序 言

　　21世紀(jì)的曦光，交織著人類對未來的希望，已經(jīng)透射出東方的地平線。在向新世紀(jì)邁進的時候，回顧20世紀(jì)、特別是近幾十年來物理學(xué)的發(fā)展軌跡，展望21世紀(jì)、特別是未來二三十年物理學(xué)的發(fā)展趨向，是十分有意義的。

　　20世紀(jì)以來，以相對論與量子力學(xué)的創(chuàng)立為標(biāo)志的現(xiàn)代物理學(xué)研究工作，從理論和實踐兩個方面，對人類認識和社會發(fā)展起到了難以估量的作用。物理學(xué)理論的發(fā)展，在三個層次上把人類對自然界的認識推進到了前所未有的深度和廣度。在微觀領(lǐng)域內(nèi)，已經(jīng)深入到基本粒子的亞核世界（10-15厘米），并建立起統(tǒng)一描述電磁、弱、強相互作用的標(biāo)準(zhǔn)模型，還引起了人們測量觀、因果觀的深刻變革。特別是量子力學(xué)的建立，為描述自然現(xiàn)象提供了一個全新的理論框架，并成為現(xiàn)代物理學(xué)乃至化學(xué)、生物學(xué)等學(xué)科的基礎(chǔ)。在宇觀領(lǐng)域內(nèi)，研究的探針已達到1028厘米的空間標(biāo)度和1017秒的宇宙紀(jì)元；廣義相對論的理論預(yù)言，在巨大的時空尺度上得到了證實，引起了人們時空觀、宇宙觀的深刻變革。在宏觀領(lǐng)域內(nèi)，關(guān)于物質(zhì)存在狀態(tài)和運動形式的多樣性、復(fù)雜性的探索，也取得了突破性的進展。凝聚態(tài)物理層出不窮、令人眼化繚亂的新成果和混沌現(xiàn)象奇特規(guī)律的驚人發(fā)現(xiàn)，給人類原有的知識體系以巨大的沖擊，在動力學(xué)系統(tǒng)長期行為的確定性與隨機性，決定性描述與概率性描述等方面，引起了認識上的深刻變革。

　　在實踐方面，現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展導(dǎo)致了原子能的釋放和應(yīng)用，導(dǎo)致了半導(dǎo)體、光通訊等新興工業(yè)的崛起，為激光技術(shù)、新材料研制、新能源開發(fā)開辟了新的技術(shù)途徑，并推動了計算機革命的進展?，F(xiàn)代物理學(xué)在推動能源科學(xué)、空間科學(xué)、材料科學(xué)、信息科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、海洋科學(xué)的發(fā)展中起到了關(guān)鍵性的作用，成為20世紀(jì)下半葉以來蓬勃發(fā)展的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)革命的重要科學(xué)基礎(chǔ)?，F(xiàn)代物理學(xué)以新興高技術(shù)群為中介向生產(chǎn)力的轉(zhuǎn)化，極大地改變了人類的生產(chǎn)方式和生活方式，成為推動現(xiàn)代社會發(fā)展的重要杠桿。

