淺談如何發(fā)展中國的理論物理
篇一
今天在座的有許多著名的理論物理學(xué)家，特別是很多年輕的物理學(xué)家，我離開理論物理領(lǐng)域有相當(dāng)長的時(shí)間了，按道理今天做這個(gè)報(bào)告并不是很合時(shí)宜。今天這個(gè)會是希望引起基金委領(lǐng)導(dǎo)對理論物理的重視，所以在理論物理所領(lǐng)導(dǎo)的一再要求之下，我勉為其難講幾點(diǎn)意見。
20世紀(jì)是物理學(xué)的世紀(jì)，這毫無疑問。而理論物理在20世紀(jì)的物理學(xué)中發(fā)揮了非常重要、可以說是極其光輝的作用。大家都是學(xué)理論物理的，這點(diǎn)并不需要花很多時(shí)間來說明。20世紀(jì)最重要的發(fā)現(xiàn)是相對論和量子力學(xué)，以及以后由相對論和量子力學(xué)結(jié)合發(fā)展出來的量子場論。這些理論對物理學(xué)、化學(xué)等所有領(lǐng)域都產(chǎn)生了深刻影響。原子核物理、基本粒子物理、激光物理、量子化學(xué)、分子物理等，都受到了20世紀(jì)這兩個(gè)最偉大發(fā)現(xiàn)的影響。而理論物理學(xué)家，在發(fā)展從原子核、基本粒子到激光物理，所有這些領(lǐng)域中，都起著重要的作用。20世紀(jì)古典物理也在繼續(xù)發(fā)展，特別是在一些特殊狀態(tài)，像等離子體狀態(tài)，還擴(kuò)展到很多其他的領(lǐng)域，直到為國民經(jīng)濟(jì)服務(wù)的一些領(lǐng)域，都有物理學(xué)家的影子。理論物理學(xué)發(fā)展的很多思想和方法，如剛才郝柏林提到的標(biāo)度律（scaling），很多領(lǐng)域現(xiàn)在都在加以應(yīng)用。拿《“理論物理�？睢笔苣昕偨Y(jié)》這本書來說，里面提到了1990—2003年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，一共14個(gè)獎(jiǎng)中4個(gè)是理論物理學(xué)家獲的獎(jiǎng)，有德熱納（P.－G. de Gennes）、勞克林（R.B Laughlin）、霍夫特（Herardus’t Hooft）和韋爾特曼（Martinus Veltman），以及2003年獲獎(jiǎng)的阿布里科索夫（A.A.Abrikosov）、金茨堡（V.L.Ginzburg）和萊格特（A.J Leggett），他們都是理論物理學(xué)家。20世紀(jì)理論物理在發(fā)展物理學(xué)以及相關(guān)的學(xué)科方面起了非常重要的作用，所以這一學(xué)科應(yīng)該在中國得到支持和發(fā)展。我講的第一個(gè)問題，就是幫助我們的所長向基金委呼吁，繼續(xù)重視理論物理。
發(fā)展理論物理的條件
理論物理發(fā)展需要什么條件，我想通過量子力學(xué)的發(fā)現(xiàn)來說明這個(gè)問題。量子力學(xué)發(fā)現(xiàn)過程中的環(huán)境、它的學(xué)術(shù)風(fēng)氣之好，是20世紀(jì)中最突出的一個(gè)例子。量子力學(xué)是第一次世界大戰(zhàn)后主要在德國非常困難的條件下產(chǎn)生的。我最近才知道，在第一次世界大戰(zhàn)以后相當(dāng)
一段時(shí)間內(nèi)，德國科學(xué)家在世界上是受到排擠的，所有國際會議，都不邀請德國科學(xué)家出席，只有愛因斯坦例外。愛因斯坦當(dāng)時(shí)雖然在德國工作，但是他討厭德國軍國主義，很早就放棄了德國國籍，加入了瑞士國籍。同時(shí)愛因斯坦一開始就是反戰(zhàn)的，雖然他當(dāng)時(shí)呆在德國柏林。戰(zhàn)后的國際會議，只邀請他一人參加，連普朗克這樣的大物理學(xué)家都不邀請，因?yàn)榉ㄓ⒖茖W(xué)家不愿意看到德國科學(xué)家。德國科學(xué)家當(dāng)時(shí)在國際上處于相當(dāng)孤立的位置，替他們打抱不平的只有愛因斯坦。有一次國際會議在荷蘭召開，由于所有其他德國科學(xué)家都沒有接到邀請，愛因斯坦接到邀請以后，拒絕參加。他說，科學(xué)是不能由政治來劃分的，科學(xué)應(yīng)該是沒有國界的，不應(yīng)該因?yàn)檎我蛩囟绊懣茖W(xué)家的交往，所以他拒絕出席。愛因斯坦雖然很討厭德國的政治，但是他覺得在那種困難的條件下要保護(hù)德國科學(xué)家。同時(shí)作為戰(zhàn)敗國，德國物價(jià)一直暴漲，工作和生活條件都很差。
盡管工作條件不好，量子力學(xué)還是在格丁根、慕尼黑以及丹麥的哥本哈根這幾個(gè)地方發(fā)展起來，最后在格丁根集大成。在其發(fā)展過程中，有幾點(diǎn)特別值得注意。
