李政道:做好基础科学研究在21世纪极为重要

前些日子,为纪念中国实行博士后制度20周年,美籍华裔科学家、诺贝尔奖得主、中国博士后制度的最初倡导者李政道先生,分别在北京人民大会堂、北京大学、清华大学、复旦大学作了几场报告。10月26日,本报记者来到北京中关村的中国高等科学技术中心,就为什么要重视基础科学研究、怎样才能做好基础科学研究采访了李政道先生。
    《科学时报》:您曾多次发表观点谈基础科学研究的重要性,请问为何说带有源头创新特点的基础科学研究,在21世纪的今天是极为重要的?
    李政道:基础科学研究的重要性,从历史上来看是非常清楚的。仅就20世纪而言,基础科学研究的发展,给整个世纪人类科技文明的发展以巨大的推动,使人类从蒸汽机时代走向了电气化时代,从依靠太阳能时代走向了近代原子能时代,从工业化时代走向了信息化时代。人类文明这样巨大的进步,从源头上讲,应归功于基础科学的发展。稍远一点讲,在伽利略和牛顿以后,科学进步的速度远远超过了以前的2000年。也可以说,在他们之后的近几百年,科学的发展速度大大加快起来。这是一个分界线,说明基础科学研究促进了整个科学技术的发展。在新的21世纪,情形也会一样。带有源头创新特点的基础科学研究,肯定也会给人类文明的发展以极大的推动。
    我在北京大学演讲时,有同学也问过同样的问题,他们想知道造成近代东西方科学发展不同状况的原因。因为这个问题恰恰能说明基础科学研究的重要性,所以,在新世纪开始的时候,我愿意谈一下我的看法。
    我认为,就中国古代的科学而言,它的成就绝对可以和西方的古代科学成就相提并论。英国李约瑟有七本大书讲中国古代的科学技术,讲得很清楚,我这里不用重复。大家要问的是:十五、十六世纪以后,为什么在西方产生了近代科学,而在中国却没能产生?其实这个问题和基础科学的发展有密切的关系。
    16世纪,也就是在中国明代的时候,西方出了位大思想家、实验科学家培根(1561~1626),他开创了实验科学,是近代实验科学的鼻祖。而在中国则出了位大思想家王阳明(1472~1529)。王阳明尊重中国古老传统的“格物致知”原则,这与当时培根的出发点是一样的,即认为只要对事物加以仔细观察剖析,就能得到真正的知识。问题是“格”什么“物”,怎么“格”法,这两位东西方思想家找到的对象全然不一样。王阳明“格”的物是他窗前的竹子。细想王阳明“格”竹子也有道理,因为竹子可以吃、可以用,而且生长得快,可以看到它怎么生长。不过,仅此而已。竹子不具有基础科学的普遍性,王阳明个人可能不熟悉中国古代以及汉代以来的科学实验手段,也没有科学的理论指导,自然也不会得出新的、在竹子以外的科学研究结果。他冥思苦想多日,最后以失败告终。
    但西方科学家则不是那样。他们“格”的“物”是太阳和地球,他们考虑的问题要宏观得多。一方面由于望远镜的发明,他们已做了大量的、新的天文观察;一方面他们又做了大胆的理论假设,把太阳变成了一个点,把地球也变成一个点,做了科学的简化,并通过很精密的计算和观测,提出了太阳和地球之间的运动关系,得出了新的科学结论。培根的实践证实了实验科学的重要性,而王阳明对于近代科学却没有任何贡献。现在看来,培根不仅找的研究对象好,也有好的继承者,走的是实验科学研究和基础理论分析结合的路径。培根的科学方向被证明是成功的、正确的、科学的“格”物的方法。