　　50年代以來的當(dāng)代物理學(xué)已經(jīng)發(fā)展成為一個相當(dāng)龐大的學(xué)科群，包括了高能物理（粒子物理）、原子核物理、等離子體物理、凝聚態(tài)物理、原子分子物理、光物理、聲學(xué)、計算物理和理論物理等主體學(xué)科以及難以數(shù)計的分支學(xué)科。物理學(xué)內(nèi)部各個分支學(xué)科的滲透和交叉，物理學(xué)和化學(xué)、生物學(xué)、材料科學(xué)、天文學(xué)等其他學(xué)科的滲透和交叉，又產(chǎn)生了許多新的、富有生命力的邊緣學(xué)科，形成了眾多極有發(fā)展前途的科學(xué)前沿。當(dāng)代物理學(xué)還呈現(xiàn)出高速發(fā)展的趨勢，現(xiàn)代物理學(xué)中90%的知識是1950年以后取得的。其發(fā)展之快，分支之多，變化之大，已使人們很難及時作出全面的概括。當(dāng)代物理學(xué)研究的綜合性、深入性、復(fù)雜性、創(chuàng)新性和可應(yīng)用性，都呈現(xiàn)出鮮明的時代特點。物理學(xué)在21世紀(jì)發(fā)展的全景，人們無法作出全面的預(yù)測。只能根據(jù)我們目前的認識水平，根據(jù)當(dāng)代物理學(xué)發(fā)展的狀況和特點，對21世紀(jì)最初幾十年的發(fā)展趨勢作“豹斑之窺”。大體說來，在科學(xué)技術(shù)整體發(fā)展的推動下，物理學(xué)仍將加速地發(fā)展和分化，同時又會出現(xiàn)更多的渠道，增強各個分支之間的交叉和非線性作用，導(dǎo)致更為廣泛和深刻的綜合，朝著各個分支學(xué)科不斷深入而整體領(lǐng)域綜合交叉的整體化方向進展。物理學(xué)作為精密科學(xué)的典范，并以其探索視野的廣闊性、研究層次的廣譜性、理論適用的廣泛性，在今后很長時期內(nèi)仍將發(fā)揮其中心科學(xué)和基礎(chǔ)科學(xué)的作用。它也仍將不斷地推出新思想、新原理和新方法，孕育出功能奇特、威力巨大的新技術(shù)，成為新技術(shù)和新興產(chǎn)業(yè)部門的源泉和生長點。物理學(xué)與未來高新技術(shù)將更加緊密地發(fā)生融合，互相促進，協(xié)同發(fā)展，成為科學(xué)技術(shù)革命深入發(fā)展的主旋律；物理科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域愈來愈頻繁出現(xiàn)的突破性進展，將會更加吸引社會公眾對物理學(xué)事業(yè)發(fā)展的熱切關(guān)注。

　　物理學(xué)的研究領(lǐng)域，將繼續(xù)朝著時空尺度的極端方向和復(fù)雜系統(tǒng)方向發(fā)展；向著更小尺度、更快時間、更強的相互作用、結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的體系過渡。

　　粒子物理學(xué)中的“標(biāo)準(zhǔn)模型”理論，經(jīng)受了相當(dāng)成功的實驗檢驗，被認為是迄今為止最有效的一個唯象理論，但是這個理論仍然存在著許多基本的疑難問題有待解決。諸如希格斯粒子的存在和本質(zhì)，粒子質(zhì)量的來源，夸克和輕子更深層次的特征標(biāo)度，標(biāo)準(zhǔn)模型更深層次上的基本規(guī)律等，都是今后主要的研究領(lǐng)域。尋找超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新理論，將成為高能物理近期探索的一個重要任務(wù)。

　　自1932年發(fā)現(xiàn)中子以來，原子核物理學(xué)取得了舉世矚目的長足進展。近幾十年來，隨著核探針能量和種類的增加，核物理學(xué)在新的自由度和新的層次上不斷取得新成果。對非核子（特別是夸克）自由度、更高能量自由度、質(zhì)子-中子比自由度、角動量自由度的研究，將是今后的一個重要方向。特別是80年代末出現(xiàn)的放射性核束，使核反應(yīng)探針在核素圖上從穩(wěn)定核素發(fā)展到不穩(wěn)定核素。遠離穩(wěn)定線的新核素，特別是滴線核以及超重核、奇特核的合成和研究，將會對原子核物理學(xué)的發(fā)展起到積極的推動作用。

