筆者非物理科班出身，畢業(yè)后也未從事這方面的科研，只是在科學(xué)史教學(xué)中閱讀了一些資料，形成了一些想法。感到由此或可把握20世紀(jì)物理學(xué)的基本脈絡(luò)，不知是否得當(dāng)，冒昧上載，甘愿充當(dāng)靶子，以求得各位的指正。

因博文的容量有限，讀者也不耐煩長篇大論，因而此處剔除了具體論述和有關(guān)資料，僅摘出了主要線索。

狂飆突進(jìn)時期

可以把20世紀(jì)物理學(xué)的發(fā)展分為兩個階段。前一階段自19世紀(jì)末到20世紀(jì)30年代，這是一個劇烈變動的時期，借用文學(xué)史上的名詞稱之為“狂飚突進(jìn)”時期。18世紀(jì)末到19世紀(jì)初，歌德與席勒等人在德國文壇掀起了一場類似于文藝復(fù)興的急風(fēng)暴雨般的解放運動。后人稱之為“狂飆突進(jìn)”。同樣，在這一時期，革命風(fēng)暴席卷物理學(xué)領(lǐng)域并開始蔓延至天文學(xué)、化學(xué)等學(xué)科，具體可以科學(xué)革命的三大事件理出三條線索，即電子和放射性的發(fā)現(xiàn)，量子論，以及愛因斯坦的相對論。

19世紀(jì)末電子和放射性的發(fā)現(xiàn)在人們面前展示了一個新的天地，一個前所未有的微觀世界。原子不再是物質(zhì)最小的單位，原子不再永恒不變。彭加勒稱鐳為“當(dāng)代偉大的革命家”。既然發(fā)現(xiàn)原子有自己的組成部分，科學(xué)家即開始構(gòu)想包括電子在內(nèi)的原子結(jié)構(gòu)模型，以解釋已知的物理和化學(xué)現(xiàn)象。電子發(fā)現(xiàn)者湯姆遜作了早期的嘗試。盧瑟福于1911年提出有核的行星式原子模型，未超越經(jīng)典物理學(xué)框架，尚有待于理論上的突破。

1900年，普朗克提出能量子假說以解釋黑體輻射。1911年的索耳末會議是物理學(xué)史上的重要會議，物理學(xué)家意識到量子概念的重要性。德波羅意受會議精神的感召而投身于物理學(xué)。玻爾則受到鼓舞，在1913年提出原子模型的量子化軌道理論，標(biāo)志著上述兩條線索的合流。1918年，玻爾提出著名的對應(yīng)關(guān)系，闡明新理論與經(jīng)典物理學(xué)之間繼承與突破的關(guān)系，揭示微觀世界和宏觀世界之間的連續(xù)和間斷。1927年，德波羅意、海森堡、薛定諤等人的工作完成對舊量子論的改造，建立起量子力學(xué)。

被稱為“匯集全球三分之一智慧的1927年第五次索爾維會議”

三排：奧古斯特·皮卡爾德、E. Henriot、保羅·埃倫費斯特、Ed. Herzen、Théophile de Donder、歐文·薛定諤（中）、E. Verschaffelt、沃爾夫?qū)づ堇⑽旨{·海森堡（右三）、R.H.福勒、里昂·布里淵

二排：彼得·德拜、馬丁·努森、威廉·勞倫斯·布拉格、Hendrik Anthony Kramers、保羅·狄拉克、阿瑟·康普頓、路易·德布羅意、馬克斯·波恩、尼爾斯·玻爾（右一）

一排：歐文·朗繆爾、馬克斯·普朗克、瑪麗·居里、亨得里克·洛侖茲、阿爾伯特·愛因斯坦、保羅·朗之萬、Ch. E. Guye、C.T.R.威爾遜、O.W.里查森 

狂飆突進(jìn)時期的第三條線索是愛因斯坦的相對論。相對論提出后，狄拉克等人逐步將其與量子力學(xué)相結(jié)合，得到一系列成果如預(yù)言并發(fā)現(xiàn)了正電子等，物理學(xué)革命的三條主線結(jié)合在一起。此外，統(tǒng)計力學(xué)的發(fā)展也保證了主線的推進(jìn)和爾后在各方面的應(yīng)用。

20世紀(jì)頭30年是人們對物理世界的觀念發(fā)生根本變化的30年。W·布拉格風(fēng)趣地說，物理學(xué)家恐怕得在星期一、三、五用光的古典理論，而在二、四、六用光的量子論。當(dāng)時的一位物理系研究生在聽了普林斯頓高級研究院的講課后說：“真是棒極了！可是我們上星期所學(xué)的物理學(xué)都被推翻了?！边@句話生動地表現(xiàn)出當(dāng)時知識旋風(fēng)般前進(jìn)的狀況。