第一是培養(yǎng)了一大批杰出、優(yōu)秀的青年科學(xué)家。最值得稱道的是慕尼黑大學(xué)的索末菲教授，他培養(yǎng)了海森伯和泡利這兩個(gè)最優(yōu)秀的理論物理學(xué)家，當(dāng)時(shí)他們非常年輕，20歲左右。他采取的培養(yǎng)政策不是留在自己身邊，海森伯研究生沒有畢業(yè)，就被送到格丁根大學(xué)玻恩教授那兒，玻恩也是諾貝爾獎(jiǎng)獲得者，海森伯在格丁根呆了一年以后，又受到哥本哈根的玻爾教授的邀請，在哥本哈根呆了一年。1922—1924年，海森伯在做研究生的三年中，經(jīng)歷了三個(gè)學(xué)術(shù)空氣不同的地方，受到不同的訓(xùn)練。海森伯自己認(rèn)為，他在三個(gè)地方受到的訓(xùn)練對他的成長十分有用，他在索末菲那兒學(xué)會了要攻克難題。當(dāng)時(shí)舊量子論中最困難的問題是，考慮相對論的原子光譜，這是索末菲解決的，在舊量子論中，索末菲的學(xué)術(shù)成就很高，理論物理技巧的水平恐怕也是最高的。到了格丁根，海森伯學(xué)了很多數(shù)學(xué)，格丁根當(dāng)時(shí)是德國的數(shù)學(xué)中心，大數(shù)學(xué)家希爾伯特就在那里，玻恩的數(shù)學(xué)也非常好。在哥本哈根，海森伯跟玻爾學(xué)會了物理思維方法，玻爾是物理學(xué)家，物理思想很好。海森伯受到了多方面的訓(xùn)練，1925年從哥本哈根再回到格丁根以后，他做出了矩陣力學(xué)這個(gè)劃時(shí)代的量子力學(xué)的結(jié)果，那時(shí)他才25歲左右。不久，在格丁根的薛定諤也發(fā)現(xiàn)了波動(dòng)力學(xué)。當(dāng)時(shí)還有一大批年輕的科學(xué)家，在法國有德布羅意，在英國有狄拉克，在意大利有費(fèi)米，可以看到當(dāng)時(shí)有一大批非常杰出的年輕科學(xué)家，在歐洲各國不同風(fēng)格的老一代科學(xué)家培養(yǎng)訓(xùn)練下，得到了全面成長。
第二個(gè)條件，當(dāng)時(shí)學(xué)術(shù)爭論的空氣非常激烈。激烈的爭論主要是由愛因斯坦和玻爾引起的，因?yàn)樗麄兙哂型耆煌恼軐W(xué)觀點(diǎn)。當(dāng)時(shí)玻爾受到馬赫思想的影響，只注重觀察到的現(xiàn)象怎么來解釋，只要能解釋這些現(xiàn)象，他基本上就認(rèn)為是一個(gè)好的理論，并不追問最后是不
是符合認(rèn)識論的最基本觀點(diǎn)。1924年，為了解釋某個(gè)現(xiàn)象，他甚至提出能量不必守恒。愛因斯坦完全不同，他堅(jiān)決相信在觀察現(xiàn)象的后面存在一個(gè)真實(shí)的客觀世界，這個(gè)世界是有必然規(guī)律的。愛因斯坦是一個(gè)偉大的天才，他在量子論上的貢獻(xiàn)，其實(shí)非常之大，現(xiàn)在有人認(rèn)為，他不太喜歡量子力學(xué)，而不很重視他對量子論的貢獻(xiàn)。從歷史看，這是不對的。愛因斯坦對量子論的貢獻(xiàn)一直到1924年為止都是非常領(lǐng)先的。首先，他在1905年解釋光電效應(yīng)，把光既是粒子又是波動(dòng)這個(gè)問題提了出來，以后愛因斯坦也一直在思考光為什么既是粒子又能是波動(dòng)，他也非常接近于認(rèn)為電子也應(yīng)該既是波動(dòng)又是粒子，因?yàn)樗?dāng)時(shí)已經(jīng)有了一個(gè)建議：所有物質(zhì)的振動(dòng)都應(yīng)該量子化，成功地解釋了固體的比熱。所以他很早就認(rèn)為不僅光是量子化的，物質(zhì)的振動(dòng)、聲波都是量子化的，所以一切這些物質(zhì)都具有粒子和波動(dòng)的雙重性，雖然這點(diǎn)他不是明確指出的。但是他對這個(gè)矛盾，心里始終不太踏實(shí)，怎么解釋？怎么可能？他一直在思考這樣的問題，一直也得不到解決。他說他花在量子論上的時(shí)間，比花在廣義相對論的時(shí)間還要多，但是并沒有得到非常好的結(jié)果，除了一個(gè)例外。
1924年，印度一位中學(xué)教師玻色，用了一個(gè)新的辦法推導(dǎo)普朗克的輻射規(guī)律，由于他的文章未被雜志接收，他寄給愛因斯坦，希望愛因斯坦把它推薦給德國的雜志。愛因斯坦看了這篇文章以后覺得很好，就和玻色合作寫出了著名的關(guān)于玻色-愛因斯坦統(tǒng)計(jì)的文章，預(yù)言了玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)的存在。
愛因斯坦與玻爾在量子力學(xué)發(fā)現(xiàn)以前就見過若干次面，但是每一次都談不攏，互相爭論得非常厲害。這種爭論，我想對雙方都起了很大的作用，這個(gè)爭論不像有些書說1932年才開始的，量子論還沒有出現(xiàn)之前，他們就開始爭論量子論的本質(zhì)是什么，這個(gè)爭論當(dāng)然也給下一代的學(xué)生帶來很大影響。所以像海森伯就敢于和玻爾去爭論，玻爾比他年紀(jì)大很多，相當(dāng)于他的老師；像泡利更不必說了，泡利是有名的愿意批評別人的人，他當(dāng)時(shí)對什么東西都要給予他個(gè)人的評價(jià)，大家對他都很尊重。泡利是少有的聰明人，他跟海森伯是同學(xué)，非常友好。海森伯每做一個(gè)工作，必須得到泡利的同意才能放心，如果泡利不同意，海森伯心里就打鼓：這個(gè)東西到底是對還是不對。泡利的聰明大家都知道，在他19歲還是學(xué)生的時(shí)候，就寫了一篇精彩的廣義相對論的總結(jié)文章。我在當(dāng)學(xué)生的時(shí)候讀過這篇文章，這篇文章可以說是幾代學(xué)習(xí)相對論的人必讀的一篇文章。泡利的聰明是無可懷疑的，以至于當(dāng)時(shí)有人說泡利的聰明超過愛因斯坦，但是他的成就沒有愛因斯坦高。
