我國物理學的發展與挑戰

主持人開場語：

在前幾期的講壇裡，我們著重談了一些人文科學的內容，今天讓我們換一個話題，談談自然科學――我國物理學的發展與挑戰。之所以談這樣的題目，主要是想通過了解科學的進展及現代最前沿的問題，來拓寬我們的視野、豐富我們的知識、啟發我們的思路。

在今天世界上，科學廣泛而深刻地影響著我們的生活。因此，接觸科學、了解科學，學會用科學的方法來認識世界、思考問題是特別重要的，正所謂「格物致知」。這次，我們請來著名的物理學家陳佳洱先生，希望他的演講能幫助我們打開一扇科學之門，使我們知識的天地更加廣闊。

陳佳洱，1934年10月1日生於上海市。1954年畢業於長春東北人民大學（現吉林大學）物理系。1955年開始到北京大學技術物理系任教，曾任教研室主任、系副主任。1963年至1965年在英國牛津大學核物理系和盧瑟福高能研究所進修。回國後曾在北京大學漢中分校和北京大學技術物理系工作。

長期從事加速器的教學與科研工作,在開拓發展我國的射頻超導加速器、加速器超靈敏質譜計、射頻四極場加速器、高壓靜電加速器以及束流物理等眾多的低能加速器及相關的應用領域,取得了突出成果，1986年被評為有突出貢獻中青年專家，曾任北大副校長、校長,國家自然科學基金委員會副主任、主任,中國科學院數理學部主任,中國物理學會理事長,亞太物理學會聯合會理事長等職。

 

陳佳洱：謝謝光明日報的邀請，大家好！

物理學是人類認識自然界的基礎，是揭示和闡述物質世界基本構成及其運動和相互作用的基本規律的科學。當今物理學已是現代科學的基石，也是現代前沿技術的先導和源泉。

比如今天從我們普遍使用的手機、電視、MP3、筆記本電腦等日用家電產品，到我們看病時用的B超、X-光、CT照相等，到航空航天技術乃至核能源或核武器技術，無不深深地植根於物理科學的成就之上。

現代物理學的發展正改變著人類的生產和生活方式，開拓著我們的未來。我們和諧社會和創新型國家的建設都需要我們關注物理、了解物理的發展，更希望年輕同志們投身物理學，為把我國建設成具有強大綜合競爭力的科學強國作出自己的貢獻。這是為什麼我要專門來談談這個題目的原因。

中國古代文明中的物理之光

「物理」一詞，在2300年前我國的先秦時期就出現了。當時的思想家還認為自然界的規律和人文社會的規律是統一的，人文社會的法則也應該歸結為天地、自然的法則。從這點來看，當時的物理學與哲學是混為一體的。

其實「物理」一詞，在2300年前我國的先秦時期就出現了，但當時的含義比現在的「物理」要廣泛得多。它泛指人類對自然界及人類自身的理性認識或世界萬物的道理。中國古代的學者很注意對自然現象的觀察和理解，他們認為對自然規律的認識，對於每個人的世界觀、人生觀以至於人格的形成至關重要。當時的思想家還認為自然界的規律和人文社會的規律是統一的，人文社會的法則也應該歸結為天地、自然的法則；後來有人把這個觀點概括為「天人合一」。從這點來看，當時的物理學與哲學是混為一體的。

例如，孔子在《大學》中把人的教育過程描述為:一個人首先要盡力探求世界萬物的道理，深入理解得到的各種知識，才會有崇高的理想和堅定的信念，才能修養好個人高尚的品德；每個人有了好的品德，才能處理好家族、社會與國家的關係，達到天下太平。

生活在公元前4世紀的屈原，在他著名的《天問》一詩中就曾一連向大自然提出了172個問題，表現了中國古代先賢追求真理的精神。

中國古代學者對物理現象和規律的重視和探究不僅深刻地影響著人們的價值觀，促進了中國社會經濟和科學文化的發展,還導致一系列的技術發明。例如中國在很早的時期就建立了先進的天象綜合觀測技術，創建了一批珍貴的記錄，包括用甲骨文記錄的、世界最早的超新星爆發事件。通過長期的觀測與實踐，中國創造了與農業生產相結合的農曆，促進了農業經濟的發展，並延用至今。

