相对论的创立，实际上源于作为电磁波存在假设，假想载体“以太”的一个质疑，美国物理学家迈克尔循，于1887年公布了一个实验报告，称为地球和光以太的相对运动表明，在牛顿力学领域里普遍成立的相对性原理在麦克斯韦电磁场理论中不成立。荷兰物理学家罗伦兹和法国物理学家彭加勒等都想在保留以太架说的基础上解决这一矛盾，落论字通过引入长度收缩局部时间，和新的变换关系，证明地球系统与以太服从相同的规律。彭加勒提出的相对性远离和落论兹提出的变换群则强调相对性原理普遍的有效性。彭家勒和落论兹的工作已经不自觉地偏离了经典物理学的框架，并且在向相对论的大门前进，甚至有的人说已经扣响了相对论的大门，但是他们没有勇气再向前突破原来经典理论的框架。因此创立相对论的机会跟重任还是留给了爱因斯坦。爱因斯坦他就是敢于质疑前人提出的但后来被实验证明是有缺陷的，有矛盾的假说或者是理论，他就认为，以太学说是多余的，而且更重要的是他提出了同时的相对性的这一关键的科学问题。爱因斯坦在他论动体的电动力学当中，通过严密的分析指出，同一地点发生的两个事件同时性是不依赖于观察者的，而异地发生的两个事件的同时性则是依赖于观察者的，只有指明相对哪一个观察者不同地点的同时性才有意义。同时这种相对性，我们在日常生活当中几乎观察不到，观察者的运动速度只有当接近光速的时候，才能发现它，爱因斯坦借助于同时相对性的概念，通过光速恒定和相对性两条原理，推导出狭义相对论的主要结论。狭义相对论的进一步发展就是广义相对论，这是十年以后了，1915年和统一场论，爱因斯坦以其相对论研究的三部曲向物理学的同行展示了他非凡的科学思维创造力，跟挑战已有理论跟理论体系的勇气。第三、给我们的启示，我认为是科学的想象力需要严谨的实验证据支持。前面讲到了提出科学问题很重要，要勇于挑战已有的科学理论，勇敢的提出质疑，但是这种质疑绝不是胡思乱想，绝不是毫无根据的，狂妄的去挑战已有的真理，而是需要严谨的实验作为依据。1915年，爱因斯坦发表了根据广义相对论对宇宙学做出考察这篇论文，标志着现代宇宙学的诞生，尽管爱因斯坦的宇宙模型还是沿袭了牛顿静态宇宙观，但是他所给出的场方程却允许宇宙动态解的存在。稍候一些，1917年荷兰著名的天文学家德西特，1922年俄国数学家副里德曼以及1927年比利时的物理学家勒每特先后提出了膨胀宇宙论，美国的天文学家哈玻，所观测到的红移定律等，红移现象等有力地支持了宇宙膨胀理论。俄国出身的美国物理学家加莫夫1946年基于膨胀理论的基础上，根据引入合物理的知识，提出了宇宙大爆炸理论，认为宇宙的起源是温度和密度接近无穷大的原始火球爆炸而产生的，他的学生阿尔法等人，1948年进一步推算出了宇宙大爆炸应该发生在150—200亿年以前，并且预言大爆炸所形成的余烬在今天应该表现为5K左右的宇宙背景辐射。1964年，美国两位电讯工程师彭齐亚跟威尔逊在研究卫星的电波通信的时候，他们制作了一个非常灵敏的接收机，接收到了来自宇宙各方向强度都不变的背景微波辐射，这种微波辐射恰好相当于3.5K左右的遥远宇宙的黑体辐射，跟前面的预言是非常之接近的。这一表现被认为是证实了宇宙大爆炸学说的背景辐射的预言，随后大爆炸学说被广泛的接受，并且发展成为当代宇宙学的一个标准模型。早在20世纪初，爱因斯坦就把地球磁场的起源也列为物理学的五大难题之一，但直到地震波方法确认了地球全层结构以后的60年代，人们才提出自激发电机假说，而它的科学认证却要等到1995年核一曼差异运动的证据获得，对于固体地球内部结构了解的进展主要借助于地震波方式，通过穿透地球内部的地震波速度变化的分析，逐步的形成了关于地球圈层结构的概念，克罗地亚地球物理学家莫霍落维奇发现地壳与地幔的分界面。德国美国地震学家古登堡发现了地幔与地核还有一个分界面，就是固体地球内部是由多层构成的，而且层与层之间有明显的分界面。雷曼发现了液体外地核和固体内地核之间也存在分界面，布伦提出了地球的分层模型，在前面发现的基础上，布伦概括总结起来，提出了地球分层模型，已经到了1946年，核一幔旋转差异，是为解释地磁场起源而提出的一种假说，后来又被用来解释地磁极性倒转的一种机制，但开始没有得到科学的证据。一直到了1960年代到90年代，美国哥伦比亚大学工作的宋晓东和理查兹，他们通过1967—1995年靠近南极的南美桑威奇群岛附近发生的38次地震记录的分析，测量了通过地球内核传到靠近北极的啊拉私家克里奇地震台的地震波速度，发现30年当中南极发生的地震波到达北极快了0.3秒，也就是说传播的速度不一样，由此直接证实了地球内核比地壳和地幔转动要稍稍快一点，大概三百年内要多转一周，如果把地球看成鸡蛋样的话，蛋黄转的快一点，三四百年当中要多转一圈，这个鸡蛋已经是臭鸡蛋了。这是一个重大的发现。我们从爱因斯坦相对论宇宙大爆炸理论和地球磁场理论提出与完善过程当中可以看到下面几点：第一、在科学发展终结决问题是重要的，而提出重要的科学问题似乎更关键。第二、提出科学问题是科学研究的前提，提出重要的科学问题它更能够昭示科学所蕴含的创造力。第三、有时一个重要科学问题的提出甚至能够开辟一个新的研究领域和研究方向。第四、提出问题，需要对已有知识的透彻理解，需要热爱真理胜过尊重权威的科学态度，需要极强的科学观察力和洞察能力，以及创造性的思维能力，同时还需要敢于创新的勇气和信心。比如宋晓东他们两位，他们实际上主要不是依靠自己的实验数据，而是分析了近30多年的各地震台所记录的实验数据，找到了传播速度的差异，这在当代这样子可能性会更多，比如在生命科学领域，现在全世界有大量的基因组的数据，包括人类基因组，水稻基因组，蚕的基因组等等，而且这些数据都是公开的，可以用。但是到现在为止，基因组的语法，它基因组跟功能，基因功能之间的关系的规律，并没有被系统的揭示，我相信揭示这个规律的人，不一定是完成基因组的那群科学家，也许是其他另外的科学家，利用这些数据，创造性的揭示了它基因组的语法，基因组的结构与功能之间的相互关系的规律。这点来说，对于发达国家跟发展中国家工作的科学家，似乎是公平的，因为全世界科学家都可以用这些数据，天文观测当中也同样的，哈波望远镜的数据，跟我们包括粒子物理当中对撞机的许多数据，也是可以公开的获取，或者是半公开的获取，你只要参与进去，就可以分享这些数据。第四、我认为从物理学启示当中，一条重要的启示是物理学包括其他的自然科学，都需要数学语言。因为数学是对数与形的简捷的概括和优美的表达方式，所以物理的规律，往往用数学语言来表达。