泡利和愛因斯坦有很大的不同，愛因斯坦是很專心一致的，他想一個(gè)問題，一心鉆進(jìn)去。泡利對任何問題都有興趣，他都要發(fā)表意見，人家也愿意聽他發(fā)表的意見，他的意見在當(dāng)時(shí)非常重要，他要做什么，寫一封信給誰，在物理界就要傳。一直到1957年我到了蘇聯(lián)以后，
還發(fā)生了一件事情。當(dāng)時(shí)海森伯提出了一個(gè)新的非線性的場論，大概是想統(tǒng)一來解決世界運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律。由于是海森伯提出的，所以引起理論物理學(xué)家廣泛重視。當(dāng)時(shí)蘇聯(lián)的大物理學(xué)家朗道也知道了這件事情，但是他開始沒有表態(tài)。當(dāng)時(shí)有一位意大利的物理學(xué)家在蘇聯(lián)，他是費(fèi)米的學(xué)生，他們感到朗道這個(gè)人太驕傲，像個(gè)大權(quán)威，說什么話都不能反駁，所以他們要開個(gè)玩笑，這個(gè)玩笑怎么開呢？他們在4月1日愚人節(jié)草擬了一封信，讓一位剛剛從歐洲回來的波蘭科學(xué)家交給朗道，這封信中說，泡利認(rèn)為海森伯的這個(gè)理論非常令人信服，是非常重要的。朗道有一個(gè)很有名的研討會，這封信是在開研討會時(shí)轉(zhuǎn)交給朗道的，朗道看了信以后，態(tài)度立刻來了一個(gè)非常明確的轉(zhuǎn)變，把這個(gè)理論大吹噓了一頓，做這件事的人就覺得很好笑了，他們擬信的時(shí)候就安排了陷阱，那個(gè)信開頭有幾行字，把頭一個(gè)字母豎著念的話就是俄文的“傻瓜”，等朗道大吹噓了一頓以后，他們就說你的信念得不對，豎著念一下，結(jié)果朗道一下體會過來，大怒之下走了，會也開不下去。這只是說明泡利當(dāng)時(shí)的影響之大。
泡利非常聰明，有時(shí)也會做出錯(cuò)誤的判斷。1956年，他就認(rèn)為楊振寧和李政道的宇稱不守恒不可能。不管怎么樣，當(dāng)時(shí)爭論的氣氛非常之熱烈，這種爭論的氣氛沒有上下的關(guān)系，沒有任何的顧忌，我想是促使當(dāng)時(shí)理論物理能夠快速發(fā)展的原因之一，而且因?yàn)槟莻�(gè)爭論，對薛定諤才有影響，因?yàn)樗毁澇筛绫竟翘渍軐W(xué)，所以才去發(fā)展了波動(dòng)力學(xué)的理論。那時(shí)候愛因斯坦和薛定諤是站在一邊的，覺得量子力學(xué)不應(yīng)該像哥本哈根學(xué)派那樣解釋。玻爾和海森伯站在一起，但是他們兩個(gè)也還有爭論，爭論是因?yàn)椴柛粗兴幕パa(bǔ)原理，他們兩個(gè)有一次吵到半夜，海森伯還哭了一場。我是想說明，理論物理要發(fā)展必須要有學(xué)術(shù)爭論，必須要在年輕的科學(xué)家之間、在年輕的和年長的科學(xué)家之間，有真正的毫無保留的學(xué)術(shù)批評和學(xué)術(shù)爭論，只有在爭論的過程中真理才能越辯越明，而且即使是反對的意見，到后來也可能產(chǎn)生新的科學(xué)的成果。
因此，就學(xué)術(shù)環(huán)境而言，第一，要有個(gè)規(guī)模在臨界以上的研究群體；第二，這個(gè)研究群體必須要真正能夠展開學(xué)術(shù)爭論和學(xué)術(shù)批評；第三，我想確實(shí)要有一些帥才，要有一些特別杰出的個(gè)人，青年科學(xué)家要能夠脫穎而出，要逐漸發(fā)揮重要的作用。其實(shí)歐洲從20世紀(jì)開始，像相對論和量子力學(xué)，都是一些年輕的、最杰出的科學(xué)家在那時(shí)起主導(dǎo)作用的。普朗克發(fā)現(xiàn)量子論的時(shí)候40歲；愛因斯坦做出了最重要貢獻(xiàn)的時(shí)候只有26歲，今年是愛因斯坦誕辰125周年；玻爾提出原子論的時(shí)候，也就30多歲；量子力學(xué)建立起來時(shí)，海森伯、泡利、狄拉克都是20多歲，薛定諤大概30多歲、40歲左右，都是中青年的科學(xué)家，而且是青年為主的，起著決定性的作用。這些人中間，又有一些個(gè)別的人特別杰出。怎么讓一些特別杰出的人才能夠被發(fā)現(xiàn)，能夠成長，這也是今天的中國科學(xué)能不能快速發(fā)展的一個(gè)重要因素。
