科学成功需要几个必要条件，这些条件可以简单地归纳为人才、环境、方向和时间。先就人才问题谈一点看法：科学成就出在青年。我想首先简单地讲一下科学成就对社会的影响，然后再阐述青年在攻克科学难点时所起的作用。
19 世纪末、20世纪初，物理学存在两大谜。一个是1887年迈克尔孙、莫雷关于光速的实验。大家都知道地球在转动，一般人凭直觉都会认为光的速度顺着地球转动的方向与背着地球转动的方向会不一样，顺着地球转会快一点，可是实际测出的结果却是一样的。看上去这个结果有点奇怪，也许大家都会认为这个结果与我们日常生活关系不大。可是，根据这个实验，爱因斯坦创造了狭义相对论。另一个谜是1900年初普朗克公式的发现。普朗克的目的是要研究黑体辐射。物体热了以后总是要辐射的，辐射光中包含各种波长，但是每种波长的光的辐射能量密度是不同的，有一定的分布。这种能量密度的公式无法用经典力学和经典物理学推导出来。普朗克猜了一下，提出了量子的假设，根据普朗克假设导出的公式，其结果与实验结果完全符合。这个公式导致了量子力学的诞生。
有了狭义相对论和量子力学就产生了原子物理学（包括对原子结构的了解）、分子物理学、核物理学（包括对核能的认识）、激光、半导体、超导体和超级计算机，等等。可以这样说，20世纪绝大多数科学文明都是从这两个理论引导出来的。没有相对论，没有量子力学，就没有这些现代文明。
科学成就出在青年
青年人才在科学成就的取得中起了关键作用，1905 年，爱因斯坦创立了相对论，那时他25岁。1912年，玻尔创立量子论时才27岁。到1925年，量子力学大发展阶段，爱因斯坦只有45岁，玻尔也还年轻，而创立并建立量子力学的不是爱因斯坦，也不是玻尔，而是薛定谔、海森伯和泡利，他们当时分别是37岁、24岁和25岁，是一代新的人才。到1927年，当时25岁的狄拉克建立了狄拉克方程，完成了相对论量子力学的建立。至此，整个量子力学的框架及其相对论性全部建立起来了。
到了30年代，又迎来了原子核物理的新挑战。当年创建量子力学的英雄们都还年轻，只有30来岁，有的40余岁，可是解决问题的是日本28岁的汤川秀树（Yukawa Hideki）。第二次世界大战以后，又有新的一代青年科学家向量子电动力学挑战。
以上事实充分说明了科学成就出在青年。但是，仅仅是年纪轻，不一定能取得成功，还需要有合适的环境和正确的方向。
讲到环境，需要指出的是，以上科学成就的取得，玻尔研究所起了很大作用。前面提到，玻尔自己创立了量子论，而这些青年科学家都是因为有机会在玻尔的研究所内工作才获得成功的，所以环境是相当重要的因素。又如，汤川秀树与攻量子电动力学的朝永振一郎（Tomonaga Shinichiro）是在日本理研所（RIKEN）工作的。量子电动力学理论基础的研究工作完成于1945-1947年，当这些主要文章发表的时候，朝永振一郎 36岁，施温格（J.S.Schwinger）和费恩曼（R.P. Feynman）都是29 岁。
50年代，在高能物理实验和对宇宙线的观测中都发现了奇异粒子。奇异粒子的发现向科学家发起了新一轮的挑战，又是新一代青年物理学家迎接了挑战。24岁的盖尔曼（M.Gell-Mann）提出了奇异量子数。在理论方面，我自己（29岁）与杨振宁（33岁）发现了弱相互作用下宇称不守恒定律。1957年，吴健雄（当时45岁）用实验验证了这个定律。