在湖北隨縣曾侯乙墓出土的編鐘

又如聲學上,在樂器製作、聲音傳播規律的掌握以及具備完美聽覺的音樂殿堂的建造上都取得了突出的成就。1978年在湖北隨縣出土了公元前500年製造的曾侯乙編鐘，共8組合計65件。現代中國物理工作者通過研究，發現它所包含的物理內容令人驚嘆!由青銅鑄成的編鐘，鐘形是扁瓦形的而不是圓的,每個鐘具有雙音性質，各自可以發頻率相差大三度或小三度的兩個音。整個編鐘的音域共5個八度，中音區12個半音俱全，音高几乎與現代樂器的音高一致。編鐘的延音短，能夠演奏旋律快的音樂，鐘上突起的鐘枚起到濾波的作用，使音質更為優美，無論是中國民族音樂還是西方的交響樂曲都能演奏。

聲學分析表明，編鐘正著敲時鐘體振動波譜的最大振幅正好在正中，而波節則在離正中側敲點處；編鐘側敲時振動波譜的最大振幅正好在側邊，而波節則正好在正敲點處，因此兩種聲音互不幹擾。扁形的鐘體剛性比圓形的要高得多，因此振幅衰減得快，從而延音短能夠演奏旋律快的樂曲。

2000年9月在巴黎中國文化周上演出的古代編鐘樂舞，曾引起歐洲觀眾的廣泛讚揚。編鐘在法國巴黎舞臺上演奏時，除了中國古代樂曲外，還演奏了一段第9交響曲。

其他如力學方面我國在槓桿原理、靜力平衡原理以及在能夠演奏旋律快的音樂秤量工具和建築結構等方面也很早就有很多建樹；光學方面，在墨子的《墨經》中對幾何光學的現象已有相當完整的表述，當時已發現小孔成像技術，發展了金屬放大鏡技術等。

歷史上，中華民族以高度的智慧和能力通過各種各樣的發明創造，為人類文明的發展作出了偉大的貢獻。在16世紀之前的相當長的一個時期中，中國科技領先世界,其中對物理現象及其規律的研究和應用起了十分重要的作用。

無庸諱言，中國的物理儘管在當時是先進的，但與近代的物理相比，卻有著質的差距：還沒有在系統實驗的基礎上，通過「由此及彼」、「由表及裡」、「去粗取精」、「去偽存真」的過程上升到系統的、科學的理性認識；還不能定量地表達客觀世界的普遍規律，進而精確預言客觀物體未來的狀態。

西方現代科學與技術的興起

物理大師們在探尋規律和追求真理的過程中凝結起來的科學與人文精神以及在研究所匯集的智慧結晶，成為促進人類思想的一次又一次解放，不斷豐富和發展引導人類走向更高文明的先進文化的重要動力。

歐洲在15世紀文藝復興運動之後，科學上的偉大變革接踵而來；16世紀布魯諾、哥白尼、伽利略等前僕後繼、矢志不渝地反對宗教精神桎梏，開創了一場真正意義上科學革命，形成了勇於探索未知、敢于堅持真理、重視實驗觀測等科學傳統。

在哥白尼之前，歐洲流行的是以地球為中心的「地心說」：地球在中心，月亮、水星、金星、太陽、火星、木星、土星等一個個地圍繞地球旋轉，而上帝則處在最高層的外空。儘管這樣的說法與看到的火星的逆行有矛盾，但由於宗教的支持，還是以本輪與均輪的說法來解釋。哥白尼根據實驗的觀察，提出日心體系，與實際情況更加符合，但遭到教庭的堅決反對，布魯諾堅持日心說，並把它發展成無限的體系而被教庭活活燒死在鮮花廣場上。

從左到右：託勒玫（公元130年）想像地球處在宇宙中心，哥白尼則設想太陽處在中心，牛頓第一個用一個定律解釋所有星體運動，愛因斯坦則用幾何學的時空體系解釋星體的運動。