    王阳明“格”了竹子以后,发现他的研究没用,得出的是“天下之物本无可格者,其格物之功只在身心上做”的错误结论,走向了实验科学的对立面。当时中国还在明朝,由于明朝高度封建制度的背景,王阳明这么一位大学问家变成唯心论者,大家也就跟着变成了唯心论。
    我们再来看那时候的西方。伽利略将太阳和地球的运动准确地用精密观察和理论分析表述出来。那时在欧洲大陆的学术是受梵蒂冈教皇的极权控制的,伽利略的学说在他的本土(即欧洲大陆)被迫被认为是完全错误的,也是不准讨论、不容许存在的。假如那时欧洲的文化全部都要经过梵蒂冈教皇认可才是正确的、才允许流传的话,那么西方也就没有了近代科学的产生。可是欧洲有些地方,如北欧丹麦半岛和英国岛国,梵蒂冈的势力并不是十分强大,所以,类似伽利略和伽利略的伟大发现,才得以“死里逃生”,流传下来,后来就出现了牛顿这样的科学巨人。
    我们搞科学,讲因果关系,这种种“果”是由不同的“因”所致。西方走的研究道路就是从基础科学入手,抓住重要的切入点,促使它的发展。自然界里的所有现象,虽然表面上都很复杂,可是它都有一些基本的原理,我们把最基本的原理抓住了,就找到了一个总的机关。抓住了总机关,其他的问题就能迎刃而解。所以我们要抓基础科学研究,因为基础科学是个总机关。
    牛顿、伽利略等的贡献是让全人类受益的,通过他们和他们以后几代科学家的努力,我们弄明白了自然界所有现象都遵循一定的、基本的、基础的规律、运动或变化。找到这些基本的、基础的规律,对在生产实践中应用这些科学知识,有极大的、不可估量的影响。因此,我们现在仍然要继续寻找这些基础规律。
    新世纪面临许多带有源头创新特点的基础科学研究课题,我们一定要重视它们、抓住它们、解决它们,以此来推动人类文明的发展。
    《科学时报》:“科学无国界”。鉴于中国还是个发展中国家,经济力量不足,是否可以像有些人所说的那样,让发达国家先去做基础研究,然后我们等着与其共享,就像共享牛顿和伽利略的贡献一样?
    李政道:坐等的思想肯定不对。假如只是一味地等待,一旦有新的科学发现出来,再来学习掌握,一定会落后于人;作为一个有悠久历史和文化的民族,要对人类的发展有所贡献,不能对基础科学研究采取消极的态度。
    一般说来,开展基础科学研究并不一定都要花很多钱。要有效地开展基础科学研究,就要知道科学的发展规律。科学研究就像海洋里的浪头一样,一个浪、一个浪地过去。当一个浪达到最高峰的时候,其下一步必定要下落,然后新的浪头再出来。所以,你只看见别人浪头高,就一味地跟着去追,而自己不去找新的、将成为巨浪的新浪头,结果人家的浪头下去了,又去做别的,你还在跟着别人走,这样,永远不能发展、不能发达、不能领先。你要发达,必须自己找到新的浪头,看准新的浪头是从哪里开始,在它还没有达到最高峰时,最好在它刚要开始的时候就将它抓住。
    发达国家的近代、现代、当代技术文明,都是基础科学研究成果的具体应用。无论是在过去的工业社会,还是在目前步入的信息社会,无不得益于不断达到最高浪头的基础科学研究这一“源头”。我们不能忽视作为“源头”的基础科学研究,我们要找到基础科学研究的新规律。当然,技术的应用也很重要,也不能忽视。
    这里,我们要反思20世纪科技文明的“源头”究竟是从哪里来的,然后再来看一看,21世纪哪个方向可能会出现新的“源头”?