當(dāng)然像我剛才講的海森伯，他的成長除了他自己的天分以外，很重要的是因?yàn)樗艿搅松弦淮木呐囵B(yǎng)，他在三個(gè)地方，受到了三種不同的教育。愛因斯坦的情況完全不一樣，他完全是靠自己，因?yàn)閺闹袑W(xué)開始老師就不喜歡他，而且要開除他，說你最好不要留在學(xué)校里，因?yàn)槟阕诤竺胬闲ΓΦ梦覜]法講課。所以他中學(xué)在德國也沒念完就走了。第一次考大學(xué)，那時(shí)候中學(xué)沒畢業(yè)，也沒考上，然后又到一個(gè)中學(xué)念了一年，才考上了瑞士的蘇黎士高工，當(dāng)然這是一個(gè)很好的學(xué)校，但是那些主要的教授好像也不喜歡他，因?yàn)樗缓煤寐犝n，完全靠自學(xué)，考試時(shí)就要借用同學(xué)筆記，看好朋友的筆記去考試。最近我看到他考試的分?jǐn)?shù)，按6分制來判分，他最高得5分或者4分。現(xiàn)在中國的青年學(xué)生，好像得到九十幾分才滿意，他不是這樣。他大學(xué)畢業(yè)時(shí)想留校教書做研究沒有成功，老師不要他。他去做中學(xué)老師也不受歡迎，因?yàn)樗v課方法跟別人不同，和中學(xué)校長發(fā)生沖突。一直到他的一個(gè)好朋友介紹他做了專利局職員以后，生活才安定，然后靠業(yè)余時(shí)間做研究。明年是國際物理年，我想主要是紀(jì)念愛因斯坦和量子論。1905年也是愛因斯坦創(chuàng)造奇跡的一年，那一年他發(fā)表了四篇文章，都是具有劃時(shí)代意義的。其中關(guān)于狹義相對論兩篇：一篇是講時(shí)空的，一篇是講E＝MC2。另外兩篇是講光電效應(yīng)和布朗運(yùn)動(dòng)，這四篇都非常重要。 假定中國有個(gè)小孩也具有跟他一樣的素質(zhì)，恐怕比他還要難于在社會上生存。因?yàn)樗菢O端崇尚自由的人，想干什么就干什么，但他要念自己喜歡的書，不愿意去聽老師的課，不是那么循規(guī)蹈矩，這樣的學(xué)生按照中國目前的教育制度，恐怕早就被淘汰了，不在中學(xué)被淘汰，就在大學(xué)被淘汰，我想這樣的人在中國的研究機(jī)構(gòu)恐怕也不會受到歡迎。
如何培養(yǎng)真正能夠帶領(lǐng)整個(gè)隊(duì)伍邁向一個(gè)新的臺階、哪怕是少數(shù)的這樣的帥才，這個(gè)問題到現(xiàn)在我覺得還是一個(gè)難題，也沒有找到一個(gè)很好的辦法可以做到。我覺得現(xiàn)在我們很多體制非常之固定。在早期，清華大學(xué)就不是這樣，清華大學(xué)當(dāng)年可以發(fā)現(xiàn)華羅庚，不需要經(jīng)過考試，就把他調(diào)到學(xué)校來，先做圖書館的管理員，再培養(yǎng)成才。我不能想象今天的清華還能不能做得出這種事情來？所以在目前這樣一個(gè)體制下，如何來發(fā)現(xiàn)人才，特別是那些比自己更優(yōu)秀的人才，是一個(gè)在學(xué)�；蛟谘芯克锕ぷ鞯慕淌趥�、在座的各位都應(yīng)當(dāng)注意的一件事。
由于沒有帶頭的人才，所以我們現(xiàn)在很多研究方向的選擇比較分散，不能集中，因?yàn)橐x擇一個(gè)正確的方向，需要有創(chuàng)造性的直覺，做出具有前瞻性的選擇，這不是多數(shù)人能夠做到的。這里順便也講講我們撥款制度，現(xiàn)在如果有一個(gè)非常有名的人帶頭，提出好的研究方向，可以利用他的影響把錢撥過來，然后下面的人就可以不受干擾，圍繞這個(gè)方向做下去。如果沒有，大家就只好分散申請，一旦分散申請就要不斷地為了交賬而煩惱、奔忙，而且要
中國理論物理篇二：當(dāng)代物理學(xué)在中國的發(fā)展
�。ㄒ唬�20世紀(jì)上半葉中國物理學(xué)家的重要成就本世紀(jì)初，一批中國學(xué)者到西方國家學(xué)習(xí)現(xiàn)代物理學(xué)知識，開展物理學(xué)的研究工作。他們中間一些人學(xué)有所成后，回國興辦教育，出版刊物，組織學(xué)會和創(chuàng)辦研究機(jī)構(gòu)。由于他們的`辛勤勞動(dòng)、不懈努力，在國內(nèi)培養(yǎng)了一批優(yōu)秀的青年物理學(xué)人才。這些人再次被派遣出國留學(xué)深造，并在物理學(xué)研究方面做出了許多出色的工作。20世紀(jì)上半葉，中國物理學(xué)工作者在國內(nèi)外進(jìn)行了大量的研究工作，在物理學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域都做出了一些一流水平的成果，對現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。
1．力學(xué)
力學(xué)是研究物質(zhì)在力的作用下運(yùn)動(dòng)和變形規(guī)律的一門科學(xué)。它以研究天然的或人工的宏觀對象為主，也涉及宇觀或細(xì)觀甚至微觀各層次的對象及有關(guān)規(guī)律。按照上半世紀(jì)我國的科學(xué)劃分，力學(xué)也屬于物理學(xué)范疇內(nèi)，在力學(xué)領(lǐng)域取得重大成就的學(xué)者也都是物理學(xué)家，故將其歸之于物理學(xué)領(lǐng)域加以記述。我國學(xué)者在力學(xué)領(lǐng)域所取得的重大成就，主要在流體力學(xué)和應(yīng)用力學(xué)方面。
