新冠疫情導(dǎo)致世界經(jīng)濟(jì)陷入衰退，已經(jīng)對各國政府的科研投入造成影響。近日，美國眾議院科學(xué)委員會表示希望在未來五年內(nèi)將國家科學(xué)基金（NSF）預(yù)算提高一倍以上，特別是用于加速成果轉(zhuǎn)化方面。對基礎(chǔ)科學(xué)——物理學(xué)來說，“純科學(xué)”項(xiàng)目不會帶來明確利益的情況下，還應(yīng)該繼續(xù)給物理學(xué)投入嗎？物理學(xué)家和哲學(xué)家給出了他們的理由，物理將會帶來長期的利益，也給人類帶來深刻。

撰文 | Cherry Murray（亞利桑那大學(xué)物理學(xué)教授）、Nick Treanor（愛丁堡大學(xué)準(zhǔn)教授）

翻譯 | 二維

美國物理學(xué)會通訊編輯Marric Stephens：投資應(yīng)用學(xué)科的回報是立竿見影的，人們也容易理解，比如醫(yī)藥、電子。物理學(xué)研究的產(chǎn)出不是很明顯，即便如此，我們?nèi)匀挥谐浞值慕?jīng)濟(jì)學(xué)、哲學(xué)上的理由支持物理科研。

大規(guī)模的新冠肺炎疫苗研發(fā)正在進(jìn)行，并已有許多不錯的成果。對于未來，人們有理由持有樂觀態(tài)度。不過，病毒仍追在我們屁股后面，催促我們向前，而疫情造成的經(jīng)濟(jì)后果將長期存在。即便在經(jīng)濟(jì)繁榮的年代，申請“純科學(xué)”項(xiàng)目都很困難，那在勒緊腰帶的時候，還有沒有理由給物理學(xué)投入？亞利桑那大學(xué)的物理學(xué)家Cherry Murray 和愛丁堡大學(xué)的哲學(xué)家Nick Treanor 分別寫了兩篇文章，給出了支持的理由。通過技術(shù)和產(chǎn)業(yè)界的例子和其影響力，Murray 認(rèn)為投資物理研究有經(jīng)濟(jì)意義。Treanor則認(rèn)為，即便不考慮這樣觸手可及的好處，物理研究依然是正向的，因?yàn)樗峁┙o世界的是無與倫比的深刻。

數(shù)據(jù)

新冠肺炎疫情使美國進(jìn)入了自二戰(zhàn)來最嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)衰退期。由于這種經(jīng)濟(jì)上的不景氣，各國政府正在謀尋經(jīng)濟(jì)刺激，如此一來可能會認(rèn)為維持或者提高科學(xué)研究上的長期投入并不重要，特別對物理學(xué)研究。但在我看來，這樣的投資會帶來高回報，對物理研究的穩(wěn)健投資不應(yīng)動搖，因?yàn)槲锢韺W(xué)研究能夠創(chuàng)造就業(yè)，推動經(jīng)濟(jì)。

我在高新科技行業(yè)深耕多年，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，我認(rèn)為在衰退時期持續(xù)并增加對物理學(xué)投資有三個主要原因。第一，科學(xué)進(jìn)步通過輸出技術(shù)革新推動經(jīng)濟(jì)的長期發(fā)展。兩個著名的例子是電子學(xué)和光學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展，它們帶來了計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)。隨之而來的是運(yùn)輸、能源、建筑、食品生產(chǎn)、水資源和公共衛(wèi)生，還有最近火熱的數(shù)字和生物科技等領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，它們帶來了重要的經(jīng)濟(jì)創(chuàng)新。

要激活這些革新背后的經(jīng)濟(jì)潛力，最直接的途徑是投資于“應(yīng)用啟發(fā)型”的物理學(xué)研究，也就是那些致力于直接創(chuàng)造新技術(shù)或者提升現(xiàn)有技術(shù)的項(xiàng)目。要設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)某種特定目標(biāo)的新材料（比如石墨烯和其它二維材料），物理學(xué)研究是基礎(chǔ)。這類研究對降低LED、光電池、高壓半導(dǎo)體和風(fēng)力發(fā)動機(jī)的成本至關(guān)重要，而這些正是我們朝可持續(xù)能源進(jìn)軍時的必備技術(shù)。在交叉學(xué)科領(lǐng)域，物理學(xué)專業(yè)知識對生產(chǎn)制造和分析技術(shù)都有貢獻(xiàn)，由此半導(dǎo)體、電池、環(huán)境衛(wèi)生和醫(yī)療健康等領(lǐng)域都有長足的發(fā)展。