    上个世纪初年,世界科学的重心并不是在美国,而是在欧洲大陆。这个中心转移到美国是上个世纪40年代。从40年代开始,到第二次大战结束后,美国的科学才得以高速发展。可是,即使如此,第二次世界大战后的科学,也是在前几年的基础上开始发展的。上个世纪50年代后,美国基础研究的浪头没有衰退,始终在发展。
    20世纪初最大的科学之谜,是太阳的能量。太阳的能量究竟是从哪里来的?是怎样产生的?不仅20世纪初,18世纪、19世纪科学家问的也是这个问题。20世纪中叶以前,人类所用的能量,包括所有动物的能量都是从太阳那里来的,包括石油、煤炭、粮食等等。所有一切的能源,无不与太阳的能量有关。
    要研究太阳能量的来源并不是那么简单,不能只靠我们的眼睛盯着太阳看。眼睛总盯着太阳看,不但不能了解太阳能的本质,还可能会被强光所灼伤。用近代科学研究的方法发现,太阳能一定与它发的光有关系,一定与光带来的热有关系,这是显而易见的。所以,科学家就要去研究光与热的基础原理,光是怎样产生的,光是怎么传播的,等等。
    早年对光的传播研究,是由19世纪末两位美国的实验物理学家迈克逊和莫雷做的。他们做了一个规模不是很大的经典实验,测量光的速度和地球旋转方向有没有关系。地球在转,光在顺着地球转的时候速度有多快,光在逆着地球转的时候有多快,测量光的速度受地球转动的影响有多大。他们实验的结果发现,光的速度与地球的转动方向无关,光顺着地球转与逆着地球转的速度都一样。在1905年,也就是100年前,爱因斯坦想通了这个实验结果,得出E=mc2的结论,这就是著名的狭义相对论。
   爱因斯坦基础研究的立足点,就是光是怎么传播,光与空间和时间的关系。爱因斯坦通过他的基础研究,得到这个划时代的发现并没有花多少钱。实际上,当时爱因斯坦只是瑞士专利局的一位普通职员,根本掏不出多少钱来搞研究。这个例子足以说明,基础科学研究能不能出大成果,绝对和花钱的多少没有直接关系。
    到了1900年,科学家不仅知道不论什么物体,只要具有温度它就会发光,而且一定的温度发出的光,其颜色有一定的分布,换句话说,一定温度下发的光,其能量有一定的分布,因此,可以测量出光的光谱,发现光谱与能量有关系。可是对这个关系经典力学不能作出解释。从伽利略、牛顿,到麦克斯韦尔,他们的理论都没办法解释。德国的理论物理学家普朗克就提出了一个假设,光的频率,也就是光的能量,是按一定的量子方式发射的。这个光量子假设与当时的经典物理矛盾,普朗克写出的物体发射光与其温度的关系的方程式,被称为普朗克方程式,说明物体在不同温度时,发出的光的能量怎样分布。到了1912年,玻尔改写了经典力学,形成了初步的量子理论。最终到1925年,海森堡、薛定谔确立了量子力学的基础。
    从爱因斯坦1905年的狭义相对论,到后来的海森堡、薛定谔的量子力学,和费米、泡利的量子统计学,在这一时段里,可谓是集科学之大成。有了狭义相对论,有了量子力学,就有了后来人们知道的原子结构、分子物理,产生了后来的核能、激光、半导体、超导体、超级计算机和网络等。这些知识和这些技术的产生,没有狭义相对论和量子力学的重大基础研究成果作为铺垫,是绝对不可能的。现在我们通过掌握量子力学的知识,更深刻地了解了核能的本质,了解了太阳能的本质。我们从事基础科学的人,一定要研究历史上这些科学发现的产生规律。
    《科学时报》:您曾多次将基础科学和应用科学的关系,生动地比喻为“水”和“鱼”的关系。
    李政道:对。它们密不可分,相互依赖。一个国家科技的强盛,必须有一个完整的国家知识创新体系,否则会不堪一击,而且失去后劲。基础科学和应用科学的研究对象不同,前者,着重于自然界规律的研究,后者,着重于将基础科学的成果应用到工农业生产和日常生活,但它们作为科学是相通的,它们在研究方法、研究思路,甚至研究使用的仪器设备都是相同或相似,可以互相学习、互相借鉴。更重要的,它们都要求高素质、高水平的科学研究人才,而这些优秀人才,主要的还必须在基础研究过程中培养。我前面已经提到,十六、十七世纪西方出了伽利略和牛顿等伟大基础科学家,产生了近代科学。也正是因为他们开创了近代的基础科学,才有了以后近几百年的科技发达。作为一个国家或者一个民族,要在科技方面对人类有重大贡献,必须重视基础科学研究。
    《科学时报》:我明白您的意思。现在我们清楚地知道,20世纪初爱因斯坦等所做的基础研究,推动了20世纪科学技术的突飞猛进,今天的我们,应该对此有所启发、有所感悟,在本世纪初也应该重视基础科学研究,也只有这样,才能加快我国自主创新的步伐。是这样的吗?