　　以研究復(fù)雜多體系統(tǒng)為主的凝聚態(tài)物理學(xué)，是當(dāng)代物理學(xué)中內(nèi)容最豐富、應(yīng)用最廣泛的一門分支學(xué)科；也是當(dāng)前物理學(xué)研究中最活躍、最能激發(fā)人的創(chuàng)造智力的研究領(lǐng)域。這一領(lǐng)域的一系列發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)并正在對其他學(xué)科（包括化學(xué)、生物學(xué)、數(shù)學(xué)等）產(chǎn)生了重大影響；并通過它所誘發(fā)的高新技術(shù)進展，對人類生活產(chǎn)生了巨大影響。凝聚態(tài)物理前沿研究此起彼伏，發(fā)展迅速，使人目不暇接。它的發(fā)展大趨勢將是現(xiàn)有分支領(lǐng)域強化研究，又不斷開拓出新的領(lǐng)域，制備出更多更高性能的新材料，發(fā)現(xiàn)令人意想不到的新現(xiàn)象。超導(dǎo)電性物理、晶體學(xué)、磁學(xué)、表面物理、固態(tài)發(fā)光物理、液態(tài)物理、生命現(xiàn)象中的物理問題、極端條件下的物理等研究內(nèi)容，成為當(dāng)前凝聚態(tài)物理學(xué)廣闊的前沿領(lǐng)域。其中低維凝聚態(tài)物理與以發(fā)現(xiàn)新的有序相、有序相的對稱破缺、以及這些新相的物理性能為主要目標(biāo)的研究工作，更是這一學(xué)科中最具活力的重要發(fā)展前沿。在今后十多年，可以期望凝聚態(tài)物理的研究取得新的重大發(fā)現(xiàn)和進展。等離子體物理是物理學(xué)中一個年輕的分支學(xué)科。等離子體物理的研究已經(jīng)成為人類認識宇宙、控制地球環(huán)境變化、以及最終解決能源問題的基礎(chǔ)和保證，同時它還開辟了很多新技術(shù)與新應(yīng)用的發(fā)展途徑。熱核聚變等離子體、空間等離子體、天體等離子體和技術(shù)與高技術(shù)等離子體的研究，愈來愈受到重視。原子分子物理是微觀世界的第一個層次，它的基礎(chǔ)性強，應(yīng)用面廣，其發(fā)展直接或間接地推動了電子學(xué)和電子產(chǎn)業(yè)、光電子學(xué)和激光產(chǎn)業(yè)的誕生和發(fā)展，還形成了量子化學(xué)、分子反應(yīng)動力學(xué)、分子生物學(xué)和分子天文學(xué)等一批交叉學(xué)科。原子分子激發(fā)態(tài)結(jié)構(gòu)和動力學(xué)理論的研究，是當(dāng)前原子分子物理學(xué)中最活躍的領(lǐng)域。這一學(xué)科的發(fā)展，在推動科學(xué)技術(shù)發(fā)展、社會進步和提高國防能力方面，將發(fā)揮重要作用。

　　光物理學(xué)是當(dāng)代物理學(xué)發(fā)展中最活躍的領(lǐng)域之一。特別是在激光問世以來的三十多年里，光學(xué)的面貌發(fā)生了深刻的變化。激光物理、非線性光學(xué)、高分辨率光譜學(xué)、強光光學(xué)、量子光學(xué)等學(xué)科正日趨成熟，并孕育著光子學(xué)、超快光譜學(xué)和原子光學(xué)等新的分支學(xué)科?？梢灶A(yù)見，光物理的研究在21世紀(jì)將會有若干突破性的進展，并對生命科學(xué)、生物學(xué)、激光化學(xué)等領(lǐng)域的突破，以及光學(xué)、光電子、光通訊等高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，起到關(guān)鍵性的先導(dǎo)與推動作用。

　　在引力物理的研究領(lǐng)域，廣義相對論仍然是對引力的最成功的描述。廣義相對論所給出的關(guān)于時空結(jié)構(gòu)的相對性的描述，不僅把物理幾何與非歐幾何相聯(lián)系，而且把時空結(jié)構(gòu)與物質(zhì)運動徹底結(jié)合起來；不僅揭示了時間與空間的實在性，而且形成了時空與物質(zhì)的完整性理論?？偟乜磥?，廣義相對論的實驗檢驗還遠遠落后于理論成果；只是在近二十多年來，由于射電和雷達天文學(xué)的技術(shù)進步和精確跟蹤太陽系飛船能力的提高，檢驗引力理論的技術(shù)才有了出人意料的提高。關(guān)于引力波的存在，60年代已得到理論上的肯定；對脈沖雙星PSR1913+16運動的長期觀測，已為人們提供了印象深刻的引力波存在的證據(jù)。人們期望，在最近十年二十年內(nèi)，引力波可能被探測到。以廣義相對論為基礎(chǔ)的大爆炸宇宙模型，已經(jīng)得到越來越多的觀測上的支持，但仍然存在著一些基本的困難。近年提出的暴脹宇宙學(xué)方案，不僅能在奇點問題、平直性問題、視界問題與唯一性等問題上克服大爆炸理論的困難，而且還由于它涉及到普朗克尺度的極早期宇宙圖景，一個全新的量子引力理論不僅將由此誕生，而且人們所期望的四種基本相互作用的大統(tǒng)一，也將有可能在這一階段相關(guān)的能量標(biāo)度上變得明顯。因而對極早期暴脹宇宙的量子引力理論的研究，越來越受到世人矚目。

