今天我和大家谈论的题目，叫做“加速的科技应用”。

20世纪人类生产力猛增，大家有目共睹。这个猛增的动力来源于物理学、化学、生物和医学的一些世纪性进步。今天我只讨论物理学对人类生产力猛增的贡献。

我们先看19世纪。虽然近代科学从牛顿就开始了，可是起步后发展很慢，比如力学走过整个18世纪才成为一门相对完善的学科。今天看来，19世纪是一个关键的世纪，这个世纪大大地扩大了近代科学的发展，这其中一个最重要的发展是对电磁学的了解。

电磁学发展大概可分两个阶段：

在18世纪甚至于17世纪以前，中国和西方都对于“电”和“磁”有些初步的认识。关于电和磁，一个关键性的发展是在1820年，一个叫Orsted（奥斯特）的丹麦人 ,他第一次发现“电”和“磁”是有相互联系的，在那之前电就是电、磁就是磁，电的表现如脱毛衣时有一些火花、天上的闪电等等，磁是更早就知道。可是第一次知道他们之间有着密切关系，是在1820年，Orsted发现电流可以影响周围的磁铁。那个时候已经可以做出简单的蓄电池，Orsted发现用蓄电池产生电流时，电流旁边的指南针会动，第一次了解到原来这两个很稀奇的现象是互相关联的，这个发现具有决定性的影响。当时欧洲很多国家的学者都在拼命研究这个现象，其中有很多大科学家，如安培，今天电流的单位就是以“安培”命名的。

第二个大发展，是1831年Faraday（法拉第），他基本上没有受过正式的学术训练，所以他基本上不懂数学。他有好几厚册的研究报告，但里面没有一个公式，因为他没学过数学。可是他有很多的直觉，他把Orsted的发现拿来做反复的研究，之后他发现了一个基本的现象，西方叫做Electromagnetic Induction，中国叫做电磁感应。这个发现的重要性显而易见，现在的发电机之所以能发电，就是应用了他的发现。

杨振宁院士题写参观三峡工程感言 摄影/刘华

法拉第日记（1831年10月17日）中的绘图。它显示了一个线圈连接到电流计的螺线管，将磁棒移入和移出螺线管会产生电力。

发电最早是用了简单的线圈，这里有一张图（下图）是一个线圈，里头放了一个磁铁，Faraday发现单是这样放着，线圈中没有电流，可是把磁铁向里面推或向外拉的时候就会产生电流。因此Faraday发现动的磁铁会产生电，这个叫做Electromagnetic Induction。这就是今天发电的基本道理。

Faraday反复研究，有了重大的发现。他把有些东西定量了，可是他不会写成公式，尤其重要的是他引进了一个重要的观念，是他自己也讲不清的几何观念，他用种种的语言来描述这个观念，人们多多少少可以感受到他的观念，但是发现有时候是前后矛盾的，因为他无法用公式准确描述。比如，他觉得动的磁铁和它产生的“电”，是在垂直的方向，他有这个几何直觉，但是无法用公式写出来。

1865年， Maxwell（麦克斯韦）来了，这个时候的Maxwell很年轻，差不多十年前他在英国剑桥大学毕业了，他给Thomson（威廉·汤姆森，后来被称为开尔文爵士）写了一封信。当时Thomson在学界远比Maxwell有名，他比Maxwell大6岁，但是他已经是大学教授了。Maxwell在信上说，我很想了解电是怎么回事，你可否告诉我要看哪些书。这封信现在留下来了，可是Thomson给 Maxwell的回信找不到。不过我们可以猜想，Thomson给 Maxwell回信说你去查我的某某篇文章，这篇文章里面引进了一个方程式:磁场H=▽×A，A即是电磁式。

杨振宁院士参观三峡工程后题写的感言 摄影/刘华

1865年，Maxwell发现这个A就是Faraday想要找到却讲不清楚的观念。研究这段历史多年后，我认为这是个真正的巨大发现，它使得Faraday的不能用数学表示的直觉，清楚地数学化了。过了几年，Maxwell写出了一组方程式，这组方程式有二十三个方程式，现在我们看到的四个方程式，是他的二十三个方程式简化，概括了里面的基本精神。这对是人类历史是非常大的贡献。

