後疫情時代投資物理學研究的重要意義_風聞

新冠疫情導致世界經濟陷入衰退，已經對各國政府的科研投入造成影響。近日，美國眾議院科學委員會表示希望在未來五年內將國家科學基金（NSF）預算提高一倍以上，特別是用於加速成果轉化方面。對基礎科學——物理學來説，“純科學”項目不會帶來明確利益的情況下，還應該繼續給物理學投入嗎？物理學家和哲學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（亞利桑那大學物理學教授） 、Nick Treanor（愛丁堡大學準教授）

翻譯 | 二維

美國物理學會通訊編輯Marric Stephens：投資應用學科的回報是立竿見影的，人們也容易理解，比如醫藥、電子。物理學研究的產出不是很明顯，即便如此，我們仍然有充分的經濟學、哲學上的理由支持物理科研。

大規模的新冠肺炎疫苗研發正在進行，並已有許多不錯的成果。對於未來，人們有理由持有樂觀態度。不過，病毒仍追在我們屁股後面，催促我們向前，而疫情造成的經濟後果將長期存在。即便在經濟繁榮的年代，申請“純科學”項目都很困難，那在勒緊腰帶的時候，還有沒有理由給物理學投入？亞利桑那大學的物理學家Cherry Murray 和愛丁堡大學的哲學家Nick Treanor 分別寫了兩篇文章，給出了支持的理由。通過技術和產業界的例子和其影響力，Murray 認為投資物理研究有經濟意義。Treanor則認為，即便不考慮這樣觸手可及的好處，物理研究依然是正向的，因為它提供給世界的是無與倫比的深刻。

數據

新冠肺炎疫情使美國進入了自二戰來最嚴重的經濟衰退期。由於這種經濟上的不景氣，各國政府正在謀尋經濟刺激，如此一來可能會認為維持或者提高科學研究上的長期投入並不重要，特別對物理學研究。但在我看來，這樣的投資會帶來高回報，對物理研究的穩健投資不應動搖，因為物理學研究能夠創造就業，推動經濟。

我在高新科技行業深耕多年，根據經驗，我認為在衰退時期持續並增加對物理學投資有三個主要原因。第一，科學進步通過輸出技術革新推動經濟的長期發展。兩個著名的例子是電子學和光學領域的發展，它們帶來了計算機和通信技術。隨之而來的是運輸、能源、建築、食品生產、水資源和公共衞生，還有最近火熱的數字和生物科技等領域的蓬勃發展，它們帶來了重要的經濟創新。

要激活這些革新背後的經濟潛力，最直接的途徑是投資於“應用啓發型”的物理學研究，也就是那些致力於直接創造新技術或者提升現有技術的項目。要設計實現某種特定目標的新材料（比如石墨烯和其它二維材料），物理學研究是基礎。這類研究對降低LED、光電池、高壓半導體和風力發動機的成本至關重要，而這些正是我們朝可持續能源進軍時的必備技術。在交叉學科領域，物理學專業知識對生產製造和分析技術都有貢獻，由此半導體、電池、環境衞生和醫療健康等領域都有長足的發展。

第二個原因也與技術革新有關，那些為了滿足對宇宙萬物的好奇心而進行的基礎物理研究，也間接地衍生出新科技。一個經典的案例是萬維網的誕生。歐洲核子研究中心（CERN）是高能物理研究的聖地，由全世界多個研究組織構成。上世紀80年代，研究人員為了解決在全球範圍內共享數據的問題，發明了萬維網，它的出現進而引領了幾十年後的數字革命。

另一個例子是上世紀50年代對原子鐘和超精密光譜學的研究，這些不同方向的、具有開拓性的物理概念跨越了幾十年，尤其是結合了狹義和廣義相對論，最終導致了衞星定位系統的誕生。70年代全球定位系統（GPS）首次被應用於衞星追蹤，而半個世界後，衞星定位已是導航系統和智能設備的必須功能。

亞波長成像技術也是源於物理學的基礎研究。為了從根本上克服傳統透鏡的分辨率極限，科學家在90年代發明了亞波長成像技術。現在這項技術應用在納米科技、生物學等領域，也促成了諸如晶體管和無線元件等設備的小型化，從而使物聯網成為現實。物理學的基礎研究也改變了醫學領域：1938年發現的核磁共振導致核磁共振成像技術（MRI）的應用，MRI如今是任何一個醫院的標配；1950年代研發的加速器技術現在被用於藥物研發和癌症的治療。

