原创 杨振宁 中国科协之声 北京
世界知名的物理学家，荣获诺贝尔物理学奖之人，身为中国科学院院士，同时还是清华大学教授以及清华大学高等研究院名誉院长的杨振宁先生，在2025年10月18日，因病于北京与世长辞，享年103岁。
最初由杨振宁、李政道等科学家倡议创办的中国科协会刊《科技导报》，与有着跨越半个世纪深厚联结的杨振宁和中国科协相关。
今天，我们特意选取杨振宁先生在1991年刊登于《科技导报》上的《二十世纪的物理学》这篇文章进行摘编，以此来表达缅怀之情！
二十世纪的物理学
杨振宁
美国纽约大学石溪分校理论物理研究所所长
在二十世纪刚开始的时候，在经历了长时间的努力准备以后，有着勃勃雄心的“人文与科学大会”最终在美国名叫圣路易斯的地方召开了，那个时候是1904年9月。大会是跟圣路易斯博览会联合举办的，用来庆祝美国具有历史性的对路易斯安那地区收购的百周年纪念，其目的在于回顾人类知识在人文以及自然科学各个不同领域的进步，还在于展望这些知识在二十世纪的发展。以大会主任同时身为博览会教育部门主管的罗杰斯（J.）所讲的话来讲，博览会跟大会是存在关联的，前者聚集了人类大脑以及手所产生的具体产物，后者乃是人类活动以文字形式呈现出来的表征。
时间处于新纪元之初，恰当之时举行了大会，在一个年轻的国度。那个时候预期，不出数十年这个国家会成为全球首屈一指的工业大国。并且二十世纪，会以加速前进的步伐，成为人类历史上科学知识累积最为丰富、生产力增长最为迅速的时代。如今，二十世纪快要结束了。回顾它过去九十年的进程，探究大会当年各类期望是否兑现，或许正是时候。
然而，我并非有意愿去承揽这具艰巨的工作，在本文之中我所要探讨的，仅限于一门学科，那就是物理学，于二十世纪，物理学。
引发了奇妙的观念 ，进而使得人类对于空间、时间、运动以及力 这几种基础概念认知有所改变。
——深入探索了物质内部结构的奥秘；
——通过技术进步为人类生产力带来了空前增长。
追本溯源
为了弄清楚物理学发展的背景情况，我们需要从早期开始说起，现代物理学起始于欧洲文艺复兴时期，哥白尼（其生活于1473 - 1543年）、第谷（他叫Tycho Brahe，1546 - 1601年）、伽利略（其生存于1564 - 1642年）、刻卜勒（他是1571 - 1630年的）以及牛顿（牛顿处于1642 - 1727年）等先哲展开了研究，因为他们付出了努力，使得力学和天文学这两门具备定量性质的科学得以构建起来，这两门学科在十八世纪以及十九世纪收获了巨大的成功。处于工业革命那个时期，凭借力学作为根基的好多新技术展现出了令人惊叹的效能，进而一种针对物质世界的机械观掌控了十九世纪的人们思想：大家都坚信，所有的运动能够运用数学方程式精准且充分地予以决定，而这些方程式便是微观以及宏观物质结构的理性基础所在。
与此同时，物理学于从力学开始发展，进而延伸至诸多其他全新物理现象的范畴，最终在十九世纪达成了以下三项堪称伟大的收获成果。
1.热力学的建立
这源于热力学第一定律与第二定律的发现，第一定律指出，当把各种各样形式的能量都纳入计算范畴之中的时候，它呈现出守恒的特性，第二定律表明，针对孤立系统来讲，一个被称作熵的物理量始终处于增值的状态，这个奇妙无比的物理量是克劳修斯（1822 - 1888）于1865年提出来的，他将其命名为熵，在于：
我觉得应当以古语去命名这些关键的科学量，如此一来它们能够不经过更改，直接被应用于全部现代语言当中。我提议将S量称作系统的熵，它是源自于希腊文的。
其所指意味的是变换，我创造出“熵”这个名称，乃是特意使之关联于“能”这个词汇，鉴于二者于物理层面的意义已然存在紧密关联，所以名称相近理应算是不错的。
2.法拉第——麦克斯威的电磁场论