伽利略自己動手製作了一個天文望遠鏡，發現了月亮上的環形山、木星的四顆衛星以及在太陽表面移動著的黑子等徹底的推翻了地心說，捍衛了哥白尼的日心說；克卜勒通過對火星的詳細觀測，發現行星在橢圓形軌道上圍繞處在橢圓焦點上的太陽旋轉時，在相等的時間內掃過的相等的面積，而且軌道橢圓半長軸的三次方與旋轉周期的平方成正比。

17世紀牛頓綜合了哥白尼、伽利略、克卜勒等成果的大成，建立了一套經典力學的理論體系，奠定了以系統的實驗方法得到完整的因果關係的理性知識體系，樹立了科學與理性的權威，推進了18世紀以機械化為標誌的工業革命。

19世紀，麥克斯韋通過總結大量實驗獲得的電磁學四大定律，完成電磁學的麥克斯韋方程，建立了經典場論。「場」作為自然界一個基本構成,進一步拓展了人們的物質觀，並促進了電器化和整個通訊事業的發展。

20世紀以愛因斯坦的相對論和普朗克的量子論為代表的物理學的革命性發展，形成了人類嶄新的時空觀、運動觀和物質觀，極大地深化了人類對自然界從微觀、宏觀到宇觀的各個尺度層次的基本規律的認識，使整個科學發生了質的飛躍,並成為新一代技術的源頭。

西方現代科學技術體系的成功建立表明，以揭示客觀世界未知規律或以求知為目標的理性探索和普遍規律的概括以及實證的、定量研究的方法，孕育和推動著現代科學與技術的發展，催生了物理學一次又一次的巨大變革。這種「認識世界」的探索研究儘管一開始並不能顯示出其社會經濟的潛在價值，然而經過必要的積累和發展，一旦轉化為「改造世界」的實踐時，就能開闢出嶄新的工程與技術領域，為人類的生存和發展開拓新的空間，創造新的需求。

以核物理與核工業為例，從1896年貝克勒爾發現放射性，1905年愛因斯坦提出質能關係公式開始，1911-1932年間盧瑟福和玻爾等解決原子結構的理論模型，查德威克發現中子的存在和海森堡等提出原子核的中子質子模型。當時人們並不知道認識核的結構對人類社會會有什麼用，也不知道怎麼去變革原子核。後來，居理夫婦發現由核反應產生的人工放射性，哈恩等發現原子核的裂變與聚變，直到費米領導建成第一個鏈式反應堆等，前後經過四十餘年和大量科技人員的努力，終於掌握了利用原子核能的規律，結果極大地改變了人類社會的能源結構，深刻地影響著人類社會經濟的發展。

另一方面，物理大師們在探尋規律和追求真理的過程中凝結起來的科學與人文精神以及在研究所匯集的智慧結晶，成為促進人類思想的一次又一次解放，不斷豐富和發展引導人類走向更高文明的先進文化的重要動力。我們要發展現代科學，該向發達國家學習的正是這些精髓。

物理學上接踵而來的偉大變革深刻地轉化為18世紀以來的多次技術革命，包括機械化、電氣化、電子與通訊技術、原子核科學技術以及雷射科技等的飛速發展，引起了生產力與生產方式乃至價值觀念的巨大飛躍。這些變革發生在清朝的康乾盛世之際，卻未引起當時政府的任何覺醒，這就使西方的經濟與科技能力，逐步從落後變成先進，以至於大幅度地超越中國。

中國近代物理學的歷程

中國近代物理學的發展不如西方，一方面因為長期的封建統治不利於「求真唯實」的近代科學的萌發,「閉關鎖國」又阻止了西方近代科學的傳入;另一方面也因為我國的傳統文化比較講究實用,缺乏科學探索和建立理性思維體系的動力。