上世紀中葉物理學的重大突破也正在促進生物醫學應用——光遺傳學的發展。光遺傳學根源於激光技術和綠色熒光蛋白的發現，能夠讓我們更進一步理解大腦功能，對神經系統疾病的治療也有用武之地。

最後，我認為應該持續投入物理學研究的理由，與技術革新本身無關，而是在於研發技術所需要的人才。物理研究項目產生了數字經濟需要的科技勞動力。大約75%本科畢業生和50%物理學博士畢生生在工業領域找工作。儘管如此，高科技公司仍為了找到合適的人才費盡腦筋。政府的刺激方案會起到一定作用，因為基礎物理學研究的經費會鼓勵年輕人學習物理，而且在美國獲得物理學博士學位的人數與經費水平直接相關。

——Cherry Murray

知識的基本價值

想象一下，如果現在是1750年，你想知道地球的密度是多少，查閲圖書或者諮詢專家都沒什麼用。因為當時還沒有確切的值。得到答案的唯一方式是你自己測量，計算。如此付出真的值得嗎？如果值得，又因為什麼呢？它的價值存在於你得到的數值，還是在於研究的過程？

18世紀70年代，以牛頓的思想實驗為基礎，一個團隊在蘇格蘭高地榭赫倫山進行了兩年的地球密度測量工作。實驗的基本原理並不複雜，利用萬有引力定律，如果他們能夠測量山的質量，並確定在低一點的山坡上掛着的鐘擺的偏轉量，那麼便能夠推導出地球的平均密度。測量地點經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）。為了使工作更輕鬆，他們也假設了山有均勻的地質構成。但這仍然是一項艱苦的工作，需要強大的身體素質、精神和足夠的物資。

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

最後，他們回答了自己的問題，準確度也還可以。跟許多偉大的研究一樣，他們的結論帶來了很多意想不到的發現。為了確定鐘擺的偏轉量，他們改進了天頂象限儀的使用；為了確定榭赫倫山的質量，他們還提出了等高線的概念。

現在看來，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，當我們知道了那些我們在意，那些對我們來説重要的事情，我們就要去做。然而，如果明確的目標就是努力的唯一理由，那是否值得去做就必須要通過實際利益和機會成本來權衡——這些發現將帶什麼好處？這些科學家在這段時間內還能做什麼？他們的資源能更有效地利用嗎？

科學是昂貴的，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。據我們所知，相對於其他科學家感興趣的課題，吸引物理學家的疑團往往實際收益不大。假設事實就是如此，那麼還有什麼理由認為物理應該得到特殊支持嗎？

我認為是有的，不是因為物理，而是因為哲學——我的研究領域。但我不會在一本寫給物理學家的雜誌上喋喋不休地把前因後果全講清楚，只是根據我自己和同事的研究，試圖給出一個大致的解釋。

所有探索的領域都產生知識，知識是寶貴的，有些知識絕對要重視，去求索。但是在科學中，物理學是獨一無二的，它所產生知識也是其它學科無法比肩的。這些知識之所以更重要，是因為物理學的研究範圍比生物學更大嗎，正如宇宙遠比生物圈大得多？當然不是。而是因為一個理論所包含的知識量是由它所涉及的問題、屬性和關係的“基礎性”決定的。

這裏有個比喻更能闡釋我的觀點：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——蘋果歸屬於你的朋友。如果你學到了蘋果是水果的一種，那你就知道了蘋果的新的屬性：蘋果屬於水果。顯然，這個性質更加基本，而歸屬於誰並不基本。

所有求知領域都有助於讓我們如此輝煌的世界更為清晰，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，那物理就應當得到特殊支持，不必去考慮它能帶來的實際利益。

——Nick Treanor

作者簡介

Cherry Murray：生物圈二號（Biosphere2 ）副主任，亞利桑那大學物理學教授。曾在在貝爾實驗室進行研究工作並擔任行政職位（1978年-2004年），曾任勞倫斯利弗莫爾國家實驗室科學和技術部門副主任 (2004–2009)，哈佛大學工程和應用科學學院院長(2009–2015)，美國能源部科學辦公室主任(2015–2017)，2019年被選為國際科學院組織（IAP）聯合主席。美國國家科學院、美國國家工程院院士、美國藝術與科學研究院院士。曾獲美國國家技術與創新勳章。2009年美國物理學會（APS）主席。

Nick Treanor ：愛丁堡大學的準教授（Reader）。在來愛丁堡之前，他是劍橋大學的哲學系Newton Trust Lecturer，丘吉爾學院成員。他的研究方向為知識的量化維度、認識論、形而上學、語言哲學和科學哲學的基本問題之間的聯繫。