    李政道:是的,只有重视基础科学研究,才能永远保持自主创新的能力。谁重视了基础科学研究,谁就掌握有主动权,就能自主创新。那么,21世纪的基础科学研究应该从何入手?它今后的发展和应用如何?对这些问题,我们现在暂时可能还想象不出来,就像20世纪初对太阳能量的研究一样,19世纪的人们也想象不出激光、半导体、超导体、核能、超级计算机和网络等的应用。但可以肯定,21世纪的基础科学研究一定会有更大、更重要的成果,对人类文明的发展一定会有更大的推动。
    这里我可以举个例子,说明人们很难想象基础科学会给人类文明带来多么有价值的应用成果。这个例子就是互联网世界的形成。大家现在已经都很熟悉互联网,都知道现实世界已成为网络化的世界,而互联网技术的出现和发展,对人类文明未来发展的贡献目前仍无从估量。但是,现在恐怕只有很少数很少数的人知道,互联网技术是来源于高能物理这一基础科学研究,而且时间上是相当近的事情,距现在只不过12年。
    互联网技术的创造是在1993年,西欧核子研究中心的科学家蒂姆·伯纳斯-李(Tim Berners-Lee),他为管理高能物理研究所产生的大量极为复杂的信息,提出了《关于信息管理的建议》,这个建议就是现在互联网的开端。他的这个建议,先在西欧核子研究中心使用,很成功。伯纳斯-李和西欧核子中心的高能物理学家们,认识到这样的互联网式的信息管理方式可以普及,从而造福人类。同年,经过批准,西欧核子研究中心宣布,任何人都可以无偿地使用互联网的协议及其代码,用以建立服务器和浏览器,而不受任何版权专利的限制。这样,这个原本仅为高能物理研究服务的互联网技术,这个可以属于个人的发明,就无偿地提供给了整个世界使用。
    从那时起到现在,在短短的十几年里,互联网技术就得到了迅速的发展,现已成为信息化时代的重要技术手段和象征。互联网在中国的发展,也是从高能物理这一研究领域开始的。现在中国的互联网,就是在中国科学院高能物理研究所与西欧中心互联网的基础上发展起来的。这一点或许也很少为人所知。
    这个实际例子,充分说明基础科学对于应用科学和生产市场有多么重要的意义。也说明,高尚的基础研究科学家,包括爱因斯坦等伟大的科学家们,从不把自己的科研成果当做商品,从不投机取巧,从不拿自己的成果进行买卖,而是无私地奉献给全人类。现在,我们特别要提倡这种奉献精神。
    《科学时报》:您曾经形象地说过,支配自然界运动有很多基本规律,并把它们称作“总机关”。基础科学研究的任务就是要找出这些“总机关”。进入21世纪,我们应该如何去寻找这些“总机关”呢?
    李政道:对,是要找出“总机关”。第一步,我们要认清哪个问题是对科学的最大挑战。太阳能问题在20世纪初显然是个最大的挑战。科学家要知道太阳能以及光和热的基本知识,光与地球自转的方向有没有关系,光与能量分布有什么关系。有了爱因斯坦的E=mc2,也就是著名的狭义相对论之后,就相当于将最基本的“总机关”的一部分重要机构抓住了,因此,一大批的问题就会迎刃而解。
    《科学时报》:认识到基础科学研究的重要性,接着就是怎样做好基础科学研究的问题。毛泽东曾说过,做事情要抓住“牛鼻子”。基础科学研究我们应该怎样抓住“牛鼻子”呢?