最初，由麦克斯威（1831 - 1879）以方程式形式，在1855年至1865年期间，将这种理论表述出来。爱因斯坦曾如此形容它：“法拉第和麦克斯威的电场理论，可能是自牛顿以来，有着最深远转变的物理学基础”。
3.麦克斯威的工作，吉布斯（Gibbs，1839 - 1903）的工作，波兹曼（，1844 - 1906）等人的工作，共同促成了统计力学的建立。
因这些发展，物理学可精准地阐释诸多关乎机械、热、光以及电的现象，并且它的巨大成功反过来强化了那个时代盛行的、包含全部物质结构的机械观。
但是，延伸至十九世纪末尾的时候，众人都明晰地察觉到，哪怕那时已然知晓的物理原理，也就是往后被一概称作“经典物理学”的，其所占据的地位好似中天丽日那般显著，可实际上存在着不少令人困惑不解的新颖现象，比如说X射线、放射性之类的，是它没办法予以解释的。杰出的数学家庞加莱（亨利，1854 - 1912）于1904年在圣路易斯大会演讲之时，先是回顾了物理学的基本原理，紧接着逐条陈述这些原理所碰到的难以解决的全新难题，并随后觉得唯有舍弃它们：“满目皆是创伤之际，还有什么留存下来的呢？”。
不过，思想陷入绝望的深深谷底，常常便是另一场观念变革的序曲，实际上，在同一个大会当中，著名物理学家朗之万（Paul，1872 - 1946）是以这样的方式结束他的演讲的：“巨大的进展……（将会）打破旧物理学的架构……弄翻建立在现有思想以及定律之上的秩序，让物理学能够在一个简洁、协调、实用的体系里再度发展。”。
朗之万实在是再正确不过了！实际上，在1904年的大会过后不到一年，爱因斯坦（1879 - 1955），这位二十六岁的人，就发起了二十世纪物理学三项大革命当中的首次革命。这些革命，致使二十世纪变成概念进步最为迅速的世纪。
基本物理学的三次观念大革命
1905-1930
第一次观念大革命是狭义相对论，狭义相对论是1905年由爱因斯坦提出的，狭义相对论是有关空间和时间观念的基本革命，爱因斯坦并不是第一个探究这问题的人，事实上，在1905年之前已经被使用了几年的“相对性原则”这个名词，也不是爱因斯坦创制的，例如，庞加莱在1904年的大会发言中就有这么特别的一段话：
基于相对性原则，对于静止不动的观测者而言，物理现象的定律应保持一样，对于作匀速平移运动的观测者来说，物理现象的定律同样应当是一样的，所以我们没有任何方法来分辨自己是否在作这样的运动，并且也不可能存在任何方法来分辨自己是否在作这样的运动。
但在爱因斯坦之前的所有学者，其中包含庞加莱，都未击中问题关键，也就是时间上的“同时性”这一概念自身是相对的。在这之前的学者，像数学界的庞加莱以及物理学界的洛伦兹(1853 - 1928)等，确实都提出过不少有见解的想法，甚至还写下了如今称作“洛伦兹变换式”的极其重要的数学变换式，然而他们却全都没能明白他们自己的讲话以及自己的算式的真正物理意义。例如，当我们掌握了爱因斯坦的观点之后，那么不管从哪一个角度，去看上面所引庞加莱的一段话，它都是绝对正确的。然而在1904年，庞加莱还未曾掌握这个新观点。所以，就像他后来在1909年的讲话所显示的，他并不了解自己1904年那番话的真义。
爱因斯坦提出的，那个名为“同时性是相对概念”的大胆观念，让牛顿力学以及麦克斯威电磁理论增添了对称性，所以它们的结构进而变得更加美妙了。这一重要观念，我们下文还会再次谈及。
1905年，爱因斯坦发表了著名的狭义相对论论文，几个月之后，他就同一问题，再写了一篇相当短的论文，文中首次出现。
E=mc⊃2;
关于这条基本方程式，需要明确是物理学领域中，最为著名的方程式之一，就实践带来的影响来讲，其具备的威力绝对是最为庞大的。