Maxwell写出方程式后，用数学的方法计算下去，得出一个结论，就是应该存在电磁波，而且电磁波的速度可以算出来。当时已经有人把光的速度测出来了，Maxwell把他算出来的电磁波速度和已知的光的速度对比，发现二者很接近。于是他大胆地推测光就是电磁波。在人类历史上这一发现，无论是从知识方面、还是应用方面来说都是极大的发现。我曾在一篇文章中写到：“Maxwell是一个虔诚的基督徒，不知道他有这个发现后，是否向上帝忏悔，因为他把上帝一个最重要的秘密展现给人世”。但是电磁是否有波，在Maxwell的有生之年，没有做成实验，因为那时候电流还很弱，没人能做出这个实验来。

在1887年Maxwell去世以后，一位叫Hertz（赫兹）的德国人，做成了这个实验，Hertz让一个很小的线圈里面有电流，旁边又放一个线圈，结果发现旁边的线圈有感应。这是人类第一次知道电磁波可以制造出来，并且可以传递信息，今天的网络就是这个发现的扩充和补充。

是这些电磁的发展引导出来整个20世纪的物理学。

这个影响有两方面，一个是理论方面，一个是应用方面。

20世纪物理学理论方面的发现基本上是以电磁学所引导出来的。首先是狭义相对论，这是1905年爱因斯坦所提出来的。他当时研究电磁传递在一个移动空间上的传递与地面上的传递有什么关系，他在26岁的时候大胆的写了一篇文章，就是现在说的狭义相对论。

又过了差不多十年，爱因斯坦把狭义相对论推广，变成了广义相对论。广义相对论和狭义相对论可以说是把电磁学本身的结构充分发挥了，可是这发挥后又出现了新的问题：“原子是什么结构？”当时已经知道了原子，是有一个原子核，周围有电子在转动。问题是电子在周围转的时候会有向心加速度，根据Maxwell的方程式，任何带电的东西加速度以后就会放射电磁波，电磁波放射出来后，能量就会降低。比如说一个氢气的原子，它的原子核即质子，旁边有电子在转，根据电磁学原理，这会产生电磁波放射，氢原子能量降低，轨道就会缩小，最后就会缩到原子核里面，所以所有氢气的原子都不会永久下去，而且能算出来它们在很短时间内就会被消灭掉。

这就产生了一个大的问题，就是量子力学，在20世纪的头三十年之间被解决了。量子力学有很多人在其中做了贡献，包括爱因斯坦等。量子力学的发展使得人类对于原子、分子的结构有了非常清楚地了解，并大量应用，比如激光。可以说没有量子力学的发展，就不可能有今天对于分子、原子的了解，那今天的世界就不会是现在这样子。

到了20世纪50年代，人们对原子、分子结构的方程式基本是知道的，但是这些方程式还没有完全。当 时，在50年代，我做研究生的时候，就要研究原子核的里面是什么？

对原子核内部结构的研究，产生出一个新的领域，是基本物理学领域叫做高能物理学，为什么叫高能，因为关闭在越小的空间里面，能量就越大。原子核里面的能量是外面的几千倍，这就是为什么原子弹的威力比炸药的威力大很多，因为炸药的威力是原子核外面的，原子弹的威力是原子核里面的。

最近这六七十年人们主要是研究这个领域，虽然没有完全解决，但是有了长足的进展，最后得出的结果叫做“标准模型”。大家可能在报纸上看到，2012年在日内瓦发现了一个粒子叫做Higgs（希格斯），这个发现对原子核结构有一个相当完整的了解。Higgs是个人的名字，他最早提出这个观念。

20世纪基本理论物理学的发展，其实都和电磁学的发展有直接的关系，标准模型中最基本的观念其实就是把Maxwell方程式推广。那么是否现在是什么都了解了，没有新的问题了？其实不然。又出现了新的问题，新的问题是不知道把引力拿来怎么办。

现在基本上知道，世界上所有力量分为四种：最弱的是万有引力，我们在日常生活就能知道引力的重要（原子之间也有引力，不过很小很小）。再次是弱力，即放射线。其次是电磁力。再后，是高能，也就是原子核力。

