后疫情时代投资物理学研究的重要意义

新冠疫情导致世界经济陷入衰退，已经对各国政府的科研投入造成影响。近日，美国众议院科学委员会表示希望在未来五年内将国家科学基金（NSF）预算提高一倍以上，特别是用于加速成果转化方面。对基础科学——物理学来说，“纯科学”项目不会带来明确利益的情况下，还应该继续给物理学投入吗？物理学家和哲学家给出了他们的理由，物理将会带来长期的利益，也给人类带来深刻。

撰文 | Cherry Murray（亚利桑那大学物理学教授） 、Nick Treanor（爱丁堡大学准教授）

翻译 | 二维

美国物理学会通讯编辑Marric Stephens：投资应用学科的回报是立竿见影的，人们也容易理解，比如医药、电子。物理学研究的产出不是很明显，即便如此，我们仍然有充分的经济学、哲学上的理由支持物理科研。

大规模的新冠肺炎疫苗研发正在进行，并已有许多不错的成果。对于未来，人们有理由持有乐观态度。不过，病毒仍追在我们屁股后面，催促我们向前，而疫情造成的经济后果将长期存在。即便在经济繁荣的年代，申请“纯科学”项目都很困难，那在勒紧腰带的时候，还有没有理由给物理学投入？亚利桑那大学的物理学家Cherry Murray 和爱丁堡大学的哲学家Nick Treanor 分别写了两篇文章，给出了支持的理由。通过技术和产业界的例子和其影响力，Murray 认为投资物理研究有经济意义。Treanor则认为，即便不考虑这样触手可及的好处，物理研究依然是正向的，因为它提供给世界的是无与伦比的深刻。

数据

新冠肺炎疫情使美国进入了自二战来最严重的经济衰退期。由于这种经济上的不景气，各国政府正在谋寻经济刺激，如此一来可能会认为维持或者提高科学研究上的长期投入并不重要，特别对物理学研究。但在我看来，这样的投资会带来高回报，对物理研究的稳健投资不应动摇，因为物理学研究能够创造就业，推动经济。

我在高新科技行业深耕多年，根据经验，我认为在衰退时期持续并增加对物理学投资有三个主要原因。第一，科学进步通过输出技术革新推动经济的长期发展。两个著名的例子是电子学和光学领域的发展，它们带来了计算机和通信技术。随之而来的是运输、能源、建筑、食品生产、水资源和公共卫生，还有最近火热的数字和生物科技等领域的蓬勃发展，它们带来了重要的经济创新。

要激活这些革新背后的经济潜力，最直接的途径是投资于“应用启发型”的物理学研究，也就是那些致力于直接创造新技术或者提升现有技术的项目。要设计实现某种特定目标的新材料（比如石墨烯和其它二维材料），物理学研究是基础。这类研究对降低LED、光电池、高压半导体和风力发动机的成本至关重要，而这些正是我们朝可持续能源进军时的必备技术。在交叉学科领域，物理学专业知识对生产制造和分析技术都有贡献，由此半导体、电池、环境卫生和医疗健康等领域都有长足的发展。

第二个原因也与技术革新有关，那些为了满足对宇宙万物的好奇心而进行的基础物理研究，也间接地衍生出新科技。一个经典的案例是万维网的诞生。欧洲核子研究中心（CERN）是高能物理研究的圣地，由全世界多个研究组织构成。上世纪80年代，研究人员为了解决在全球范围内共享数据的问题，发明了万维网，它的出现进而引领了几十年后的数字革命。

另一个例子是上世纪50年代对原子钟和超精密光谱学的研究，这些不同方向的、具有开拓性的物理概念跨越了几十年，尤其是结合了狭义和广义相对论，最终导致了卫星定位系统的诞生。70年代全球定位系统（GPS）首次被应用于卫星追踪，而半个世界后，卫星定位已是导航系统和智能设备的必须功能。

亚波长成像技术也是源于物理学的基础研究。为了从根本上克服传统透镜的分辨率极限，科学家在90年代发明了亚波长成像技术。现在这项技术应用在纳米科技、生物学等领域，也促成了诸如晶体管和无线元件等设备的小型化，从而使物联网成为现实。物理学的基础研究也改变了医学领域：1938年发现的核磁共振导致核磁共振成像技术（MRI）的应用，MRI如今是任何一个医院的标配；1950年代研发的加速器技术现在被用于药物研发和癌症的治疗。

上世纪中叶物理学的重大突破也正在促进生物医学应用——光遗传学的发展。光遗传学根源于激光技术和绿色荧光蛋白的发现，能够让我们更进一步理解大脑功能，对神经系统疾病的治疗也有用武之地。