流體力學(xué)：周培源(1902～1993)1938年在西南聯(lián)合大學(xué)時(shí)即開始進(jìn)行不可壓縮粘性流體理論研究，在國際上首先提出了脈動(dòng)方程（或稱漲落方程），建立了普通湍流理論。根據(jù)這一理論對一些流動(dòng)問題做了具體計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)符合得很好(1940)。他的研究成果曾獲當(dāng)時(shí)國家教育部自然科學(xué)類一等獎(jiǎng)。張國藩(1905～1975)從30年代開始從事湍流理論研究，他認(rèn)為流體力學(xué)傳統(tǒng)的Navier-Stakes方程不能用于湍流，而必須先把湍流的物理機(jī)制搞清楚，按新的物理模型建立基本方程。為此他完成了以下工作：(1)類比分子運(yùn)動(dòng)論的方法，建立了湍流“溫度”、“壓強(qiáng)”和“熵”等物理量，并將它們編入流體力學(xué)方程，相當(dāng)詳細(xì)地討論了湍流通過圓管和兩個(gè)平行面之間的情況，并扼要地討論了湍流的衰減、湍流結(jié)構(gòu)和關(guān)聯(lián)作用的特性等問題。后來他又發(fā)展了上述思想，用量子統(tǒng)計(jì)方法求湍流能譜分布式。(2)論證了湍流運(yùn)動(dòng)是一種非牛頓流體運(yùn)動(dòng)，其內(nèi)部阻力應(yīng)改用冪數(shù)式表示，并依此建立了他自己的湍流運(yùn)動(dòng)方程。1950年，盧鶴紱(1914～1997)提出流體的容變粘滯性理論，從而推出霍爾假定的容變弛豫方程，并在聲傳播和吸收現(xiàn)象上取得初步成效。1951年，他又在全部頻率范圍內(nèi)將容變粘滯彈性理論應(yīng)用到超聲（及聲源前川流）的傳播和吸收現(xiàn)象上，得出能夠描述實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的有概括性的公式。莊逢甘1950年也研究了湍流的統(tǒng)計(jì)理論。1944年，林家翹(1916～)在美國加州理工學(xué)院對二維平行流穩(wěn)定性的研究取得了突破性進(jìn)展。他首次運(yùn)用漸近分析方法求出了完整的中性曲線，從而得出臨界雷諾數(shù)。他的理論結(jié)
果被后來的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算所證實(shí)，并第一個(gè)獲得美國物理學(xué)會頒發(fā)的流體力學(xué)獎(jiǎng)金(1979)。李政道(1926～)于1950～1951年，討論了湍流。他通過將Heisenberg湍流橫型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相結(jié)合，而計(jì)算了各向同性湍流的渦流粘滯系數(shù)，證明在二維空間中不存在湍流。40年代，錢學(xué)森(1911～)與Von Karman共同提出跨聲速流動(dòng)相似律和高超聲速流動(dòng)概念，為空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展奠定了重要理論基礎(chǔ)。1946年，錢學(xué)森與郭永懷(1909～1968)共同提出，在跨聲速流場中有實(shí)際意義的臨界馬赫數(shù)，不是原先被重視的下臨界馬赫數(shù)，而是來流的上臨界馬赫數(shù)。這對航空技術(shù)中突破聲障礙有重要意義。以后，郭永懷又把該工作推廣到包括有曲率流動(dòng)和繞儒可夫斯基薄翼流動(dòng)的情況，研究了繞物體跨聲流動(dòng)的穩(wěn)定性問題。他對于高超聲速可壓縮粘性流體繞尖劈運(yùn)動(dòng)及其離散效應(yīng)等，也進(jìn)行了成功的研究。
在應(yīng)用力學(xué)方面，20年代中期，魏嗣鑾(1895～1992)在德國研究應(yīng)用力學(xué)課題，以變分法探討了均勻負(fù)荷四邊固定的矩形板的撓度和彎矩。30年代，丁西林(1893～1974)創(chuàng)造了一種可逆擺，用以精確地測定g值，從而避免了過去以擺測定g值的許多實(shí)驗(yàn)誤差。30年代中期，江仁壽以一種帶有慣性棒的雙線懸掛裝置測定了液態(tài)堿金屬的粘滯性，他所改進(jìn)的方法后來被廣泛用于其他液態(tài)金屬粘滯性實(shí)驗(yàn)之中。1940年，錢偉長(1912～)首先以三維彈性理論為基礎(chǔ)，用張量分析微分幾何為工具，建立了薄殼和薄板的統(tǒng)一內(nèi)稟理論，其結(jié)果證明可以用板殼的中面拉伸應(yīng)變和曲率變化六個(gè)分量表示全部求解方程；并指出在Kirchhoff-Love的通常假定下，可以根據(jù)板殼厚度、曲率張量、拉伸應(yīng)變和曲率變化等四種物理量相對量級，把薄殼問題分為各種類型，它們的一級近似求解方程都各不相同。國際上有關(guān)薄殼SS12中的張量方程組，以及從該方程組導(dǎo)出的圓柱
淺殼和圓球淺殼方程被稱為“錢偉長方程”。
2．相對論、引力論及宇宙論