到60年代，我们要把弱相互作用和电磁相互作用统一起来，格拉肖（S.L.Glashow）于1961年（当时29岁），温伯格（S.Weinberg）于1967年（当时37岁）分别发表并完善了电弱统一理论。新的环境也形成了，这就是美国哥伦比亚大学物理系和普林斯顿高等研究中心。施温格和我都在哥伦比亚大学工作，盖尔曼在哥伦比亚大学工作过，吴健雄是哥伦比亚大学的教授，温伯格是我的助教，也是哥伦比亚大学的，杨振宁是在普林斯顿大学高等研究中心做研究工作的。这些事实充分证明了科学成就出在青年，当然还需要另外几个条件。环境条件的重要性已显示出来。方向和时间这两个条件下面会提到。
到了70年代，量子电动力学，奇异粒子问题和电弱作用统一理论都被解决了，强相互作用发出了新的挑战，它是由量子色动力学作为其理论基础的，这一难题的主要解决者是26岁的胡夫特（G.'t Hooft）和28岁的波利策（D.Politzer），又是一代新人。
生物学方面也是这样，非常重要的DNA双螺旋结构是由37岁的克里克（F.H.C.Crick）和25岁的沃森（J.D.Watson）在1953年发现的。
科学的不断进步，向人们提出了一轮又一轮新的挑战，而同时又造就了一代又一代青年科学家。物理学方面是这样，生物学和其他学科方面也是这样。科学成就的取得在于青年，一代新人才，一片新科技。
方向、时间、人才和环境
下面讲一下方向、时间和人才、环境的结合。如何认识方向，制造环境，紧抓时间和机遇，需要老一代科学家和政府政策的支持。例如，创立了量子论的玻尔，量子力学虽然不是他创造的，丹麦也只是一个北欧小国，但是，在他主持下的玻尔研究所却为年轻人提供了极好的环境。在他的引导下，海森伯等人才能集中精力创立非相对论性和相对论性量子力学，作出了划时代的贡献，奠定了20世纪现代物理学，以及几乎所有其他科学和技术的基础，包括激光、半导体、超导、核能等等。
怎样认识方向呢？认识方向，必须了解当代科学有哪些大问题还没有解决。基础科学与其他科学不很一样。例如物理学，它的研究范围很广，可是它的目的是将一切宇宙间形形色色物质的现象归纳为很少的几个基本定理，攻克这几个基本定理就等于攻克整个宇宙的规律，就有可能解释各种宇宙现象。物理学的手法与其他学科不大一样，注重的是创造简单的定理，完成精密的计算和实验，然后普遍地、广泛地向一切物质现象求证和应用，我们关心的是当代科学存在哪些未决的大问题。
我认为，当代科学存在着四个大问题还没有得到解决。
1. 对称的理论与不对称的实验。我们知道，宇宙中存在着三大相互作用，强相互作用、电弱相互作用和引力相互作用，这三大相互作用都是基于对称的理论归纳并分类的。可是实验不断地发现自然界存在着对称不守恒，这是为什么，我们不清楚。
2. 看不见的夸克。基本粒子有两大类，一类叫夸克，一类叫轻子。可是实验发现所有的夸克都不能独立存在，都是看不见的，这是为什么呢？
另外两大问题是从天文观测中产生的。
3. 反常的暗物质。宇宙中占90%以上的物质是暗物质。什么是暗物质呢？通常物质中除了存在引力作用外，还存在着强相互作用和电弱相互作用。可是对于暗物质，我们只能从引力作用中发现它的存在，在这种物质中测不出任何强相互作用和电弱相互作用。所以，暗物质不同于通常（包括我们自身在内的）物质，而且通常物质占少数，暗物质占大多数。他们是什么，我们不清楚。
4. 巨能的类星体。据估计，宇宙中大约存在一百万个类星体。每一个类星体的能量约为太阳能量的10”倍。一个太阳的能量比地球上已知的一般能源，如石油、煤炭等的能量总和大一百万倍，可是类星体的能量比太阳的能量还要大一百万的一百万倍。这是什么形式的能量，我们不知道，它的存在我们是知道的。所以宇宙中蕴藏着极大的挑战。绝大多数物质我们不了解，巨大的能源我们也不了解。
这些就是当代科学中存在的几大问题。面对这些挑战，我们应采取什么措施？