1908 - 1915年间出现的广义相对论，引发了第二次观念大革命，其创始人是爱因斯坦。这是关于空间和时间观念的又一次重大革命。爱因斯坦证实，时间与空间是扭曲的，也就是弯曲的，并且时空曲率决定重力的物理效应。因爱因斯坦的理论，原本很复杂的重力，变成了能用极其美妙精简的数学方程来表达的几何概念。要想用日常言语充分描述爱因斯坦创造广义相对论时所体现出来的想像力的深广程度，是极其困难的。我只能说，有幸领略它的奥妙，是毕生难忘的经验。
第三次概念大革命，它被叫做波动力学，也就是量子力学，它是牛顿力学里运动以及空间这两个基本观念的重大修正。先前的两次革命基本上都是爱因斯坦他一个人发动完成的，量子力学可不是这样的，它是众多物理学家共同付出努力之后所取得的成果。先前的两次革命都和物理定律的理论结构存在关联，量子力学情况并非如此：在一九零零年到一九三零年这三十年艰难困苦的孕育时期，它原来的目的是用以解释当时新观测出来的原子、分子以及辐射等之类的现象的。技术进步在十九世纪后期出现，它打开了观测这些现象的大门，然而新现象随之而来，给物理学家带来了严重且不寻常的挑战。物理学家的反应是，运用一连串大胆、精彩切仍半明不白的观念，从不同角度出发，针对这些观测结果所形成的迷阵展开战术性进攻。
1900年，普朗克（1858 - 1947）有关“黑体”辐射的激进构想，揭开了这一页曲折且不寻常历史的序幕。普朗克是一位稳健且备受尊敬的理论物理学家，发表1900年的论文后，他就开始犹疑且逐步往后退却。然而年轻的爱因斯坦却觉得，正确方向是将普朗克的激进构想再往前推进一大步，是要比普朗克原先所走的更远。1905年3月，在发表狭义相对论论文以前，爱因斯坦撰写了一篇论文，提出光量子假设，认定物质所释放以及吸收的能，并非像过去一直坚信的那般是连续量，而是以“互相独立的能量子”hv作为单位的量，其中，h是普朗克于1900年提出的常数，v是光波的频率。佩斯(A. Pais)讲，在爱因斯坦所有的伟大贡献里，唯有这个假设连爱因斯坦自己都称作是“革命性”的。
然而它确实具备革命性，在1913年爱因斯坦已然成名之际，普朗克、能斯脱（）、鲁宾斯（）以及瓦尔堡（）联合签署提名爱因斯坦成为普鲁士皇家学院院士，提名函件的结束语是这般的：
总括而言，我们能够讲，现代物理学里诸多重大问题，没有哪一个爱因斯坦未曾有过重大贡献。即便他的猜测偶尔出现失误，比如说他提出光量子假设那般，我们也不该因此对他过度苛求，因为要是要引入真正的新观念，那么就算是对于精密科学来讲，有时不冒些风险也是不行的。
直到1925年之后，光量子假设才被物理学家普遍接受。
1913 年的玻尔（Bohr，1885 - 1962）模型是下一个重要发展，其做到了将普朗克常数 h 与原子结构相结合，这一卓越洞见开启一番凭借天才各自随机应变的时代，此时代是物理学史上前所未见的，显然，要解释大量令人迷惑的原子和分子现象需要发现一种崭新的物理学，这种物理学要能用于原子尺度，且它要与牛顿力学关于运动和空间那些牢不可破的观点相矛盾。当时冒出来的，那种大胆且半明不白的想法，一方面生出了和实验相契合的结果，这让人满心欢喜，另一方面却又引出了逻辑方面的矛盾，致使人们陷入绝望的深渊。物理学家奥本海默(,1904 - 1967)是在这段思想处于混乱状态的时代终结之后，也就是在1927 - 1930年期间，才成熟起来的。他后来如此追述当时的情形：
对于参加者而言，那是个具原创性的时代，他们所瞧见的全新天地，既引发兴奋情绪，又带来恐惧之感，这里面的情节，恐怕历史难以详尽记载，若真要凭借信史形式让其再现，那么得有描绘俄狄浦斯王或克伦威尔将军故事那般的精妙文笔才行，然而，一个与人类日常经验如此遥远的领域，恐怕并非诗人史家能够知晓的。
