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           題 目:百年物理學(xué)的啟示 
           時(shí) 間:2005年5月31日
           地 點(diǎn):中國科學(xué)院研究生院禮堂

      慶祝中國科學(xué)院學(xué)部成立50周年
      ——“走中國特色的自主創(chuàng)新之路”系列活動(dòng)

      報(bào)告人:全國人大常委會(huì)副委員長,
      中國科學(xué)院院長路甬祥

        第四,物理學(xué)包括其他的自然科學(xué),都需要數(shù)學(xué)語言。因?yàn)閿?shù)學(xué)是對(duì)數(shù)與形的簡捷的概括和優(yōu)美的表達(dá)方式,所以物理的規(guī)律,往往需要用數(shù)學(xué)語言來表達(dá)。

        近代物理學(xué)的書寫語言幾乎都是數(shù)學(xué),德國天文學(xué)家開普勒用代數(shù)方程總結(jié)出了行星運(yùn)動(dòng)的三定律,被譽(yù)為世界第一位數(shù)學(xué)物理學(xué)家。意大利物理學(xué)家伽利略以幾何學(xué)方法論證落體運(yùn)動(dòng)定律,牛頓力學(xué)的三定律,用最簡單的代數(shù)方程來表達(dá)的,樹立了近代科學(xué)成功的里程碑。18世紀(jì)天體力學(xué)主要進(jìn)展也多數(shù)是靠數(shù)學(xué)方法取得的,19世紀(jì)實(shí)驗(yàn)開始上升為物理學(xué)的重要方法,實(shí)驗(yàn)物理學(xué)的數(shù)學(xué)化成了19世紀(jì)物理學(xué)的特點(diǎn),革命導(dǎo)師馬克思曾經(jīng)認(rèn)為,只有當(dāng)一門科學(xué)成功地運(yùn)用數(shù)學(xué)才可以認(rèn)為是成熟了的學(xué)科。但是,現(xiàn)在馬克思的這一結(jié)論,還需要在生命科學(xué)領(lǐng)域得到證實(shí),因?yàn)樯茖W(xué)尤其是到了分子生物學(xué)這個(gè)階段,目前還沒有一個(gè)統(tǒng)一的、成熟的數(shù)學(xué)方程可以概括它的規(guī)律,也許人們還沒有走到這一步。在20世紀(jì),物理學(xué)與數(shù)學(xué)的緊密關(guān)系,遠(yuǎn)非其前三個(gè)世紀(jì)所能比,并且越來越顯示出數(shù)學(xué)與物理的內(nèi)在的一致性。比如非歐幾里得幾何學(xué)與廣義相對(duì)論,比如希爾伯特空間與量子力學(xué),微分幾何學(xué)與規(guī)范場(chǎng)論之間,似乎當(dāng)代的一些新的物理理論出現(xiàn)的時(shí)候,都能夠找到數(shù)學(xué)工具,或者是創(chuàng)造新的數(shù)學(xué)工具,來為之服務(wù),來描述。因此我們可以認(rèn)為,物理學(xué)不僅使數(shù)學(xué)家面臨大量新的數(shù)學(xué)問題,而且從某種意義上也能夠引領(lǐng)數(shù)學(xué)家朝著起先還夢(mèng)想不到的地方前進(jìn)。物理學(xué)家狄拉克和費(fèi)曼提出了路徑積分與泛函的內(nèi)在聯(lián)系,使得費(fèi)曼積分的嚴(yán)格數(shù)學(xué)成為21世紀(jì)重要的數(shù)學(xué)問題之一。統(tǒng)計(jì)物理學(xué)與概率數(shù)學(xué)的內(nèi)在聯(lián)系,逐漸使得相變數(shù)學(xué)理論成為統(tǒng)計(jì)物理嚴(yán)格數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的核心問題之一。這僅僅是兩個(gè)例子,我們認(rèn)真去研究物理數(shù)學(xué)的對(duì)應(yīng)關(guān)系,還可以找到很多。