20年代后期，周培源就從事廣義相對論和宇宙論的研究。為了解決用于表示愛因斯坦引力場的10個(gè)二階非線性偏微分方程組中存在著一組由4個(gè)獨(dú)立的非線性偏微分方程所組成的Bianchi恒等式，致使僅僅用引力方程得不出10個(gè)引力函數(shù)（即引力張量的10個(gè)分量）的確定解這個(gè)難題，他主張附加物理?xiàng)l件，并曾引進(jìn)一個(gè)條件，從而獲得軸對稱引力場的一些解。1936～1937年，周培源在美國普林斯頓高等學(xué)術(shù)研究院參加愛因斯坦主持的討論班時(shí)，又計(jì)算了不同條件下靜止場不同類型的嚴(yán)格解，并證明在各向同性條件下，愛因斯坦引力場方程本身即可給出Friedmann宇宙的度規(guī)張量，使得該問題的解決大大簡化。30年代，束星北(1907～1983)探索引力場與電磁場的統(tǒng)一理論，這在當(dāng)時(shí)是一個(gè)超時(shí)代的課題。雖然他的研究未取得有實(shí)質(zhì)意義的進(jìn)展，但他的有關(guān)研究對后人還是有啟發(fā)性的。40年代初，胡寧(1916～)在普林斯頓高等學(xué)術(shù)研究院從事關(guān)于引力輻射阻尼的研究。他采用廣義相對論里通常的坐標(biāo)條件，改進(jìn)簡化了愛因斯坦等人的方法，首先計(jì)算出雙星系統(tǒng)的反阻尼結(jié)果。他的這一工作被普遍認(rèn)為是該方面理論研究的創(chuàng)造性貢獻(xiàn)。胡寧認(rèn)為由于廣義相對論里的力不是協(xié)變的，所以反阻尼的結(jié)果是可以理解的。他后來的工作指出坐
標(biāo)條件不是必需的，主張使用附合實(shí)際的物理?xiàng)l件，可以得到合理的結(jié)果。70年代末，正是在雙星輻射阻尼的觀察上得到引力波存在的第一個(gè)證據(jù)。
3．聲學(xué)
在古代，中國是對聲學(xué)做出突出貢獻(xiàn)的國家之一，到了近代，中國聲學(xué)研究比較落后。50年代中期以前只有少數(shù)科學(xué)家對少數(shù)的分支學(xué)科進(jìn)行過一些研究工作。
在空氣聲學(xué)方面，20年代后期，葉企孫(1898～1977)測定了清華大學(xué)禮堂的音質(zhì)，提出了改進(jìn)該建筑物音質(zhì)的具體辦法，并發(fā)表了《清大學(xué)禮堂之聽音困難及其改正》的論文，開創(chuàng)中國建筑聲學(xué)研究之先河。馬大猷(1915～)應(yīng)用求解波動(dòng)方程并使其滿足廳堂邊界條件的物理聲學(xué)方法，建立了房間聲學(xué)簡正波的理論基礎(chǔ)。早在1939年，他就突破了聲波要遠(yuǎn)小于房間尺寸和物體大小的限制，首先求得低頻范圍下矩形空室中的簡正波頻率分布公式，建議將它推廣到任意形態(tài)的房屋之中。接著他又與Hunt、Beranek合作，利用受壁面聲阻抗影響的阻尼聲波簡正振動(dòng)方式而分析了均勻壁面矩形室中的聲衰變，提出了分析混響的新方法。40年代，他利用波動(dòng)聲學(xué)方法探討了矩形室中非均勻的聲邊界、顫動(dòng)回聲以及房屋音質(zhì)的起伏等問題。第二次世界大戰(zhàn)期間，汪德昭(1905～)在法國國防部第四研究組承擔(dān)了反潛聲吶的研究，先后在主動(dòng)聲吶加大功率和以氣壓哨聲消除霧滴的研究方面做出優(yōu)異成果。魏榮爵(1916～)是中國聲學(xué)事業(yè)創(chuàng)始人之一，1950年，他在美國加利福尼亞大學(xué)運(yùn)用分子的弛豫吸收理論，成功地解決了低頻聲波在水霧中的反常吸收現(xiàn)象，指出聲波導(dǎo)致氣液兩相轉(zhuǎn)換是聲能消散的原因。他還進(jìn)行過聲波消霧的研究。
在超聲學(xué)方面，40年代初汪德昭在法國用聲柵光衍射方法研究了超聲波在二硫化碳液體中的聲吸收。這一早期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果被稱為是該領(lǐng)域最可靠的數(shù)據(jù)之一。1941～1943年，許宗岳(1911～1974)在美國布朗大學(xué)從事水超聲吸收的精確測量與理論研究。他用自己提出的力積分天平法，消除各種干擾，提高了靈敏度，在10～50MHz頻率范圍內(nèi)，測得室溫下自來水的2av-231017平均值為 45.4cm-1sec（2α為聲強(qiáng)衰減系數(shù)，v為聲頻率）。此數(shù)值與經(jīng)典stokes公式計(jì)算值有明顯的差異。他在解釋這一結(jié)果時(shí)，提出將 stokes公式修改為2a/v2=4π2(λ+2μ)ρ0c3，即除了考慮
水的剪切粘滯系數(shù)μ以外，還應(yīng)考慮“壓縮”粘滯系數(shù)λ。許宗岳的這一研究成果被稱為聲吸收測量的代表性工作和主要參考資料。40年代末，北京大學(xué)杜連耀在美國從事微波超聲的產(chǎn)生及應(yīng)用研究，發(fā)表論文10余篇，在1952～1955年間研制成鈦酸鋇壓電陶瓷的加壓和極化工藝，可取代昂貴的石英。他回國后繼續(xù)從事超聲學(xué)的研究工作。
4．熱學(xué)、熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理學(xué)