在1925年至1927年期间，量子力学取代牛顿力学成为解释空间与运动的物理原理，这些发展达到高潮，对于宏观事物，牛顿力学仍然适用，它也是量子力学准确的近似理论，但对于微观事物如分子、原子以及亚原子粒子等而言，牛顿力学不再适用，必需用量子力学，量子力学是分子、原子和亚原子尺度事物的物理学。其令人惊叹的发展主要归因于海森堡（1901 - 1976）、薛定谔（1887 - 1961）以及狄拉克（Dirac，1902 - 1984）这三位大师。量子力学得以出现 ，进而产生了极为深刻的观念变革：它将主宰十九世纪思维的机械决定论世界观予以铲除 ，它还借助奥妙 、复杂的思考 ，并且引进看似与常识相抵触的观念 ，以此来厘清所谓 “观测 ”的意义。
物理学的进展
1930—1990
在1930年往后，借助新的空间观念、新的时间观念、新的运动观念，以及伴随着新技术的发展，物理学针对物质内部结构的奥秘，展开了迅速的探索，展开了深入的探索，展开了广泛的探索。这些发展，在二次世界大战期间，对军事科技产生了重大的影响、明显的影响，并且因为如此，使得世界所有国家都急剧增加拨款，去支持各门科学研究，特别是物理学。
这种科学与社会之间的连锁式发展，无疑会成为人类历史上极为关键的一章。它有一个后果，即让二十世纪物理学发展的速度，相较于前几个世纪提升了一个数量级，而物理学研究者的数量，更是提高了好几个数量级。与此同时，物理学研究的对象也出现了明显变化。在十九世纪，物理学主要针对物质的整体展开研究，然而二十世纪物理学研究的，却是尺度小得多的物质。所以，我们通常把前几个世纪的物理学称作宏观物理学，将二十世纪的物理学叫做微观物理学。
总体归纳来讲，当下的物理学能够划分成四个范畴，分别是固体以及液体物理学，原子与分子物理学，核物理学，还有基本粒子物理学，其中基本粒子物理学涵盖基本理论。依照次序表述，这四种物理学所研究的对象是愈发微小的物质单元。除开部分固体和液体物理学之外，这四个领域所探寻的问题都是在十九世纪时闻所未闻的。
1.固体和液体物理学
对于物理学者的人数计数，或将刊行的论文篇数计列，它必定是四个领域里头的首位。它所研究的对象，就是固体以及液体，自然而然在前几个世纪就已经被大规模进行研究了，然而量子力学彻彻底底改变了这个领域，所以我们针对许多不一样形态的固体和液体的机械、热以及电磁性质，还有这些不一样形态之间的变换，均获取到更加深入的认知。这种认知又转而变成新物质以及发展新技术的根基。这些技术当中特别关键很重要的是晶体管，它的问世促使电脑和通讯业得以构建，而后者又反过来强有力地推进了科学进步。
存在着“科学—技术—科学—技术”这样的一种循环，它属于近代科学以及技术史里头的某个基本模式，不过其循环很是迅速，这是二十世纪所独有的现象，关于这一点，我们在下文还会提及。
当代固体物理学具备这样的个性质，那就是它所针对去研究的物体的尺度呈现出越来越细小的态势，这个方向的进展是极为惊人的，在二十世纪初期的时候，原子究竟存不存在还处于争论里面，然而到了今天我们已然能够拍摄下清晰可见的个别原子照片，当然了，这得借助特殊的显微镜，在最近期间的实验当中我们甚至都能够把个别原子捡起来，进而将其移动位置，以此来形成人工设计出来的图案，要去体会这种技术是多么的神奇，我们必须得牢记原子是那般的微小，在一根头发的直径之上，就能够排列下一百万颗原子。
2.原子和分子物理学
顺着二十世纪初期的传统，对原子、分子以及辐射所开展的研究，于1925年之后持续获取重大进展，其中有一个相当深刻的发现，竟是依据量子力学构建起了化学键的理论。这项成果，致使化学科学整体发生了改变。能够讲，化学的基础得以明晰了——也就是量子力学里的薛定锷方程式。而原子和分子的研究带来了诸多重大的技术突破，诸如微波激射器(maser)以及激光(laser)便是极为重要的实例。