令人遺憾的是,近代科學並沒有起源於先前經濟科技發達的中國，中國近代物理學的起步比西方晚了200多年。其中深刻的原因十分複雜,需要歷史學家從各個角度仔細研究才搞得清楚。一方面可能在長期封建統治下的倫理道德與文化觀念，包括「君君、臣臣、父父、子子」，「唯君是從」，「唯古是尊」等等，不利於講究「求真唯實」的近代科學的萌發；加上清代「閉關鎖國」的政策又阻止了西方近代科學的傳入。另一方面我國的傳統文化比較講究實用,缺乏科學探索和建立理性思維體系的動力也可能是其中的原因之一。我們往往講「學以致用」講得很多，而對「學以致知」講得不夠。這樣的文化可以有利於技術研究的開展，卻不足以推動科學探索的發展。結果我國不乏優秀的技術發明，但往往止步於其應用上的成就而很少形成系統的科學理論。儘管科學研究與技術研究在形式和方法上並沒有什麼不同，但技術研究的動機全在於應用，而基礎科學則代表著一種探索，其目標在於揭示和認識客觀世界的基本規律；它的動機是求知、求真，對客觀真理的追求。

「落後就要挨打」，中國科技大幅度地落後，形成了前所未有的被動挨打的局面。1840年的鴉片戰爭和後來1894年中日甲午海戰中國都以慘敗告終。這些慘痛教訓，激勵國人「興學救國」，開始以譯書、建學、派遣留學生等方式向西方學習現代科學技術。我國正式用物理學作為Physic的學名也是於1900年從日文翻譯的「物理學」出版開始的。

然而那時的學習還只停留於「西學為用」的層面上，沒有深入到學習先進的科學與人文精神與先進的文化觀念中去。1919年的「五四」運動高舉「科學、民主」的大旗，才真正開始發展中國的近代物理和近代科學，成為中國人民摒棄陳腐思想、制度，爭取民族獨立解放，建立新中國的重要組成部份。

當時許多人在西方留學完成學業之後，立即返回苦難深重的祖國，發展教育，培養青年人才，並逐步開展中國物理學的研究。1919年我國首次在北京大學設立「物理學系」，開設完整的本科課程和實驗。之後清華、南京、東南、中央等大學先後建立物理教育中心。1930年前後，全國有20多所高等院校設物理系。其中北大、清華、浙大、中大、燕京等若干大學等已開展物理學研究。

1928-1929年間，中央研究院物理研究所也先後於上海和北京成立。1930年左右，全國的物理學工作者發展到三百人左右。

中國物理學界還積極地與西方物理學界建立了廣泛聯繫。著名物理學家愛因斯坦在1922年底、1932年初兩度來上海訪問，朗之萬、狄拉克、玻爾等著名科學家也先後來華訪問。1931年保爾・朗之萬在北京建議中國物理學工作者聯合起來成立中國物理學會並參加國際純粹與應用物理學會聯合會IUPAP。正是在這樣的背景下，在日軍侵華前夕，中國物理學會於1932年8月23日在清華大學正式成立。中國物理學會成立之後，即為發展中國的物理學努力奮鬥，學會堅持不渝地每年舉行一次年會，堅持出版物理學報，論文用英、法、德三種文字發表，附以中文摘要，做了大量的工作。

1937年7月7日日寇在盧溝橋發起侵華戰爭。八年抗戰中，各地區的教育和研究機構被迫西遷到四川、雲南、廣西、貴州、陝西等地區，在極端艱難困苦的條件下，堅持物理教學和研究，從未停息。在海外從事前沿研究的愛國學者也不斷回國工作,竭盡全力使中國物理教育達到先進水平。周培源關於湍流模式理論的奠基性工作、王淦昌提出的中微子探測方法、吳大猷的《多原子分子結構和振動光譜》專著、王竹溪和湯佩松關於植物細胞水勢的研究等，都是當時具有國際影響的成果。西南聯大等校還培養出以楊振寧、李政道、黃昆等為傑出代表的一批優秀學者。抗戰期間中國物理學會堅持開了六次年會，出版了六期學報。1942年還開報告會紀念牛頓誕生300周年。這些努力為近代物理學在中國的發展培養了人才，奠定了基礎，先輩們艱苦創業的精神令人欽佩。