    李政道:做好本世纪的基础科学研究,制定好远期和近期的规划,是个非常重要的问题。在没有找到新的“总机关”前,我们应该问,哪些挑战与20世纪初太阳能问题是同一级别?在21世纪,诸如中子、质子、电子和它们的反物质,即反质子、反中子和正电子,为什么在我们现已知道的宇宙中只占5%,可能还少一点。宇宙中其它95%的物质是什么?是什么能量、什么物质?这是一个很大的谜。显然,21世纪我们将面向更大的宇宙。
    20世纪与21世纪有什么关键性的区别呢?我认为,20世纪的基础科学研究方法,主要特征是“简化归纳”。也就是说,大的是由小的做成的,把最小的找着,研究清楚,我们就了解了最大的。这个办法就是简化归纳。小的是由更小的构成的,要找出更小的,懂得最小的构造,就懂得大的。从19世纪末汤姆逊发现电子、20世纪初卢瑟福发现原子核之后,这两个发现连起来就是原子。原子连起来就是分子,分子连起来就是其它物质。所以,了解小的就懂得大的。同时再加上精密的实验科学仪器,非常深刻的理论,创造了整个20世纪的物理的成功与辉煌。
    “简化归纳”在20世纪中期影响了美国科学家克里克和沃森。克里克是学物理的,他将物理学的方法用到生物学上,就和沃森一起发现了DNA。今天基因科学研究的方兴未艾,生物学在20世纪下半叶的巨大发展,可以说是直接受了物理学研究的影响,采取了“简化归纳”的方法。
    现在对科学的最大的挑战,已不仅是那些已知的物质。因为在我们知道的物质之外,还有暗物质、暗能量。暗物质比我们现有的物质多了约5倍,暗能量,则比我们现有已知的能量大了约近15倍。所以,我们要立足新的基础科学前沿,一定要将小的与大的联系起来,这个方法可称为“整体统一”。我认为,“整体统一”的科学方法,应该是21世纪最重要的科学方法。
    “整体统一”在物理研究上的重要性,也势必要影响到21世纪的生物学研究,因为即便我们把所有的基因都找出来,也不一定明白生物的生命现象是什么,一定要将小的与大的放到一起研究才有希望。可是,如何在“整体统一”方向着手,我们必须研制出新的、更为精密的实验仪器,必须创造更严格和更广义的理论。
    《科学时报》:我们强调科技自主创新,并不是要抛开历史、抛开前人,而是要学会如何站在巨人的肩膀上进行自主创新。具体到一个科学研究的团队,您如何看待个人的努力和合作精神二者之间的关系?
    李政道:自主创新并不是要科学家个人孤立地去进行,也不是要哪一个国家孤立地去进行。科学家的创新活动并不排斥借助、依靠前人的智慧。爱因斯坦是自主创新的,普朗克也是自主创新的。但即便是爱因斯坦,他的理论也得借助并依靠迈克尔逊和莫雷的实验,也需要洛仑兹的变换方式才行。科学家探索的思想翅膀可以无边无际地翱翔,但也要有客观的、外界的科学实验作为基础。从伽利略到牛顿,所有的研究成果都与他们那个时代的最新科技进展有密切关系,并不只是伽利略和牛顿的“单打独斗”。比如说,牛顿也依靠了伽利略的成功。要有一批真心诚意献身基础科学研究的人,要有合作精神,才能不断地把科学推向前进。国家与国家之间也是一样。
    《科学时报》:中国在制定中长期科学发展规划,一些人说技术是可以规划的,应该有时间表,而科学是自由探索,怎么能规划?您是如何看待这个问题的?