对于前两个问题，即对称的理论与不对称的实验和看不见的夸克问题，我们设想从探索真空的构造中来获得解释。当然，这仅仅是假设，还需要实验来证实它。什么是真空？真空是没有物质的空间。假若把现在这个报告厅封起来，人都离开，把空气抽掉，将内部的原子和分子都抽走，可使它近于真空。但是，虽然成了真空，万有引力还是穿得过的。其他弱作用、电磁作用的场，还有色动力学的场也通得过。虽然没有物质，但是因为有场的存在，就有涨落，真空就很复杂，是个媒介体，可以不对称，也可以有相变，这种相变与超导的相变是一类的。我们希望能用实验的方法改变真空。这是我们想要解决而面临的当代一大挑战。为此，我们必须对量子色动力学进行精密的计算，下面会谈到如何进行计算。
反常的暗物质和巨能的类星体的性质，我们都不懂，它们都是在“大爆炸”以后产生的。可以设想一种方法，那就是用高能加速器人为地制造“大爆炸”，模拟与“大爆炸”后比较接近的环境，并跟踪研究，观察其演变的动态过程，从而有可能得到暗物质或类星体在大爆炸以后生成和演化过程。
这些问题的关键在于加速器。位于美国布鲁克黑文实验室的相对论性重离子对撞机（RHIC），能把重离子加速到20太电子伏的能量。利用金核与金核进行对撞，在如此巨大能量下对撞，则很短的时间内产生的真空会与现实的真空不一样，可以用最精密的方法找出它的相变。这台对撞机在1999年8月建成，是多年前由我提议建造的，这是全世界正在建造和即将完成的最大的加速器。这台加速器与以前的加速器有根本的不同，以前的高能加速器都是用于研究单纯的基本粒子构造的。
以前研究物质结构的指导思想是，大的由小的组成，小的由更小的组成，只要研究透最小的物质，就可以知道最大物质的构造。由于有量子力学的不确定性原理，位置与动量测定的不确定性的乘积大于或等于
一个常数，即普朗克常数。所以，要研究的对象越小，需要的动量和能量就越大，这就是我们以前要建造高能加速器的原因。这种思想自汤姆孙（J.J.Thomson）1897年发现电子以来，一直指导着我们的研究。
RHIC的指导思想并非如此，它不仅仅是为了研究基本粒子的构造，它是要把最小最基本粒子的构造与宏观的真空统一起来，作为一个整体来研究。这是现代物理学研究的新方向。我相信这不仅会影响 21世纪的物理研究，也会影响 21世纪所有学科的研究，可能包括高科技的研究。
这里我要举一个具体的例子来解释一下方向、环境、时间与人才的关系。
在我的倡议和组织下，在美国布鲁克黑文国家实验室（BNL）成立了由日本理研所（RIKEN）资助的 RIKEN·BNL研究中心（RBRC），由我担任主任。这个中心成立的目的之一就是要为年轻人创造一个良好的科研环境，同时还建造了用于计算量子色动力学的超级并行计算机（QCDSP）。这个计算机的建造仅花了一年时间。
1997年8月，在我主持下，哥伦比亚大学理论物理组开始建造0.46万亿次浮点计算/秒的并行计算机。1997年9月，RBRC成立；1998年2月，RBRC开始建造0.64万亿次浮点计算/秒的并行计算机；1998年8月，这两台计算机都建成并组合为一台1.1万亿次浮点计算/秒的QCDSP，1998年11月这台计算机获得了戈登·贝尔（Gordon Bell）奖，这是一项由微软公司和美国电气与电子工程师协会（IEEE）主持的计算机重要奖项。
我们的目的不是造计算机，而是研究物理，要把微观的粒子与宏观的真空统一起来研究，要求解真空相变之谜。为此，要把量子色动力学理论计算的精度提高到1%。这样的精度在以前是绝对达不到的。这必须要有很强的计算功能。从今年5月起，我们又开始计划建造速度更快的，20万亿次浮点计算/秒并行计算机，用于物理计算，使它成为理论研究的一个工具。从1998年9月万维网（Web）上获得的信息可知，我们建造的计算机在全世界名列第八。