新中國成立之後,我國物理學家在黨和政府的領導下，建立起完整的物理學教育和研究體系,在數十所大學設立物理系，物理學教育的規模和質量空前提高，各大學物理系每年招生的數目，遠遠超過解放前各大學物理系所有在校學生的總和；還建立了幾十個與物理有關的專業研究院所，從事物理學基礎和應用研究。當時在國外的一大批中國物理學者，周培源、趙忠堯、錢三強、何澤慧、王大珩、胡寧、黃昆、朱光亞等相繼歸來，他們和留在國內的老一輩物理學家相結合，大大增強了中國物理學隊伍的實力。

五十年代後期，許多優秀的物理工作者，堅決服從國家需要，放棄自己熟悉的專業，投入到「兩彈一星」的研製工作中去。他們和其他方面的專家、幹部、工人及解放軍指戰員一起，在當時國家經濟困難、技術基礎薄弱和工作環境十分艱苦的條件下，依靠自主創新，用較少的投入和較短的時間，突破了原子彈、氫彈和人造地球衛星等尖端技術，取得了舉世矚目的成就。

1999年9月18日中央決定表彰為研究「兩彈一星」做出突出貢獻的23名科技專家並授予「兩彈一星功勳獎章」，其中物理學家有王淦昌、鄧稼先、錢三強、郭永懷、于敏、王大珩、朱光亞、吳自良、陳能寬、周光召、錢學森、程開甲、彭桓武等13人。他們是中國優秀物理學工作者的代表，也是中國物理學工作者的楷模。我們要學習他們愛國奉獻的精神和高貴品格！另一方面，從他們的貢獻中我們既看到了物理學的發展對加強國防建設和提高綜合國力競爭的重大意義，也看到了物理探索與需求牽引相結合對發展科學技術和國防安全的重要作用。

例如，為了製造原子彈，我們從教科書上就知道，必須使裂變材料達到臨界體積，發生鏈式反應才能爆炸。但用什麼方式來達到？怎麼來提高爆炸的威力？這些都是高度機密的問題，誰都不會讓你知道。這裡涉及裂變物理、中子物理、爆轟物理、高壓物理、流體物理等一系列複雜的物理問題。我們只能在沒有任何設計資料和關鍵數據的條件下，靠自己的智慧，通過物理分析，來進行物理設計和研製。那時候，在彭桓武先生的領導下，周光召等理論物理學家，為了確定設計中的一個疑點，就用理想條件下炸藥爆炸的最大功從頭進行計算，經過反覆9次仔細計算最後終於實現並確認了總體設計。1964年10月16日中國原子彈爆炸成功了。這是自主創新取得的一次重大勝利！1960年，前蘇聯毀約撤走專家時，曾有專家斷言中國人20年搞不出原子彈來，結果我們短短四年就成功了。爆炸成功後，美國人通過塵埃測試不得不承認中國採用了先進的內爆型設計技術。我們依靠自主創新在物理上解決了熱核點火和自持燃燒的關鍵。在原子彈爆炸兩年零兩個月之後又成功地突破了氫彈的研製，創造了核武器發展的最快速度。我們之所以能這麼快和好的掌握核武器，除了有黨中央的英明決策之外，最重要的是有像鄧稼先、郭永懷等一心獻身祖國的科學家。

從左到右：楊振寧、李政道、吳健雄和丁肇中。在現代歷史上，中國的物理學家開始在世界上展現才華。

改革開放以來，科教興國的戰略為物理學在中國的發展提供了新的機遇，注入了新的活力。首先是國家大幅度增加了對科技和教育的投入，包括建立國家自然科學基金資助自由探索，啟動「863」計劃、攀登計劃和「973」計劃，結合國家需求推動前沿物理研究。實施「科教興國」的戰略以來，年均科研投入的增長在22%以上。為了加強青年人才的培養，國家在發展高等教育規模的基礎上，建立學位制度，強化了高層次人才的教育，還通過設立「國家傑出青年基金」、資助創新團隊等其他舉措，培育高素質科技創新人才。1993年來，物理學科上已有4500餘人獲得博士學位，150餘人獲國家傑出青年基金，資助總額1億元，還有7個物理學的研究團隊獲「創新群體」資助。