    近代物理学的书写语言几乎都是数学，德国天文学家开普勒用代数方程总结出了行星运动的三定律，被誉为世界第一位数学物理学家。意大利物理学家伽利略以几何学方法论证落体运动定律，牛顿力学的三定律，用最简单的代数方程来表达的，树立了近代科学成功的里程碑。18世纪天体力学主要进展也多数是数学方法取的，19世纪实验开始上升为物理学的重要方法，实验物理学的数学化成了19世纪物理学的特点，革命导师马克思曾经认为，只有当一门科学成功地运用数学才可以认为是成熟了的学科。但是现在马克思的这一结论，还需要在生命科学领域里边得到证实，因为生命科学尤其到了分子生物学这个阶段，目前还没有一个统一的、成熟的数学方程可以概括它的规律，也许人们还没有走到这一步。在20世纪，物理学与数学的紧密关系，远非其前三个世纪所能比，并且越来越显示出数学与物理的内在的一致性。比如非欧几里得几何学与广义相对论，比如希尔伯特空间与量子力学，微分几何学与规范场论之间，似乎当代的一些新的物理理论出现的时候，都能够找到数学工具，或者是创造新的数学工具，来为之服务，来描述。因此我们可以认为，物理学不仅是数学家面临大量新的数学问题，而且某种意义上也能够引领着数学家朝着起先还梦想不到的地方前进。物理学家狄拉克和费曼提出了路径积分与泛函的内在联系，使得费曼积分的严格数学成为21世纪重要的数学问题之一。统计物理学与概率数学的内在联系，逐渐使得相变数学理论成为统计物理严格数学基础的核心问题之一。这仅仅是两个例子，我们认真去研究物理数学的对应关系，还可以找到很多。今天我们应对生命科学的数学化还要有充分的思想准备，数学与生命科学的之间的关系，虽然现在看来，并不紧密，但是我相信，必将随着理论生物学的成长而变得越来越密切。兴许我们的后代，能够为复杂的生命现象找到简捷而美妙的数学描述方法。不仅生命科学要善于利用那些为描述生命现象提前准备了的数学工具，这在历史上也是有的，数学家也要沿着生命科学提出的那些过去的数学，还未曾梦想到的方向努力。所以这就需要生命科学家在研究工作当中，积极主动的邀请吸引理论物理学家和数学家去参与，也要求理论物理学家和数学家积极主动的关心跟参加到生命科学与认知科学研究当中去。