    李政道:对于搞科学研究,我们可以在历史借鉴中得到一些经验,这些经验是指导我们今后做好科学研究的必要条件。技术科学的发展可以规划,基础科学的发展同样可以规划。基础科学的规划,并不是要确定具体的研究题目,而是要明确大的研究方向,提出重要的保证措施。
    在基础科学的规划里,我觉得最重要的是要做好人才培养的规划。20世纪,物理学中的那些重大科学发现都是由哪几位科学家做出的?在什么样的情况下做出的?如果把20世纪的重要科学发现列成一个表,我们就可以看出,对于每次科学的挑战,都是一批新人、新的科学家取胜的,都是在他们20多岁、30岁或近40岁时完成的,这个规律相当清楚。有了这个规律,我们就可以制定新世纪人才培养的规划。
    这里我要强调一点,就是基础科学研究的发展与社会文化的状况有很大的关系。时代要发展进步,不能一切只讲钱。如果只讲钱,那这个时代的文化就不是最高层次的。从事基础科学研究没有钱当然不行,但更重要的是要有奉献精神,要有做科学研究的真诚精神和道德。上个世纪科学家们研究光和热,不是为了钱。想赚钱,极可能就研究不了光和热的基础规律。现在研究暗物质、暗能量,也不能为了钱。1905年,爱因斯坦创立了E=mc2,当时爱因斯坦相当穷,他是否可以将E=mc2申请为专利呢?爱因斯坦当然没有这样做,也决不会有这个想法。一位真正的科学家的成果是属于全人类的。
    基础研究要抓住正确的方向,要在进行基础科学研究的中间来培养人才。更为重要的是,还要在他们年轻的时候,在他们富有创造力的时候,在他们愿意献身基础科学研究的时候,进行认真的培养。
    培养优秀人才要有好的老师。除了爱因斯坦的研究相对是比较独立的之外,20世纪上半叶那些为物理学作过重大贡献的科学家,大都是有相当好的老师,而且大部分是“一对一”地进行指导。我当年在芝加哥大学读研究生的时候,导师是费米。他每个星期都要花半天时间和我单独聊天,纯粹就是聊天,想到什么就讲什么。当然讨论的全都是物理。从文学和艺术创作上看,也有相似的人与人之间交流的关系。小说家海明威年轻的时候也注重与人交往,经常与人交换意见。无论是搞科学研究,还是搞艺术创作,人和人的思想交流都是很重要的。
    《科学时报》:中国现在的国情,要实现“一对一”的交流很难。有个典型的例子,一位大学的导师带了100多位研究生,导师见了学生都不认识。您对这种现象如何看待?
    李政道:一位老师带那么多学生,显然对基础科学研究是不恰当的。教育分两种,一种是普及教育,这很需要、也很重要。普及教育,老师带的学生可以多一些,但也不能无限扩大。另外一种是精英教育,老师带的学生一定不能太多。美国和英国那些好的学校,如哈佛、耶鲁、哥伦比亚大学等,他们既有本科生也有研究生,总规模可能在15000~20000人左右,但本科生的总数比较小,一般约在4000~5000人左右。老师带的研究生的数目一般也不是太多。如我任教的哥伦比亚大学,全校学生人数,去年是23813位,但本科生(College Student)四年级总数仅是4144位。哥伦比亚大学物理系约有40多位教授,每学期都要教本科生和带研究生。同样,普林斯顿大学本科生总数,去年是3948位。耶鲁大学本科生总数是5242位,等等。可是无论是本科生还是研究生,美国最好的大学,老师都是很出色的。
    中国抗战时期的西南联大,它是清华大学、北京大学、南开大学三校的联合。抗战8年在校学习过的学生约8000人,本科毕业约3800人。联大在1946年5月解散,北大、清华、南开三个学校复校,当时在联大肄业后分别加入三校的学生共有1641人,也就是说,1946年联大在校学生约1600人。学生总数不大,但老师比较好,也比较多。所以,抗战时期办学条件虽然很差,但在连饭都吃不饱的情况下,也培养出许多优秀的人才。
    我感谢并尊重当年费米先生对我的培养,所以,我后来带的研究生也是“一对一”。做基础科学必须注重“一对一”的培养。所谓“一对一”,并非一个老师只能带一个学生,但是老师必须对学生实行面对面的教育。如果他带的学生过多,连认识都可能有问题,怎么能对学生实施以身作则的教育?尤其是基础科学,导师必须用一定的时间面对面地指导学生,否则就达不到培养的目的。


    文章来源:科学时报