與此同時，國家還以較大的經費力度先後建造了一批物理學的重大科學工程（如正負電子對撞機，同步輻射裝置、重離子加速器，用於核聚變研究的託卡馬克裝置等）和一批國家重點實驗室。這些重大舉措為加快中國物理學趕上世界先進水平的步伐奠定了堅實的基礎。

國家「科教興國」戰略的實施和中國物理學會各方面的努力,為中國物理學的大發展創造了極為有利的環境和條件，在物理學的各個領域都出現了空前良好的發展勢頭。在國際重要期刊上發表文章的數量迅速攀升。

國家大型科學工程上做出了諸如t-輕子質量精密測定、新的放射性核素，包括超重核素的合成、利用同步輻射光分析確定SARS病毒的結構等一系列為我國在世界同行中佔有一席之地的工作。物理的各個領域包括理論物理、雷射物理、微結構物理、高溫超導、晶體生長、X-光結構分析以及碳納米管等，都有一批高水平的工作。如上海光機所徐至展等發展了基於OPCPA的太瓦雷射裝置，他們還用超短超強雷射與大尺度原子和分子團簇作用產生了高能離子（如1.3MeV氮）。更加令人欣喜的是，近年來，我們有一批中青年科學家，在前沿領域，做出了不少在國際上有較大影響的工作。如在量子信息方面，中國科大潘建偉小組，創造了在13公裡內自由通訊的紀錄；中科院物理所薛其坤等在納米超導體方面發現了量子尺寸效應導致的金屬薄膜材料的奇異超導性質――超導轉變溫度隨薄膜厚度的振蕩現象等等。這些工作既體現了我們新一代物理工作者的活力，也展示了中國物理學進一步發展壯大的潛力。 

中國物理學的展望

面對新一輪物理學革命的湧動，我們務必把握好機遇有所作為，大幅度的提升自主創新能力，實現物理科學的繁榮和發展。這是全面建設小康社會，實現中華民族偉大復興的必然戰略抉擇。

應該承認，目前中國的物理學總體的水平離國際水平還有較大差距。我們在主流方向上還缺乏有重大影響的工作，所發表的文章，「量」上去了，「質」還有待提高。以投到美國PR系列期刊文章的錄取率為例，我們是20%-30%左右，而國際平均為60%。這說明中國的物理學要趕上世界先進水平還有相當長的路要走。我們發表的文章中實驗的可重複率，國際上通常是90%，據說我們只有30%-40%。說明工作做得還不深不透，急於求成，急功近利，有浮躁情緒！從量的擴展到質的升華是一個飛躍的過程，我們只有遵循科學的規律才能跨越到先進的彼岸。

進入新世紀以來，物理學面臨著新一輪革命的孕育與湧動。一方面，物理學對客觀世界的探索與認識不斷向新的深度和廣度拓展。從基本粒子的微觀世界、納米尺度的介觀世界到星系的宇觀世界，從飛秒瞬間到宇宙時標，從生命起源到人類的自我認識，日新月異，異彩紛呈，永無止境。

丁肇中教授，把在不同尺度研究上獲得的成果與應用以時間為參數標出來時，就得到了不同高度的金字塔的圖形。1900年宏觀（~m）尺度上力學、熱力學、光學和電磁學等基礎研究，帶來了蒸汽機、航空工程、無線電、電視等的發展；1920-1930年10^-10m原子尺度上原子和量子物理帶來了半導體、X-光、計算機、雷射、超導等的應用；1940-1950年10^-14m原子核尺度上核物理的基礎研究帶來了核技術、同位素技術及反應堆和核武器等應用。1900年10¹¹m尺度天體、彗星和潮汐等基礎研究帶來了氣象衛星、載人空間站等應用；1930年後恆星系和宇宙線的研究推動了導航技術等應用。這正說明了基礎研究是技術應用的源泉，同時人類向微觀和宇觀世界的研究隨著時間不斷深化、不斷提出了許多新的問題等待人們去回答。