第二個原因也與技術(shù)革新有關(guān)，那些為了滿足對宇宙萬物的好奇心而進(jìn)行的基礎(chǔ)物理研究，也間接地衍生出新科技。一個經(jīng)典的案例是萬維網(wǎng)的誕生。歐洲核子研究中心（CERN）是高能物理研究的圣地，由全世界多個研究組織構(gòu)成。上世紀(jì)80年代，研究人員為了解決在全球范圍內(nèi)共享數(shù)據(jù)的問題，發(fā)明了萬維網(wǎng)，它的出現(xiàn)進(jìn)而引領(lǐng)了幾十年后的數(shù)字革命。

另一個例子是上世紀(jì)50年代對原子鐘和超精密光譜學(xué)的研究，這些不同方向的、具有開拓性的物理概念跨越了幾十年，尤其是結(jié)合了狹義和廣義相對論，最終導(dǎo)致了衛(wèi)星定位系統(tǒng)的誕生。70年代全球定位系統(tǒng)（GPS）首次被應(yīng)用于衛(wèi)星追蹤，而半個世界后，衛(wèi)星定位已是導(dǎo)航系統(tǒng)和智能設(shè)備的必須功能。

亞波長成像技術(shù)也是源于物理學(xué)的基礎(chǔ)研究。為了從根本上克服傳統(tǒng)透鏡的分辨率極限，科學(xué)家在90年代發(fā)明了亞波長成像技術(shù)?，F(xiàn)在這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用在納米科技、生物學(xué)等領(lǐng)域，也促成了諸如晶體管和無線元件等設(shè)備的小型化，從而使物聯(lián)網(wǎng)成為現(xiàn)實(shí)。物理學(xué)的基礎(chǔ)研究也改變了醫(yī)學(xué)領(lǐng)域：1938年發(fā)現(xiàn)的核磁共振導(dǎo)致核磁共振成像技術(shù)（MRI）的應(yīng)用，MRI如今是任何一個醫(yī)院的標(biāo)配；1950年代研發(fā)的加速器技術(shù)現(xiàn)在被用于藥物研發(fā)和癌癥的治療。

上世紀(jì)中葉物理學(xué)的重大突破也正在促進(jìn)生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用——光遺傳學(xué)的發(fā)展。光遺傳學(xué)根源于激光技術(shù)和綠色熒光蛋白的發(fā)現(xiàn)，能夠讓我們更進(jìn)一步理解大腦功能，對神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療也有用武之地。

最后，我認(rèn)為應(yīng)該持續(xù)投入物理學(xué)研究的理由，與技術(shù)革新本身無關(guān)，而是在于研發(fā)技術(shù)所需要的人才。物理研究項(xiàng)目產(chǎn)生了數(shù)字經(jīng)濟(jì)需要的科技勞動力。大約75%本科畢業(yè)生和50%物理學(xué)博士畢生生在工業(yè)領(lǐng)域找工作。盡管如此，高科技公司仍為了找到合適的人才費(fèi)盡腦筋。政府的刺激方案會起到一定作用，因?yàn)榛A(chǔ)物理學(xué)研究的經(jīng)費(fèi)會鼓勵年輕人學(xué)習(xí)物理，而且在美國獲得物理學(xué)博士學(xué)位的人數(shù)與經(jīng)費(fèi)水平直接相關(guān)。

——Cherry Murray

知識的基本價值

想象一下，如果現(xiàn)在是1750年，你想知道地球的密度是多少，查閱圖書或者咨詢專家都沒什么用。因?yàn)楫?dāng)時還沒有確切的值。得到答案的唯一方式是你自己測量，計(jì)算。如此付出真的值得嗎？如果值得，又因?yàn)槭裁茨兀克膬r值存在于你得到的數(shù)值，還是在于研究的過程？

18世紀(jì)70年代，以牛頓的思想實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，一個團(tuán)隊(duì)在蘇格蘭高地榭赫倫山進(jìn)行了兩年的地球密度測量工作。實(shí)驗(yàn)的基本原理并不復(fù)雜，利用萬有引力定律，如果他們能夠測量山的質(zhì)量，并確定在低一點(diǎn)的山坡上掛著的鐘擺的偏轉(zhuǎn)量，那么便能夠推導(dǎo)出地球的平均密度。測量地點(diǎn)經(jīng)過了精心考察而選定，榭赫倫山形狀對稱，周圍也沒有其他高山（忽略其其他山體的引力作用）。為了使工作更輕松，他們也假設(shè)了山有均勻的地質(zhì)構(gòu)成。但這仍然是一項(xiàng)艱苦的工作，需要強(qiáng)大的身體素質(zhì)、精神和足夠的物資。