如上文所讲，当前已然能够于越来越小的尺度去开展固体以及液体的研究。我们无妨进行一番预言，在未来的数十年时间里，固体液体物理学最终必定会与原子分子物理学相互合并。这样的发展之中蕴含着各种各样令人惊掉下巴的可能性。从理论方面来讲，微观以及宏观物质之间的界限将会逐步消失不见，如此一来，量子和经典物理学之间那神秘且基础性的区分将会被理解得更为深入透彻。从实用角度来说20世纪物理学家排名，人类在可控制的情形之下对物质进行操控的能力将会大幅提升，进而产生有助于工业发展以及科学实验仪器进步的技术突破。
3.核物理学
一厘米的一亿分之一左右是分子和原子的尺度，原子的中心是原子核，原子核的尺度大概是原子的一万分之一，1911 年伟大的实验物理学家路透福特（1871 - 1937）所作的实验首次确切显示了像原子核这样细微个体的存在，这个重要发现影响深远，它后来成为上文已提及的玻尔原子模型的基础，从 30 年代初起，通过原子核互撞或被电子撞击的实验，能够研究原子核的内部结构，如此，核物理学诞生了。没错，固然早在十九世纪末之时，便已然发觉放射性这般核现象，然而唯有到30年代初期核子加速器构筑完成之后，我们方可系统地探究原子核的性质。在30年代及40年代期间，核物理学获取了令人惊叹的进展，其中一项便是知悉小原子核的聚变乃是太阳和恒星能量的源头。
那时在1938年的时候，发现了重核能够经由裂变这种方式，进而释放出数量众多的能量。此项科学发现对于人类所产生的影响程度之重大，是以往历史中决然未曾出现过的，然而第二次世界大战的突然爆发，更是进一步提前了它与人类命运碰面接触的时间。在1945年的时候，第一颗原子弹成功进行试爆之后，“原子弹之父”奥本海默宣称：“物理学者现在知晓自己有罪了。”身为物理学者，我仅仅能够祈求这种罪过不会最终致使全人类走向灭亡的结局。
核物理学带来了这般具有戏剧性且沉重的后果，然而直至如今它依旧处于定性或者半定量的阶段，距离原本的科学目标仍旧遥远，这是由于核物理学的基础与基本粒子物理学是无法分开的，我们现在就要讲述后者。
4.基本粒子物理学
在早先时候，大家觉得原子核仅由质子以及中子构成，这是在30年代的认知，后来才清楚原子核的结构要复杂许多，其里面不只有基本粒子，还有许多其他类别的，而基本粒子原则上就是原子核组成部分。从50年代初起，大型加速器被建成了，基本粒子物理学也切实成为物理学中的一个领域。如今已晓得，基本粒子存在好几百种，每种都有着不同的复杂性质。它们还彼此相互施加这种被称为相互作用的力。
对于物质的各类构成部分加以研究，以及针对它们彼此之间的作用力展开探索，这是基本粒子物理学的主要目标所在。这些围绕物质基本结构的探究行为，属于基本物理定律研究范畴的一部分。
在过去的五十年当中，基本粒子物理学于理论层面以及实验方面有着为数众多的、具备重要性的、呈现美妙特性的、出乎人们意料的发现，鉴于本文篇幅有限，没办法逐个详细叙述了。然而我们需要明确指出，非常概括来讲，有一个对于物理学长远发展将会带来极其深刻影响的主题已然出现，具体而言就是自然界的基本力是由对称这一概念予以决定的，而这一概念，在上面介绍爱因斯坦狭义相对论的时候已经有所提及。我曾经运用“对称支配相互作用”的原则来表述这一主题。我要表达的是，物理世界之中的基本力，是由一种具备美妙且精确界定态势的几何性质的对称性所决定的。对于一位处于十九世纪的物理学者来讲，这项原则听起来不免好似希腊或者中古神秘主义在旧调重弹一般。然而，事实并非如此这般。原来，希腊哲学家凭借直觉而执着的一个想法，也就是对称（亦或和谐）是宇宙结构的基本要素，实际上并没有错误，——只要我们能够懂得运用数学精确地将对称观念表达出来便可以达成了。