20世紀(jì)上半葉，中國物理學(xué)家在熱學(xué)、熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理學(xué)方面曾有過比較出色的研究成果。1936～1937年間，王竹溪(1911～1983)將H.A.Bethe于1935年提出的超點(diǎn)陣統(tǒng)計(jì)理論推廣成為普遍理論，既適用
于組元濃度相等，也適用于組元濃度不相等的情形，而且處理的是相當(dāng)普遍的一類長程相互作用，找到了計(jì)算超點(diǎn)陣位形分配函數(shù)的近似方法，從而在形式上給出了超點(diǎn)陣問題的普遍解。在隨后的多年中，超點(diǎn)陣仍是王竹溪繼續(xù)研究的課題。1942年他指導(dǎo)楊振寧做碩士論文的題目就是超點(diǎn)陣。楊振寧后來回憶說：“王先生把我引進(jìn)了物理學(xué)這一領(lǐng)域（統(tǒng)計(jì)力學(xué)），此后，它便一直是我感興趣的一門科學(xué)�！保ā蹲x書2教學(xué)四十年》，香港三聯(lián)書店）王竹溪還對多元系的平衡與穩(wěn)定性的熱力學(xué)理論做了深入的研究，發(fā)展了一極普遍的數(shù)學(xué)理論，它在整個(gè)熱力學(xué)理論體系中具有基本的重要性。他的長篇論文和在其專著《熱力學(xué)》（1955年版）中對平衡穩(wěn)定性的討論，至今仍然是這方面必須參考的重要文獻(xiàn)。張宗燧(1915～1969)于1936～1938年在英國劍橋大學(xué)學(xué)習(xí)期間，便開始從事統(tǒng)計(jì)物理學(xué)方面的研究，在合作現(xiàn)象，特別是固溶體的統(tǒng)計(jì)物理理論研究做出了重要貢獻(xiàn)。1937年，張宗燧將Bethe提出的超點(diǎn)陣統(tǒng)計(jì)理論推廣到包括了近鄰原子對之間的相互作用。1940年他回國任重慶中央大學(xué)物理系教授，與他的學(xué)生一起研究合作現(xiàn)象，建立了求固溶體位形自由能的方法，該方法不僅較為簡單、可靠，而且應(yīng)用面較廣。他還討論了合作現(xiàn)象中的準(zhǔn)化學(xué)公式的改進(jìn)問題，對量子系統(tǒng)的各態(tài)歷經(jīng)問題也進(jìn)行了研究。30年代，葛正權(quán)(1896～1988)在美國柏克萊加州大學(xué)所進(jìn)行的以分子束測定Bi2分解熱和驗(yàn)證Maxwell速度分布律的實(shí)驗(yàn)，是當(dāng)時(shí)聞名的工作。該實(shí)驗(yàn)不僅在測定分解熱方面取得了比前人精確得多的結(jié)果，更重要的是在驗(yàn)證Maxwell速度分布律方面取得了重大成就。他發(fā)現(xiàn)：實(shí)測的分布曲線與理論曲線相比，在高速端二者極為符合，而在低速端二者存在較大的差異。他分析了這種誤差的原因和技術(shù)上的困難，從而導(dǎo)至發(fā)現(xiàn)了Bi8分子，同
時(shí)也使以后數(shù)十年間不斷地有人以各種方法重復(fù)驗(yàn)證Maxwell分布律。而葛正權(quán)的這個(gè)實(shí)驗(yàn)則被作為經(jīng)典載入物理學(xué)著作之中。40年代在統(tǒng)計(jì)物理方面做研究的還有王明貞和王承書。王明貞(1906～)于1942年在美國Michigan大學(xué)首次獨(dú)立地從Fokker-Plank方程和Kramers方程中推導(dǎo)出自由粒子和簡單諧振子的布朗運(yùn)動(dòng)。1945年，她與G.E.Uhlenbeck教授合作的有關(guān)布朗運(yùn)動(dòng)理論的論文——《布朗運(yùn)動(dòng)的理論》，在近四十年的時(shí)間內(nèi)一直作為了解布朗運(yùn)動(dòng)的權(quán)威性文獻(xiàn)。王承書(1912～)40年代在美國從事統(tǒng)計(jì)物理學(xué)和稀薄氣體動(dòng)力學(xué)的研究。她根據(jù)Boltzmann方程研究稀薄氣體并發(fā)現(xiàn)了線性化的Boltzmann方程積分算符的本征函數(shù)及本征值，提出了被稱做WCU方程(王-Uhlenbeck方程)的多原子分子氣體的修正Boltz-mann方程。此外，黃子卿1935年精確測定了水的三相點(diǎn)；陳仁烈1935～1936年研究了金屬線和水銀的縱向熱電子發(fā)射；朱應(yīng)洗1939年詳細(xì)研究了在一些特定條件下通過氣體的熱傳導(dǎo)現(xiàn)象；吳仲華1947年對四沖程內(nèi)燃機(jī)的輸入過程的熱力學(xué)分析做了研究；楊立銘1948年研究了液體和氣體的擴(kuò)散理論，在流體的統(tǒng)計(jì)理論中，把Born-Green液體理論推廣到混合液體，并用統(tǒng)計(jì)方法導(dǎo)出了分子的擴(kuò)散系數(shù)。