    另外一方面，数学与物理的结合一个重要的标志是电子数字计算机，我们不妨看看，计算机理论发展的历程，1936年英国数学家图灵提出机械计算机模型。这可以认为是本来需要人脑所进行的计算过程，有可能依靠机器来进行。1938年，两年以后，布尔他提出用布尔代数分析复杂的开关电路。这当然应该是当代计算机的一个数学基础。1940年，美国数学家维纳提出，自动计算机应该采用电子管的高速开关组成逻辑电路，以进行二进制加法和乘法的数字运算。维纳的贡献，就是把香农提出的二进制方法找到了物理模型来实践，高速开关电路。包括他的计算器，也是两种状态的计算器，一直沿用到现在仍然是主流。1945年匈牙利出生的美国数学家冯诺依曼提出了计算机应该有内存预制的，而且可编的程序。就是计算机不光要有运算器，要有集成器，而且还应该有一个可编程序系统，从而完善了当代计算机的理论框架。

    在这些思想指导下，人们研制出数字计算机，电子计算机经过了电子管、晶体管、集成电路等各阶段，发展成为能为广大公众普遍运用的PC电脑。电子数字计算机是一种延扩大脑的机器，它是数学与物理结合的产物，而它的产生又对数学和物理学产生巨大的影响，不仅是数学和物理，对所有的人，包括自然，乃至于经济社会，产生出了物学的数学实验，我们有理由期待数学与生命科学结合的生物计算机的出现，并且通过它来理解人的大脑的运作等诸多生命活动复杂的规律，这些至今人们还不太清楚。

    第五、新仪器的发明为当代科学打开了新的途径跟窗口。人类最早的时候是用肉眼来观察周围世界的，后来出现了光学望远镜和显微镜，他们在20世纪分别发展成为射电望远镜和电子显微镜，一个是宏观观测生物宇宙空间，一个是微观观测深入观测生命现象和分子构造，观测物质的分子原子结构，甚至人们还想深入到原子内部，这就不是显微镜可以看到的，因此发展了粒子加速器，发展了超级的计算机。科学家们依靠放射性物质和来自宇宙空间的高能粒子，对一些原子核内部的物质特性进行探索，加速器的发明使人类深入到微观的粒子世界，发现了μ介子，π介子和K介子等重要粒子。加速器的发明跟发展也经历了差不多70年左右时间的努力，到现在。自加速器产生了π介子以后，许多新粒子接踵被发现，1960年又发现了一批被称之为共振态的粒子，正是在这些粒子的分类研究基础上，建立了夸克模型，并且不断验证和完善，推动了基本粒子的标准模型和完善。在加速器原理的基础上，发展起来的同步辐射装置和自由电子激光装置，作为可调光源在基础科学研究和工业领域都有着广泛的应用。现在我们国家除了北京对撞机同时分时作为同步辐射光源使用以外，我们已经有合肥的科大的专用的同步辐射光源，正在建设新一代的上海同步辐射光源。电子数字计算机对于物理学研究来说，我看有两方面的意义，一方面是面对没有解析解的无理方程现在可以用计算机实现数值解。另外一方面，对实际上不能实现的某些设想的实验，可以先由计算机来进行模拟，因此在原有的实验方法和理论方法之外，物理学又获得了一种新的方法，数学实验，数学实验是一种介于经典演绎法和经典实验方法之间新的科学探索的方法，其实质是对于客观现象进行实验，他并不是对客观现象进行真正的实验，而是对它们的数学模型进行验证和实验。数学模拟，他包括四个基本方面，一个是建立对象的数学模型，拟定分析模型的数值方法，编制实现分析方法的程序，在电子计算机上执行程序，有的时候还要设定一些优化的目标等等，数学实验使得物理学最终形成了实验物理、理论物理和计算物理三足鼎立的格局，但是光靠计算是计算不出真理来，计算物理，它最后的结果，还是要通过实验物理进行验证，还要寻求更加精确的理论构造，这是无疑的。在科学已经越来越依赖于研究手段的今天，实验手段的进步不仅可以有助于理论突破，甚至可以打开新的窗口，改变科学家的思路，开辟新的研究领域，任何轻视实验手段和方法的思想，都可能使科学处于停滞和陷于困境。这也是为什么在理论物理取得巨大成就的今天，人们还要耗费须资，去制造对撞机，去制造天文望远镜，去制造聚变实验装置，去制造一个又一个有巨大分辨率的电子计算机，核磁共振设备等等。

    第六个启示是物理学与生命科学之间相互作用。生命是物质的，所以物理学的发展也必定要涉及涵盖生命物质的规律的研究。物理学与其他自然科学交叉与相互作用，曾经产生并形成了科学物理学，生物物理学和心理物理学，天体物理学、地球物理学，大气物理学海洋物理学和空间物理学等诸多的交叉学科，这种交叉和相互作用最突出的表现还在于，20世纪的生命科学在物理学的基础上发生了革命性的变化，也就是DNA双螺旋结构的发现以及分子生物学的信息。