　　最后，在非線性動力學(xué)、非平衡統(tǒng)計和熱力學(xué)、不穩(wěn)定性（如湍流）、混沌等研究領(lǐng)域內(nèi)，過去二三十年的探索已經(jīng)提出了許多問題。在未來的幾十年里，為尋求這些問題的答案所作的努力，一定會伴隨著更多奇特的新現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)。

　　物理科學(xué)的誕生和發(fā)展，幾乎與人類認識自然和利用自然的歷史共久遠；未來物理學(xué)的發(fā)展，仍將與人類文明的進步共生同行，它永遠是人類文化系統(tǒng)中最重要的子系統(tǒng)之一。在現(xiàn)代物理學(xué)的各個研究領(lǐng)域中，歷來都有人作出發(fā)現(xiàn)已近尾聲的預(yù)言，但這些預(yù)言無一不遭到歷史的揶揄，每一個研究領(lǐng)域都不斷涌現(xiàn)出激動人心的新發(fā)現(xiàn)。在過去的幾十年里，每幾個年頭都有一些物理現(xiàn)象和方法的發(fā)現(xiàn)，它們是人們當(dāng)初所未曾預(yù)料到的?？梢詳嘌裕诮窈蟮哪甏?，也一定會更加頻繁地出現(xiàn)這些難以預(yù)料的新發(fā)現(xiàn)。以研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)和運動在各個層次上的基本規(guī)律，提出新概念、建立新理論為目標(biāo)的物理學(xué)理論研究，將始終處于整個自然科學(xué)發(fā)展的前沿；物理學(xué)中那些和應(yīng)用技術(shù)密切結(jié)合的分支學(xué)科，將會有更多發(fā)展與突破的機會。中國是世界上文明發(fā)達最早的國家之一，對人類文明和科學(xué)的發(fā)展作出過巨大的貢獻。在物理學(xué)領(lǐng)域內(nèi)，中國也曾以豐富的成果領(lǐng)先于世界一千多年。但是近代自然科學(xué)卻沒有出現(xiàn)在這個歷史悠久的國度，中國現(xiàn)代自然科學(xué)仍然處在落后的地位。這一遲滯現(xiàn)象自有其深刻的社會根源、歷史根源和認識根源。20世紀(jì)下半葉以來，中國的自然科學(xué)本應(yīng)有高速發(fā)展的條件，但又因種種原因而失去良機。甚至在一段時期內(nèi)，出現(xiàn)了一場反科學(xué)運動，使包括物理學(xué)在內(nèi)的科學(xué)研究和科學(xué)教育橫遭摧殘。只是在最近十多年里，中國的現(xiàn)代物理學(xué)研究工作才努力向國際水平靠攏，取得了一系列可喜的成績，縮小了與國際水平的差距。在本書中，我們特設(shè)專章對中國近現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展作一個全面的概述，以便使我們更準(zhǔn)確地了解我們的成就，估價我們的進步，認清我們的差距，確定我們的奮斗目標(biāo)。中華民族是一個充滿智慧的民族，中國科學(xué)的發(fā)展充滿振興的希望。只要我們及時抓住機遇，確立正確的科學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略思想，制定和認真執(zhí)行推動科學(xué)發(fā)展的科技政策，正確處理好科學(xué)、技術(shù)與經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)系，大力地、自覺地發(fā)展在未來最有意義的主要門類的基礎(chǔ)學(xué)科和在社會與經(jīng)濟發(fā)展中有重大意義的實用科學(xué)，勇于提出和解決重大科學(xué)問題和難題，大力發(fā)展科學(xué)教育事業(yè)，提高全民族的科學(xué)文化素質(zhì)，我們就一定能夠后來居上，成為世界科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟發(fā)展的中心之一。