例如大家所熟知的氦原子有兩個價電子和一個由兩個質子和中子所組成的核。那麼中子和質子是由什麼東西構成的呢？近代粒子物理的研究得出的標準模型又告訴我們，核內的中子和質子都是由電荷為1/3或2/3個的夸克子構成。夸克子和電子都是半徑小得幾乎測不出來（r＜10^-17cm）的所謂費米粒子家族的成員。電子可以自由出現，可是夸克卻被禁閉在核子中出不來，這是為什麼呢？

粒子物理研究告訴我們，這個體積≈0的家族有三代輕子和三代夸克子和它們的反粒子。他們是迄今所認識到的尺寸最小的粒子，其體積為零。如果用半徑來衡量它們的尺度的話，r＜10^-17cm。並被認為是構成自然界的最小「基本」單元。(每種夸克還有三種顏色，所以總共有48種粒子)，但是世界上為什麼只有這6類最小的粒子？它們內部還有沒有構成這些粒子的更小物質？這些粒子是怎樣產生的？夸克子是怎樣被禁閉在質子或中子裡去的？於是科學家就得從宇宙的起源中去找。

大爆炸宇宙模型

歐洲粒子物理研究所

現有的宇宙起源的理論告訴我們，我們的宇宙是通過大爆炸之後形成的。大爆炸的瞬間產生大量的光和熱，在爆炸後10

^-37

秒內，溫度高達約10

²⁸

-10

³²

K，宇宙接著以指數形式急速膨脹，除了大量的光子之外，湧現了夸克和反夸克、介子和反介子、中微子和反中微子、膠子以及與攜帶弱作用力W和Z等粒子，到了10

^-11

-10

^-10

秒，溫度降到了10

¹⁵

K，可能一種稱為暗物質的東西殘留下來了，到了0.1-10微秒左右，溫度降到10

¹²

K，夸克與膠子的速度大為降低，開始有機會黏連在一起形成夸克-膠子等離子體，到了約10微秒左右，就被他們之間的強作用力，禁錮在一起形成核子（質子、中子）等強相互作用的粒子，100秒時，溫度降到10

⁹

K，元素核合成開始，氦和其他小質量的輕核形成；30萬-40萬年後，溫度進一步降到3千-4千度，許多中性原子形成了；大約10億年後溫度降到15K恆星系形成；120億年之後出現了今天的宇宙，溫度為2.7K。

為了模擬和研究大爆炸，在美國相對論性重離子加速器上，將每個核子都加速到100GeV以上的，由於相對論的效應，兩個金離子迎頭相撞前，由於相對論的效應，壓扁成質子和中子的超薄圓盤，使超過20萬億電子伏特的能量傾注到萬億分之一的微觀火球之中，使溫度升高到足以使核子熔化（5萬億度以上），足以使夸克粒子解放出來形成夸克-膠子等「離子體」，然後在10^-23秒之後，又重新結合大量核子和其他強子（p介子、K介子等）向外飛出。這個微型的大爆炸實驗似乎在一定程度上部分地重現了現有宇宙起源的理論，但看來所出現的新問題比原來更大。例如：

我們的宇宙的大爆炸究竟是如何產生的？大爆炸前的物質狀態究竟又是怎樣的？大爆炸點究竟發生了什麼？其基本規律是什麼？

在對宇宙的實際觀測中發現了暗能量，它是由負的壓力形成的，它可以使物質質量全部消失，完全轉化成能量。這種暗能量佔了宇宙構成約3/4,還有23%的暗物質，也是我們所不知道的一種物質，結果我們所認識的物質還不到總量的5%。

由於在金-金對撞的實驗產生夸克-膠子等離子體研究中，也發現類似暗能量的現象存在。李政道先生認為因為暗能量，我們的宇宙之外有很多的宇宙，「天外有天」，他還相信核能也許可和宇宙中的暗能量相變相連，李先生稱之為「核天相連」。