在這30年中，物理學(xué)家否定了虛假的物質(zhì)以太，進(jìn)入了“不可入”的原子，發(fā)現(xiàn)了新的物質(zhì)：電子、原子核等等。他們在認(rèn)識到能量的間斷與光的粒子性后，接著又揭示了物質(zhì)的波動性，并將這兩方面結(jié)合起來。絕對時空成為歷史，人們發(fā)現(xiàn)了自己生活于四維時空中。

在觀念的變革中，物理學(xué)家提出了原子模型，建立了量子力學(xué)和相對論。經(jīng)典物理學(xué)成為遠(yuǎn)為宏偉的現(xiàn)代物理學(xué)大廈中的一部分。科學(xué)從未在如此短的時期內(nèi)經(jīng)歷這么大的變革。這確是前所未有的狂飆突進(jìn)時期，在爾后年代中，物理學(xué)經(jīng)歷相對穩(wěn)定的發(fā)展，上述變革在各個領(lǐng)域結(jié)出豐碩成果。

物理學(xué)革命的蔓延與深入

20世紀(jì)30年代后是第二階段，大致沿以下方向進(jìn)行。一個方向是由原子結(jié)構(gòu)沿著量子階梯繼續(xù)下行，深入探討低于原子核層次的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。另一個方向是與天文學(xué)結(jié)合形成天體物理學(xué)和隨后發(fā)展起來的宇宙學(xué)。近來這兩個方向正在合流。

第三個方向，相對論逐步演變?yōu)閷Υ蠼y(tǒng)一理論的追求。量子力學(xué)在30年代后的發(fā)展分化為兩支，其一與化學(xué)，生物學(xué)等學(xué)科相結(jié)合而進(jìn)入分子、生命領(lǐng)域，也就是沿量子階梯上行；其二用于研究各種凝聚態(tài)物質(zhì)，這是30年代后物理學(xué)研究的最廣闊的領(lǐng)域。

可以20世紀(jì)50年代為界分為前后兩個時期，前一時期主要是發(fā)現(xiàn)核的組成：質(zhì)子、中子，實現(xiàn)人工核反應(yīng)，形成核物理學(xué)和建立核模型。由20世紀(jì)50年代至今是這一線索發(fā)展的第二時期，主要是揭示出較質(zhì)子、中子更深的物質(zhì)層次，提出夸克等粒子，以及探索它們?nèi)绾涡纬少|(zhì)子、中子等。本世紀(jì)的LHC(大型強子對撞機)有望開啟第三個時期。

這一線索的發(fā)展，實際上是從化學(xué)家手中接過探索物質(zhì)結(jié)構(gòu)的接力棒沿量子階梯繼續(xù)下行。認(rèn)識途徑也與20世紀(jì)之前的化學(xué)相似，即通過各種手段發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象，推測新的實體、粒子，以及可能的結(jié)構(gòu)，然后再以此來說明現(xiàn)象。日本物理學(xué)家武谷三男將這種認(rèn)識途經(jīng)歸為認(rèn)識的三階段論，即由現(xiàn)象論經(jīng)實體論再到本質(zhì)論。

可以把20世紀(jì)前的天文學(xué)路徑大致歸結(jié)為由幾何天文學(xué)到動力學(xué)天文學(xué)。前者指由托勒密、哥白尼到開普勒，討論天體間的空間位置關(guān)系，后者指從牛頓經(jīng)拉普拉斯到19世紀(jì)的發(fā)現(xiàn)，討論天體間的力學(xué)關(guān)系。此外，20世紀(jì)前天文學(xué)的主要認(rèn)識范圍是在太陽系。

20世紀(jì)來由于和物理學(xué)的緊密結(jié)合，天文學(xué)在兩個方向獲得迅猛發(fā)展。一是視野大為擴(kuò)展，從太陽系、銀河系、河外星系，一直到宇宙，討論宇宙的結(jié)構(gòu)和演化。二是研究天體的內(nèi)部組成，產(chǎn)能機制和演變規(guī)律，這兩個方向又緊密合在一起。

當(dāng)前，天體物理學(xué)、宇宙學(xué)與上述基本粒子的研究呈現(xiàn)合流的趨勢。例如，天體物理學(xué)要研究中子星、黑洞中的物質(zhì)形態(tài)，基本粒子物理也要探討中子、夸克等。極早期宇宙及粒子的生成是當(dāng)前宇宙學(xué)的前沿。于是，天文學(xué)與理論物理學(xué)相結(jié)合，宇觀的研究與微觀的研究殊途同歸。

