望他们的本科生到我们学校来学习。所以每年，我们大概有30%-40%的本科生能够在本校接着读研究生。其他的说我也够保研条件了，但是在自己学校读不了怎么办呢？这点大家放心，每年我们招收研究生的时候，都有很多其他单位到我们这来。“你们先挑，你们学校自己的嘛，不过你们挑完了可给我啊，我们全要！”所以我们只要是愿意读研的同学，都是可以读到的。我们自己学校由于名额限制不能全接收的其他部分有到中国科学院的到南京大学的非常多。所以保研是没有问题的。
还有少量是就业的，有的同学是希望有一个社会工作的经验，也有的是想积累一些经济基础，然后再出国，各种原因都有。这里我想说的是，由于物理它是一个基础学科，它涉及的面很广，所以我们工作的同学，直接去做纳米做超导，做计算机等等很多，但是还有相当一部份同学已经不限于物理领域了。他们已经进入到IT行业，甚至进入到金融保险法律等行业。这个对我也是个新的事情。去年春节的时候，我的两个学生从美国回来看我。我说现在你们在美国怎么样。他们说挺好。我说你们是在美国搞计算机还是搞材料啊。一个说我在律师事务所，一个说我在银行。吓我一跳，我说我教你们物理，你们怎么都不搞物理了？他们说老师你这个概念错了，说现在根本不是像以前的那样分界了，现在各学科完全交融，不但理工科交融，而且经济社会人文科学和理工也是交融。那个搞法律的学生跟我说，现在打官司最多的您知道是什么吗？是专利关系，侵权关系。说这个纯搞法律的人并不懂，他要请教搞理工的人。这个是不是构成一个专利，它的意义到底是什么。搞金融的学生说，我们搞贷款，很多企业来贷款，该不该给他贷款，给他多少贷款，他这个行业有没有发展前途，纯搞金融的也不懂，也要问搞理工的。我一听确实很有道理。所以现在我们相当部分同学转到了金融法律等各个领域。这个当然没有出国没有读研可以这样做，就算你读研了，出国学成了，将来也是要就业的。这个就业面也是非常非常宽的。
所以关于就业的问题，我个人，也许我的看法比较窄，我觉得学物理是出路最宽阔的。不单是理工科都涉及，而且是人文科学经济法律都可以涉及。
时间太长了，非常抱歉。最后我想说的就是，欢迎我们的同学到北京大学物理学院来。北京大学欢迎大家，物理学院欢迎大家！