在諸多領域湧現出現有知識理論體系所不能解釋的實驗現象和觀測事例，包括暗物質、暗能量等，釀成物理學上空的「一團烏雲」。

歷史上對於被稱為20世紀物質科學大廈上空「兩朵烏雲」的黑體輻射譜的「紫外災難」和光速不隨運動參考系而變的實驗,催生了量子論和相對論，形成人類新的時空觀、運動觀和物質觀。今後對於這「一團烏雲」的最終認識必將對整個自然科學和哲學發生難以估量的影響，說明今天的挑戰將推動新一輪革命，並轉化為明天物理學上的又一嶄新的一頁。

不僅物理自身的發展中引發的種種挑戰推動著新的革命的湧動，物理學各領域之間、物理學與其他學科各種跨學科的研究，特別是生命、信息科學的崛起和近年來興起的納米―生物―信息―認知技術的匯聚都呼喚著物理學發展新的思想、新的理論和技術以及研究的方法論的新突破，包括微觀研究與宇觀研究相結合，還原論與整體論相結合等。

同時人類社會在可持續發展上所面臨的嚴重挑戰，包括能源、生態與環境保護、人口健康和自然災害預測等也都要求物理學在更大的範圍上為這些問題的解決提供科學基礎。這一切挑戰都將推動新一輪物理學革命的孕育與降臨。

對於未來的物理學革命，大家都處於探索階段，站在同一個起跑線上。誰抓住了機遇，在知識和科技創新上佔有優勢，誰就在發展上佔據主導地位，掌握未來社會經濟發展的先機。歷史上我國曾喪失上世紀物理革命的機遇，有過沉重的深刻教訓。當代的物理學已經成為整個現代科學與技術的基石，是發展信息科學、生命科學、材料科學、能源科學以及空間與地球科學等學科的重要基礎，也是現代前沿技術包括納米技術、生物技術及計算機技術等的先導和源泉。物理學的教學也已成為現代教育，培養高素質創新性人才的重要組成部份。總之，物理學的發展已成為提高國家自主創新能力和國家綜合核心競爭能力的一個重要陣地。面對新一輪物理學革命的湧動，我們務必把握好機遇有所作為，大幅度的提升自主創新能力，實現物理科學的繁榮和發展，從根本上擺脫來自發達國家在科學和技術方面的巨大壓力，躋身世界強國之列。這是全面建設小康社會，實現中華民族偉大復興的必然戰略抉擇。

當今我國國家領導反覆強調要把推進科學與技術的自主創新擺在全部科技工作的突出位置，作為一項戰略，貫徹到現代化建設的各個方面。國家中長期規劃也明確要按照「自主創新、重點跨越、支撐發展、引領未來」的方針，高度重視和加強基礎和前沿技術研究。通過國家中長期規劃戰略研究，我們認識到物理學這樣的基礎研究必須走「學科發展推動與任務需求牽引相結合」雙力驅動的路子，以2020年全面建設小康社會的客觀要求為目標，先期進行人才優先培養和基礎研究經費超前投入的部署，營造育人、用人的良好環境，以加快智力資本的發展和積累。與此同時，我們還要弘揚求真、求知,追求真理的科學文化；提倡愛國奉獻、團結合作的精神，推動平等的學術批評和爭論和寬容失敗的文化氛圍，鼓勵年青一代站在巨人的肩膀上挑戰權威。

通過歷史的回顧，我們清楚的看到了我們民族高度的智慧和創造能力，也看到了物理界的先輩們為中國物理發展的那種不畏艱險、愛國奉獻、堅忍不拔、求實創新的精神。這些是我國物理界的最寶貴的財富。我們一定要在國家科學發展觀的指導下，努力營造唯真求實的氛圍，繼承先輩們獻身科學、開拓創新的精神，蕩滌一切消極因素，充分發揮中華文化固有的智慧和創造能力，肩負起繁榮中國物理學，趕超世界先進水平的重任，努力使我國從一個物理學的大國變成一個的物理學的強國！