這一合流有其深刻根據(jù)。首先，萬物的本原與萬物或宇宙的起源，本來是一而二、二而一的問題，前者從存在的角度，后者從發(fā)展的角度討論同一問題。這兩條線索的合流說明20世紀(jì)科學(xué)的歷史化趨勢。沿量子階梯探索更深層次，也就是沿宇宙演化回溯直至其起源。

其次，這一合流顯示了科學(xué)的辯證發(fā)展。古代人的自然觀即認(rèn)為萬物由某種本原組成，萬物“從之”而出，本原與起源是同一的。經(jīng)過漫長的發(fā)展，20世紀(jì)科學(xué)重新提出這一問題，顯示出對古代自然哲學(xué)的辯證的復(fù)歸。

統(tǒng)一物理學(xué)的努力在數(shù)百年前就已開始了。牛頓統(tǒng)一了天上的力學(xué)和地上的力學(xué)，麥克斯韋在他的方程中統(tǒng)一了電學(xué)和磁學(xué)。20世紀(jì)，尤其在愛因斯坦后，這種努力日益增長，力圖統(tǒng)一的范圍也越來越廣。由大統(tǒng)一理論、弱—電理論、超引力理論，到標(biāo)準(zhǔn)模型，后者對應(yīng)于宇宙起源。標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言存在希格斯子，從而聯(lián)系到基本粒子物理。

反之，研究宇宙起源和更深層次的物質(zhì)也就是在作統(tǒng)一物理學(xué)的努力。這三條線索正在匯合起來，共同探討物質(zhì)的“本原”，萬物之起源，以及宇宙的和諧統(tǒng)一。統(tǒng)一物理學(xué)的努力指導(dǎo)著物理學(xué)家的前進(jìn)，然而在他們的面前并不存在一勞永逸的“統(tǒng)一理論?！?/p>

上述三條線索之間存在以下關(guān)系。以基本粒子物理和宇宙學(xué)以及天體物理學(xué)為一方，主要在于發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象和實體，統(tǒng)一理論則試圖對此作出解釋并提出預(yù)言，以指導(dǎo)另一方的前進(jìn)，今后這一傾向?qū)⒏鼮橥怀?。在愛因斯坦建立相對論的過程中看到類似的特點，理論預(yù)言常常走在觀察、實驗的前面，甚至是先有數(shù)學(xué)，然后再找到物理意義。

此外，隨著研究的深入，對實驗中能量的要求越來越高而超越當(dāng)前儀器設(shè)備和技術(shù)，理論卻可以作出預(yù)言和解釋。同時，人們也對LHC寄予厚望。這三條線索總體而言是沿量子階梯下行，也就是沿宇宙演化方向回溯，探索更低層次和更早時期，直至古希臘人所夢寐以求的本原和始基。

如果說基本粒子物理、宇宙學(xué)和統(tǒng)一理論是當(dāng)代物理學(xué)發(fā)展的前沿，那么凝聚態(tài)物理學(xué)就是發(fā)展的主流。美國物理學(xué)史主任威爾特在上世紀(jì)80年代初指出，“固體物理發(fā)展為凝聚態(tài)物理學(xué)的歷史，是過去50年物理學(xué)發(fā)展的核心?！爆F(xiàn)在依然如此。 

此外，還必須提及統(tǒng)計物理學(xué)的歷程。沒有這一發(fā)展，前述各條線索都將是不可能的。更為引人注目的是非平衡態(tài)熱力學(xué)的發(fā)展，1905年，玻爾茲曼提出宇宙起伏說，認(rèn)為宇宙中的偶然地區(qū)會發(fā)生違背熱力學(xué)第二定律的過程。1931年，盎薩格用統(tǒng)計力學(xué)觀點推出不可逆過程的倒易關(guān)系。1949年，普里高津提出不可逆過程熱力學(xué)中的最小熵產(chǎn)生原理，以說明宇宙演化中違背熱力學(xué)第二定律的現(xiàn)象。普里高津后來將他的概念發(fā)展為耗散結(jié)構(gòu)理論。這一理論與哈肯的協(xié)同學(xué)，艾根的超循環(huán)理論和突變論共同被稱為自組織理論或新三論。

新三論成為更為廣闊的復(fù)雜性科學(xué)的組成部分，推進(jìn)并漸次融入更加開闊和變動不居的后現(xiàn)代科學(xué)。