楊振寧(1922～)在昆明西南聯(lián)合大學(xué)學(xué)習(xí)時(shí)，就在王竹溪的指導(dǎo)下研究統(tǒng)計(jì)物理。他在1944～1947年間，至少有四篇關(guān)于統(tǒng)計(jì)力學(xué)方面的論文，論述了相互作用能隨晶格常數(shù)的變化而變化、臨界溫度和超格比熱的關(guān)系、在超格統(tǒng)計(jì)理論中準(zhǔn)化學(xué)法的一般理論問題。Ising模型是聞名的
統(tǒng)計(jì)力學(xué)中的鐵磁學(xué)模型，是E.Ising為模擬鐵磁體在居里點(diǎn)的相變而提出來的。楊振寧于1925年解決了其中最困難的問題，分析了在正方形點(diǎn)陣下二維Ising模型的自發(fā)磁化強(qiáng)度的解析表達(dá)式，證明在居里點(diǎn)發(fā)生的現(xiàn)象確系一種相變。接著他又指導(dǎo)張承修將其方法推廣到長方形點(diǎn)陣Ising模型之中。1952年，楊振寧與李政道(1926～)合作提出了統(tǒng)計(jì)物理學(xué)中關(guān)于相變的兩個(gè)定理，以及有關(guān)巨配分函數(shù)之根的著名的“李-楊單圓定理”。他們的研究，嚴(yán)格定義了氣相、液相、固相中任一相的熱力學(xué)函數(shù)，證明熱力學(xué)函數(shù)能區(qū)別不同的相，不同相的這些函數(shù)一般地彼此不能解析延拓。他們將這個(gè)新誕生的廣義相變理論應(yīng)用到點(diǎn)陣氣體中，對后來關(guān)于惰性氣體的實(shí)驗(yàn)研究幫助極大。楊振寧與李政道合作還研究了硬球玻色(Bose)氣體的分子運(yùn)動(dòng)論。他們通過對級數(shù)有選擇求和，證明可以消除硬球玻色系統(tǒng)的發(fā)散性。這些工作在理論物理學(xué)的眾多領(lǐng)域被廣泛采用。他們還分析了硬球玻色系統(tǒng)的低溫特點(diǎn)，證明相互作用的玻色系統(tǒng)可顯示超流性，從而深入而全新地提供了理解液 He Ⅱ的異常現(xiàn)象的理論。
5．電磁學(xué)、無線電電子學(xué)和微波波譜學(xué)
在電學(xué)領(lǐng)域，北京大學(xué)物理系首屆畢業(yè)生孫國封(1880～1936)1923年在美國康乃爾大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室，使用他自己所設(shè)計(jì)的直接測量小相角的一種靈敏度高而精確的方法，測量電解質(zhì)電池的電容和電阻，說明了它們隨電動(dòng)勢、電池幾何結(jié)構(gòu)、溶液濃度、溫度、以及半透明鉑膜電極厚度的變化情況。在他的研究中，區(qū)分了電極電阻與電解質(zhì)電阻；并從測量的等效電阻和電容的值，推導(dǎo)了計(jì)算電池的實(shí)際電阻和電容的方法。30年代，薩本棟(1902～1949)創(chuàng)造性地將并矢方法和數(shù)學(xué)中復(fù)矢量應(yīng)用于解決三相電路問題。1936年，他在美國Trans，AIEE上發(fā)表的《應(yīng)用于三相電路的并矢代數(shù)》一文，被美國電氣工程師學(xué)會當(dāng)年冬季會議列為討論課題，并被該會評為1937年度“理論和研究最佳文章榮譽(yù)獎(jiǎng)”。1939年，薩本棟匯集了他的研究成果寫成《并矢電路》一書，是屬于“數(shù)學(xué)、物理、電機(jī)三角地帶”的新專著和新理論。該書出版不久，便被選入國際電工叢書，并獲中國電機(jī)工程師學(xué)會第一次榮譽(yù)獎(jiǎng)?wù)隆?0年代，薩本棟從事交流電機(jī)研究，以標(biāo)幺值系統(tǒng)分析交流電機(jī)問題，很具特色。他根據(jù)在廈門大學(xué)和美國講課的素材編寫的《交流電機(jī)基礎(chǔ)》一書，被英、美各國高等院校作為教本，開創(chuàng)了中國科學(xué)家編寫的自然科學(xué)教科書被外國普遍采用的先例。30年代，馬士修(1903～1984)在法國曾研究過扭力對電阻影響和Barkhausen效應(yīng)。1928～1930年間，嚴(yán)濟(jì)慈(1900～1996)先后在巴黎大學(xué)Fabry物理實(shí)驗(yàn)室和法國科學(xué)院大電磁鐵實(shí)驗(yàn)室對水晶壓電效應(yīng)做了深入的研究。他發(fā)現(xiàn)在垂直于電軸的晶面上施加電壓，晶片形變量與它的厚度無關(guān)，但與電壓強(qiáng)度有關(guān)。電壓不大時(shí)，晶片厚度的形變符合Curie定律，即形變比例于靜電場強(qiáng)度。在垂直于光軸的晶面上施加電壓，晶片厚度的形變極為微小，與絕緣體無異。他還觀察到水晶由于電壓而變形是瞬時(shí)的，無滯后現(xiàn)象。他還在沿水晶光軸做成的實(shí)心與空心兩種水晶圓柱體上施加扭力而產(chǎn)生起電現(xiàn)象，以及其扭轉(zhuǎn)壓電振蕩方面的研究。在這方面研究中，他發(fā)現(xiàn)水晶柱受扭力時(shí)產(chǎn)生電荷，這在理論上是有意義的。在無線電電子學(xué)和微波方面，也有一批中國學(xué)者做出了卓有成效的研究。
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