总结
1.换个角度从学术方面去看，二十世纪期间的物理学有着极佳的成效，是十分地高妙。关于空间、时间、运动以及力的那些有着革命性的观念，已然将这一块学问给彻底地改变了模样。针对物质展开的深入探究，朝着越来越细小的单位去进行推展，进而展现出物理定律的那种普遍性以及优美而完备的特性，实在是让人不由得赞叹不已。
我们渐渐学会企盼，大自然的秩序是我们所能寻求了解的。
2.上文中简略地对二十世纪物理学的理论进程以及实用效果做了介绍，然而却并没有怎么提及那些美妙的实验结果。这并非是在宣称，二十世纪物理学的进展与这些实验发现不存在重要关联，实际上，实验结果乃是整个物理体系的基础。但是重要的实验突破实在是多得数不过来，所以在这篇短文中没办法好好地展开讨论。
3.观念突破针对空间、时间、运动和力，这有赖于各种数学，这里数学的抽象程度顺序是增加的，具体有黎曼几何、希尔伯特空间以及纤维丛。所以，未来的进步大概更要依赖其他深奥且抽象的数学观念。大自然为何偏爱抽象的数学观念，确实神秘难测，不过数学家和理论物理学家对于数学推理在物理学上产生的强大影响，那可是同声发出叹服的。
4.好多跨学科的研究是由物理学的进步孕育出来的，像天体物理学、大气物理学、生物物理学、化学物理学、地质物理学、等离子物理学等。不过，需要留意的是物业经理人，虽然物理学的影响十分广大，它自身却没有分裂成众多小领域。相对而言，好像每隔一年就会有一个新的生物学系在每一座研究性质的大学成立，这些系的名称有时候连生物学家都搞不明白。物理学有如此强大的向心力，原因是这门学科一方面在拓展研究范围，另一方面又相应地变得更深入。这种深刻程度有所增加，进而造成一种极其牢固的单元价值判断，由此使得整个系统围绕着几个基本原则团结起来。
5.在二十世纪期间，物理学研究的规模有了大幅度的扩张，看起来物理学家所研究的物质结构，从原子到原子核，再到基本粒子，呈现出逐渐变小的趋势，然而所使用的实验设备却反倒越来越大，这好像是很奇怪的一种现象，是因为量子力学里的测不准原理造成的，依据这一原理，要展开对愈来愈微小距离的研究，就得运用越来越大的能量，要产出更大的能量，那就得使用更大的实验装置。
6.在二十世纪的时候，人类生产力竟然有了惊人的增长，而这种增长在很大程度上是基于我们对于物理世界知识的增长，1902年美国的人均用电量，这可是人均生产力的一个不错指标，当时是76kW·h，到了1987年的时候，相应数字是·h，还增加了130倍呢！当然啦，这激增存在着许多重要因素，其中最基本的一项是因为我们掌握了电磁学原理。
不在上述那些对人类社会显著的重大影响范围之外，物理学于二十世纪中叶的进展还造就了科学与社会相互作用的一个新向度。如同上文所讲，这属于人类历史里极为关键的发展。如今二十世纪将近结束，人类遭遇诸多新问题，像是天然资源的枯竭、环境污染之类。要针对这些去发展相应的科技能力，明显会让未来的物理学家更加贴近社会问题。
7.二十世纪，有个明显现象是物理学与技术间存在迅速反馈循环，只要想想用电量大幅增加，通讯工业乃至于电脑工业的诞生，就能明白现代社会对物理学最新研究进展是何等依赖，“物理—技术—物理”循环速度已大幅增加，附表显示，从发现电动机原理到首次使用电动机用时六十五年，而激光从发现到应用只需两年，虽很难想象循环时间能再大幅缩短20世纪物理学家排名，但每年成熟并面世的重要新技术肯定会持续增多。这些未来技术，我们如今甚至连其名称都无法去想像，它们将会对二十一世纪人类的命运产生深远影响。
本文最初刊载于香港的《二十一世纪》杂志，该杂志是1990年创刊的那一期。在获得作者同意之后，于本刊进行转载。
责 编：胡安妮