最弱的力量和量子力学的关系搞不清楚，今天仍然在研究，产生了一个新的领域叫做弦论，弦论搞了这么些年，在数学上有一些成功，但是跟物理现象关系不大，仍在继续研究。

以上大概描述了电磁学在20世纪在基本物理学所产生的影响。接着我们来讨论电磁学从20世纪一直到今天，在应用方面的发展。这个大概可以分为三类。

第一类的影响是电的生产和应用。当初Faraday的小线圈，与现在70万、100万千瓦的机组，是不可同日而语的。电的生产和应用之重要是无法具体描述的，不能想象没有电的世界现在是怎样的。

第二类的影响是电磁波。刚才我讲了是Hertz第一次证实电磁波可以制造，在这十多年后，意大利人Marconi真的做了一个无线电，可以短距离的传递信息。之后，到我出生的时候（1922年），无线电广播就已经有了，我读小学、中学的时候在北平，家里有小的收音机可以收听广播。到1960年代，我在美国时有了电视。这些都是用不同的波长、不同的方法利用电磁波传递消息。另一个重要的应用是Radar（雷达），雷达的发展是在二次世界大战的时候，美国为军事应用而发明的。雷达的影响极大，战后基于这发明的Nuclear Magnetic Resonance Imaging （核磁共振成像） 即MRI，对人类的健康有着非常大的贡献，是巧妙地用了电磁波。到了20世界末，电磁波发展到了网络，网络尤其是现在的智能手机，直接影响了每个人每一天的生活，所以电磁波发现的重要性是无法讲清楚的。而且，很显然它要继续发展下去。

第三类由电磁现象引发出来的对于应用有决定性影响的是半导体的发展。半导体是一九四七年战后发现的。在30年代的无线电用的是什么呢？是真空管。真空管是什么呢？通常是玻璃的一个管子，有三极管、四级管、五级管，通过这造出无线电通讯，以及后来的计算机。半导体的发展对于计算机有重大的影响。半导体怎么发现的？

奥本海默和冯·诺依曼

19世纪人们知道有传导体和绝缘体，在1949年左右，才发现有一种东西既不是Conductor（导体）又不是Insulator（绝缘体），是一种可以控制，可以是导体，也可以是绝缘体的东西，可以用来作开关，这是了不得的发现，因为这样一来真空管就被半导体代替了，而半导体可以做得极小极小。

这张照片（见上图）是1950年在Princeton Institute（普林斯顿高等研究院）照的，我当时是这个研究所的一个博士后，照片右边这位是Oppenheimer (奥本海默)，他是物理学家（1904年出生的），他曾经领导美国的原子弹工程，所以等到1945年原子弹成功爆炸以后，他立刻变成全世界最有名的学者。1950年他是这个研究院的院长，我在Institute（普林斯顿高等研究院）待了17年，在这期间他一直是院长，所以我跟他很熟。左边的这位叫做冯·诺依曼（全名John von Neumann）。后面是当时世界最大的计算机Johniac，冯·诺依曼的名字叫做Johnny，所以大家昵称这个计算机是Johniac，它极大把整个屋子都占满了。这个计算机是革命性的计算机，因为冯·诺依曼引进了一个基本的观念，叫做Stored Program Computer，在这之前最大的计算机叫做ENIAC，大的不得了，其程序，几千个步骤。几千个步骤怎样记到计算机中去？它是用几十个电话接线生，每一个前面都有一个交换机，几十个接线生，几千个程序，一个个插进去，需要花好几个钟头。

杨振宁院士与中华鲟研究所科研人员 摄影/刘华

冯·诺依曼说这个办法不好，应当把程序拿来当做数字，记到计算机中去。这个办法的好处是：如果根据计算觉得需要修改程序，那可以立刻修改。不像ENIAC，要修改程序，须要把电话接线生请来，是好几个钟头的事情。

用Stored Program Computer，程序指导了计算，计算的结果又改变了程序，这个循环不需要时间了，这是一个大的革命。今天所有的计算机都是这种存储程序的计算机。

现在回想一下，从Faraday的线圈到Marconi的原始无线电，到Johniac计算机，再到今天的智能手机：20世纪科学应用的发展远比19世纪快。而且，20世纪下半叶的发展又比上半叶快，发展是加速的。今后五年、十年、五十年会发生什么事情？我相信发展会更加速。