榭赫倫山（Schiehallion） 圖源：Dez/stock.adobe.com

最后，他們回答了自己的問題，準(zhǔn)確度也還可以。跟許多偉大的研究一樣，他們的結(jié)論帶來了很多意想不到的發(fā)現(xiàn)。為了確定鐘擺的偏轉(zhuǎn)量，他們改進(jìn)了天頂象限儀的使用；為了確定榭赫倫山的質(zhì)量，他們還提出了等高線的概念。

現(xiàn)在看來，這些分支成就會顯得幾年時間的投入很有意義。知識就是力量呀，當(dāng)我們知道了那些我們在意，那些對我們來說重要的事情，我們就要去做。然而，如果明確的目標(biāo)就是努力的唯一理由，那是否值得去做就必須要通過實(shí)際利益和機(jī)會成本來權(quán)衡——這些發(fā)現(xiàn)將帶什么好處？這些科學(xué)家在這段時間內(nèi)還能做什么？他們的資源能更有效地利用嗎？

科學(xué)是昂貴的，我們需要決定把時間、精力和金錢到底用在哪個方向，還要知道如何有效利用。據(jù)我們所知，相對于其他科學(xué)家感興趣的課題，吸引物理學(xué)家的疑團(tuán)往往實(shí)際收益不大。假設(shè)事實(shí)就是如此，那么還有什么理由認(rèn)為物理應(yīng)該得到特殊支持嗎？

我認(rèn)為是有的，不是因?yàn)槲锢?，而是因?yàn)檎軐W(xué)——我的研究領(lǐng)域。但我不會在一本寫給物理學(xué)家的雜志上喋喋不休地把前因后果全講清楚，只是根據(jù)我自己和同事的研究，試圖給出一個大致的解釋。

所有探索的領(lǐng)域都產(chǎn)生知識，知識是寶貴的，有些知識絕對要重視，去求索。但是在科學(xué)中，物理學(xué)是獨(dú)一無二的，它所產(chǎn)生知識也是其它學(xué)科無法比肩的。這些知識之所以更重要，是因?yàn)槲锢韺W(xué)的研究范圍比生物學(xué)更大嗎，正如宇宙遠(yuǎn)比生物圈大得多？當(dāng)然不是。而是因?yàn)橐粋€理論所包含的知識量是由它所涉及的問題、屬性和關(guān)系的“基礎(chǔ)性”決定的。

這里有個比喻更能闡釋我的觀點(diǎn)：你和朋友兩個人，朋友有一個蘋果，你和他都知道了蘋果的一個屬性——蘋果歸屬于你的朋友。如果你學(xué)到了蘋果是水果的一種，那你就知道了蘋果的新的屬性：蘋果屬于水果。顯然，這個性質(zhì)更加基本，而歸屬于誰并不基本。

所有求知領(lǐng)域都有助于讓我們?nèi)绱溯x煌的世界更為清晰，而物理追求世界最基本的方面。它所告訴我們的比其他任何東西都要多。如果知識是好東西，越多越好，那物理就應(yīng)當(dāng)?shù)玫教厥庵С?，不必去考慮它能帶來的實(shí)際利益。

——Nick Treanor

作者簡介

Cherry Murray：生物圈二號（Biosphere2 ）副主任，亞利桑那大學(xué)物理學(xué)教授。曾在在貝爾實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行研究工作并擔(dān)任行政職位（1978年-2004年），曾任勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室科學(xué)和技術(shù)部門副主任 (2004–2009)，哈佛大學(xué)工程和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院院長(2009–2015)，美國能源部科學(xué)辦公室主任(2015–2017)，2019年被選為國際科學(xué)院組織（IAP）聯(lián)合主席。美國國家科學(xué)院、美國國家工程院院士、美國藝術(shù)與科學(xué)研究院院士。曾獲美國國家技術(shù)與創(chuàng)新勛章。2009年美國物理學(xué)會（APS）主席。

Nick Treanor ：愛丁堡大學(xué)的準(zhǔn)教授（Reader）。在來愛丁堡之前，他是劍橋大學(xué)的哲學(xué)系Newton Trust Lecturer，丘吉爾學(xué)院成員。他的研究方向?yàn)橹R的量化維度、認(rèn)識論、形而上學(xué)、語言哲學(xué)和科學(xué)哲學(xué)的基本問題之間的聯(lián)系。