        今天我們應(yīng)對(duì)生命科學(xué)的數(shù)學(xué)化還要有充分的思想準(zhǔn)備,數(shù)學(xué)與生命科學(xué)之間的關(guān)系,雖然現(xiàn)在看來,并不緊密,但是我相信,必將隨著理論生物學(xué)的成長而變得越來越密切。也許我們的后代,能夠?yàn)閺?fù)雜的生命現(xiàn)象找到簡捷而美妙的數(shù)學(xué)描述方法。不僅生命科學(xué)要善于利用那些為描述生命現(xiàn)象提前準(zhǔn)備了的數(shù)學(xué)工具,這在歷史上也是有的,數(shù)學(xué)家也要沿著生命科學(xué)提出的那些過去的數(shù)學(xué)還未曾夢(mèng)想到的方向努力。所以這就需要生命科學(xué)家在研究工作當(dāng)中,積極主動(dòng)的邀請(qǐng)吸引理論物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家去參與,也要求理論物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家積極主動(dòng)地關(guān)心和參加到生命科學(xué)與認(rèn)知科學(xué)研究當(dāng)中去。

        另外一方面,數(shù)學(xué)與物理的結(jié)合一個(gè)重要標(biāo)志是電子數(shù)字計(jì)算機(jī),我們不妨看看,計(jì)算機(jī)理論發(fā)展的歷程,1936年英國數(shù)學(xué)家圖靈提出機(jī)械計(jì)算機(jī)模型。這可以認(rèn)為是本來需要人腦所進(jìn)行的計(jì)算過程,有可能依靠機(jī)器來進(jìn)行。1938年,香農(nóng)提出用布爾代數(shù)分析復(fù)雜的開關(guān)電路,這當(dāng)然應(yīng)該是當(dāng)代計(jì)算機(jī)的一個(gè)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。1940年,美國數(shù)學(xué)家維納提出,自動(dòng)計(jì)算機(jī)應(yīng)該采用電子管的高速開關(guān)組成邏輯電路,以進(jìn)行二進(jìn)制加法和乘法的數(shù)字運(yùn)算。維納的貢獻(xiàn),就是把香農(nóng)提出的二進(jìn)制方法找到了物理模型來實(shí)踐,高速開關(guān)電路,包括他的計(jì)算器,也是兩種狀態(tài)的計(jì)算器,一直沿用到現(xiàn)在仍然是主流。1945年匈牙利出生的美國數(shù)學(xué)家馮諾依曼提出了計(jì)算機(jī)應(yīng)該有內(nèi)存預(yù)制的,而且可編的程序,就是說計(jì)算機(jī)不光要有運(yùn)算器,要有集成器,而且還應(yīng)該有一個(gè)可編程序系統(tǒng),從而完善了當(dāng)代計(jì)算機(jī)的理論框架。 

        在這些思想指導(dǎo)下,人們研制出數(shù)字電子計(jì)算機(jī)。電子計(jì)算機(jī)經(jīng)過了電子管、晶體管、集成電路等各階段,發(fā)展成為能為廣大公眾普遍運(yùn)用的PC電腦。電子計(jì)算機(jī)是一種延擴(kuò)大腦的機(jī)器,它是數(shù)學(xué)與物理結(jié)合的產(chǎn)物,而它的產(chǎn)生又對(duì)數(shù)學(xué)和物理學(xué)產(chǎn)生巨大的影響,不僅是數(shù)學(xué)和物理,對(duì)所有的人,包括自然,乃至于經(jīng)濟(jì)社會(huì),產(chǎn)生出了物理學(xué)的數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn),我們有理由期待數(shù)學(xué)與生命科學(xué)結(jié)合的生物計(jì)算機(jī)的出現(xiàn),并且通過它來理解人的大腦的運(yùn)作等諸多生命活動(dòng)復(fù)雜的規(guī)律,這些至今人們還不太清楚。

       
        
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