题 目:百年物理学的启示
时 间:2005年5月31日
地 点:中国科学院研究生院礼堂
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庆祝中国科学院学部成立50周年
——“走中国特色的自主创新之路”系列活动
报告人:全国人大常委会副委员长,
中国科学院院长路甬祥
第四,物理学包括其他的自然科学,都需要数学语言。因为数学是对数与形的简捷的概括和优美的表达方式,所以物理的规律,往往需要用数学语言来表达。
近代物理学的书写语言几乎都是数学,德国天文学家开普勒用代数方程总结出了行星运动的三定律,被誉为世界第一位数学物理学家。意大利物理学家伽利略以几何学方法论证落体运动定律,牛顿力学的三定律,用最简单的代数方程来表达的,树立了近代科学成功的里程碑。18世纪天体力学主要进展也多数是靠数学方法取得的,19世纪实验开始上升为物理学的重要方法,实验物理学的数学化成了19世纪物理学的特点,革命导师马克思曾经认为,只有当一门科学成功地运用数学才可以认为是成熟了的学科。但是,现在马克思的这一结论,还需要在生命科学领域得到证实,因为生命科学尤其是到了分子生物学这个阶段,目前还没有一个统一的、成熟的数学方程可以概括它的规律,也许人们还没有走到这一步。在20世纪,物理学与数学的紧密关系,远非其前三个世纪所能比,并且越来越显示出数学与物理的内在的一致性。比如非欧几里得几何学与广义相对论,比如希尔伯特空间与量子力学,微分几何学与规范场论之间,似乎当代的一些新的物理理论出现的时候,都能够找到数学工具,或者是创造新的数学工具,来为之服务,来描述。因此我们可以认为,物理学不仅使数学家面临大量新的数学问题,而且从某种意义上也能够引领数学家朝着起先还梦想不到的地方前进。物理学家狄拉克和费曼提出了路径积分与泛函的内在联系,使得费曼积分的严格数学成为21世纪重要的数学问题之一。统计物理学与概率数学的内在联系,逐渐使得相变数学理论成为统计物理严格数学基础的核心问题之一。这仅仅是两个例子,我们认真去研究物理数学的对应关系,还可以找到很多。
今天我们应对生命科学的数学化还要有充分的思想准备,数学与生命科学之间的关系,虽然现在看来,并不紧密,但是我相信,必将随着理论生物学的成长而变得越来越密切。也许我们的后代,能够为复杂的生命现象找到简捷而美妙的数学描述方法。不仅生命科学要善于利用那些为描述生命现象提前准备了的数学工具,这在历史上也是有的,数学家也要沿着生命科学提出的那些过去的数学还未曾梦想到的方向努力。所以这就需要生命科学家在研究工作当中,积极主动的邀请吸引理论物理学家和数学家去参与,也要求理论物理学家和数学家积极主动地关心和参加到生命科学与认知科学研究当中去。
另外一方面,数学与物理的结合一个重要标志是电子数字计算机,我们不妨看看,计算机理论发展的历程,1936年英国数学家图灵提出机械计算机模型。这可以认为是本来需要人脑所进行的计算过程,有可能依靠机器来进行。1938年,香农提出用布尔代数分析复杂的开关电路,这当然应该是当代计算机的一个数学基础。1940年,美国数学家维纳提出,自动计算机应该采用电子管的高速开关组成逻辑电路,以进行二进制加法和乘法的数字运算。维纳的贡献,就是把香农提出的二进制方法找到了物理模型来实践,高速开关电路,包括他的计算器,也是两种状态的计算器,一直沿用到现在仍然是主流。1945年匈牙利出生的美国数学家冯诺依曼提出了计算机应该有内存预制的,而且可编的程序,就是说计算机不光要有运算器,要有集成器,而且还应该有一个可编程序系统,从而完善了当代计算机的理论框架。
在这些思想指导下,人们研制出数字电子计算机。电子计算机经过了电子管、晶体管、集成电路等各阶段,发展成为能为广大公众普遍运用的PC电脑。电子计算机是一种延扩大脑的机器,它是数学与物理结合的产物,而它的产生又对数学和物理学产生巨大的影响,不仅是数学和物理,对所有的人,包括自然,乃至于经济社会,产生出了物理学的数学实验,我们有理由期待数学与生命科学结合的生物计算机的出现,并且通过它来理解人的大脑的运作等诸多生命活动复杂的规律,这些至今人们还不太清楚。
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