这个 QCDSP 机器貌不惊人，所占实验室面积只有12.5米2。比较令人惊讶的是，这台并行超级计算机完全是由理论物理学家制造的，仅用了一年时间就完成了。参加建造的人员仅九位，他们的平均年龄是28.5岁（这里面不包括我，我没有参加实地制造）。这在全世界是破纪录的，我们理论物理组的人在短短的一年时间内一下子冲到前面去了，我们的计算机在价格性能比和结构方面都名列第一，这可以从结构的比较看出。我们的计算机占地面积为12.5米2，而名列我们之前的三台计算机，美国桑迪亚的，洛斯阿拉莫斯的和劳伦斯·利弗首尔的计算机占地面积分别从343米2到1000多米2。我们的造价也比他们低得多，而他们计算机能干的事情，我们都能干。他们的机器有点像恐龙，我相信过几年，等我们更快的机器建成后，这些恐龙可能都会被淘汰。我们不是计算机专业人员，但是为了研究物理的需要，我们不能等待，我们自己动手制造我们需要的工具，要做得更好、更快、更便宜，从根本上超过其他各家，因为我们面向的是21世纪。
关于科学研究的方法
综观20世纪物理学的发展，我认为，它的研究方法可以被称为简化归纳法（reductionism）。这种方法认为，大的物体是由小的构成，小的由更小的构成，找到最基本的构造，最大的物理构造问题也就迎刃而解了。在这种方法的指导下，产生了量子力学。由于物理研究的定量性，它的成功影响了20世纪的科技发展，也包括了生物学的发展。前面提到的克里克和沃森，克里克原来是学物理的，他们合作时，沃森是博士后。他们借助于物理学的定量的高科技方法和思路发现了极重要的DNA双螺旋结构模型。但是，现在我们认识到这种简化归纳法不能解决所有问题。
微观的基本粒子一定要与宏观的真空相变统一研究，并且产生定量的结果，才能正确、深人地认识宇宙，这就需要更新的高科技手段。所以我认为，21世纪研究的方法应该是整体统一法（holism）。物理学的研究从一开始就与其他学科的研究稍有不同，它一开始就要求定量性，要求精密的计算，这自然地带动了--系列高科技手段的发展。当然这些高科技手段可以转让给其他学科。
我认为，到了21世纪，我们生物学界的同行会认识到，只研究微观的基因不可能解决所有问题，因为生命是宏观的，所以21世纪生物学发展也需要把微观的基因和宏观的生命统一起来研究，这研究的任务是很重大的，不是物理学家能解决的，但是面向这一重大的统一研究挑战的生物学家，会需要用物理研究中产生的适用于定量计算的高科技手段。
我想在这儿再次强调，物理研究中高精密度定量计算的需要和高难度实验的实现，不仅会使我们更深入地了解宇宙，向我前面所说的四个未知问题发起挑战，同时也会带动高科技的发展。例如，万维网就是西欧核子中心高能物理所发明的，性能价格比最好的超级并行计算机就是在我们理论物理组建造的。
20 世纪的科学是由物理学带头的，我相信，21世纪的科学也会由物理学带头，至少在上半叶，将仍然是物理带头的世界。21世纪的下半叶，生物学将会有大发展。当然，生物的问题，需要生物学家去解决，可是我们可以把高科技成果转让给他们。对生命的研究比物理学的研究更复杂，这需要培养更多的年轻科学家从事这方面的事业。
为了21世纪的发展，我们应该更进一步地重视和支持富有创造性的高水平的青年科学家。国家自然科学基金委员会国家杰出青年基金，是培养杰出青年科学家的有效方法，今天是纪念青年基金建立五周年的日子，我祝贺青年基金五年多来所取得的巨大成果，并建议国家能加大对青年基金支持的力度，为培养更多的杰出青年科学家而努力。