最后，我认为应该持续投入物理学研究的理由，与技术革新本身无关，而是在于研发技术所需要的人才。物理研究项目产生了数字经济需要的科技劳动力。大约75%本科毕业生和50%物理学博士毕生生在工业领域找工作。尽管如此，高科技公司仍为了找到合适的人才费尽脑筋。政府的刺激方案会起到一定作用，因为基础物理学研究的经费会鼓励年轻人学习物理，而且在美国获得物理学博士学位的人数与经费水平直接相关。

——Cherry Murray

知识的基本价值

想象一下，如果现在是1750年，你想知道地球的密度是多少，查阅图书或者咨询专家都没什么用。因为当时还没有确切的值。得到答案的唯一方式是你自己测量，计算。如此付出真的值得吗？如果值得，又因为什么呢？它的价值存在于你得到的数值，还是在于研究的过程？

18世纪70年代，以牛顿的思想实验为基础，一个团队在苏格兰高地榭赫伦山进行了两年的地球密度测量工作。实验的基本原理并不复杂，利用万有引力定律，如果他们能够测量山的质量，并确定在低一点的山坡上挂着的钟摆的偏转量，那么便能够推导出地球的平均密度。测量地点经过了精心考察而选定，榭赫伦山形状对称，周围也没有其他高山（忽略其其他山体的引力作用）。为了使工作更轻松，他们也假设了山有均匀的地质构成。但这仍然是一项艰苦的工作，需要强大的身体素质、精神和足够的物资。

榭赫伦山（Schiehallion） 图源：Dez/stock.adobe.com

最后，他们回答了自己的问题，准确度也还可以。跟许多伟大的研究一样，他们的结论带来了很多意想不到的发现。为了确定钟摆的偏转量，他们改进了天顶象限仪的使用；为了确定榭赫伦山的质量，他们还提出了等高线的概念。

现在看来，这些分支成就会显得几年时间的投入很有意义。知识就是力量呀，当我们知道了那些我们在意，那些对我们来说重要的事情，我们就要去做。然而，如果明确的目标就是努力的唯一理由，那是否值得去做就必须要通过实际利益和机会成本来权衡——这些发现将带什么好处？这些科学家在这段时间内还能做什么？他们的资源能更有效地利用吗？

科学是昂贵的，我们需要决定把时间、精力和金钱到底用在哪个方向，还要知道如何有效利用。据我们所知，相对于其他科学家感兴趣的课题，吸引物理学家的疑团往往实际收益不大。假设事实就是如此，那么还有什么理由认为物理应该得到特殊支持吗？

我认为是有的，不是因为物理，而是因为哲学——我的研究领域。但我不会在一本写给物理学家的杂志上喋喋不休地把前因后果全讲清楚，只是根据我自己和同事的研究，试图给出一个大致的解释。

所有探索的领域都产生知识，知识是宝贵的，有些知识绝对要重视，去求索。但是在科学中，物理学是独一无二的，它所产生知识也是其它学科无法比肩的。这些知识之所以更重要，是因为物理学的研究范围比生物学更大吗，正如宇宙远比生物圈大得多？当然不是。而是因为一个理论所包含的知识量是由它所涉及的问题、属性和关系的“基础性”决定的。

这里有个比喻更能阐释我的观点：你和朋友两个人，朋友有一个苹果，你和他都知道了苹果的一个属性——苹果归属于你的朋友。如果你学到了苹果是水果的一种，那你就知道了苹果的新的属性：苹果属于水果。显然，这个性质更加基本，而归属于谁并不基本。

所有求知领域都有助于让我们如此辉煌的世界更为清晰，而物理追求世界最基本的方面。它所告诉我们的比其他任何东西都要多。如果知识是好东西，越多越好，那物理就应当得到特殊支持，不必去考虑它能带来的实际利益。

——Nick Treanor

作者简介

Cherry Murray：生物圈二号（Biosphere2 ）副主任，亚利桑那大学物理学教授。曾在在贝尔实验室进行研究工作并担任行政职位（1978年-2004年），曾任劳伦斯利弗莫尔国家实验室科学和技术部门副主任 (2004–2009)，哈佛大学工程和应用科学学院院长(2009–2015)，美国能源部科学办公室主任(2015–2017)，2019年被选为国际科学院组织（IAP）联合主席。美国国家科学院、美国国家工程院院士、美国艺术与科学研究院院士。曾获美国国家技术与创新勋章。2009年美国物理学会（APS）主席。

Nick Treanor ：爱丁堡大学的准教授（Reader）。在来爱丁堡之前，他是剑桥大学的哲学系Newton Trust Lecturer，丘吉尔学院成员。他的研究方向为知识的量化维度、认识论、形而上学、语言哲学和科学哲学的基本问题之间的联系。