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抚摩上帝美妙的脉搏——阿·热《可怕的对称———现代物理学中美的探索》评价

1998-03-11 来源:中华读书报 □读 焰 我有话说

读书先是越读越厚,然后是越读越薄。以物理学为例,一开始要学习大量的概念(

物理量)和定律(物理量之间的关系),但是,学到后来就发现,所有这些概念和定律可以从几个基本概念和定律推导出来。比如,从牛顿三定律出发,就可以推出全部动力学和静力学;从麦克斯韦方程组出发,可以推出全部电磁学。物理学家如爱因斯坦相信,世界是简单的,和谐的。简单和谐的世界有一个简单和谐的规律,这个规律可以用一个简单和谐的公式表达出来。从此公式出发,将能推导出全部物理学,甚至全部自然科学。这是物理学的理想。所以说:物理学是一种给上帝把脉的学说。

从古希腊以来的物理学家一代一代追寻这个理想。一方面,物理量被简化了许多。从前物理学有力热光声电磁等诸多领域,到后来,不但把电学和磁学被合为一体,连光学也被纳入其中了。在本世纪的物理学家看来,无论自然界怎么繁杂多变,都跑不出四种作用力:引力,电磁力,强相互作用,弱相互作用。爱因斯坦一直致力于大统一理论,指望把看起来相差悬殊的各种力合成一个。弱电统一理论终于把电磁力和弱相互作用统一起来,自然界便只有三种基本相互作用力了。

与此同时,物理量之间的关系也被简化着。这两个简化当然也互有联系。物理学家喜欢守恒定律。找到一个守恒定律,就意味着找到了变动不居的大自然的一个不变的东西。每一个守恒定律都耗费了众多天才物理学家的心血。但是现在,物理学家把这些守恒定律归结为对称性。如果你相信你面向东方与面向西方会得到同样的物理定律,也就是空间的旋转对称性,你就会得到角动量守恒定律;如果你相信你在北京的物理学与纽约的物理学没有区别,也就是空间的平移对称性,你就会得到动量守恒定律;如果你相信今天的物理学与明天相同,也就是时间的平移对称性,你就得到能量守恒定律。(128,129)

而对称性,在物理学家看来,是大自然遵循美的原则的一个体现。物理学家有时要根据对称性原则来修改物理学定律。比如爱因斯坦发现麦克斯韦方程组不满足洛伦兹变换,就把它改成满足这个变换的样子,就得到了狭义相对论。爱因斯坦还认为,加速度与引力相当,也就是惯性质量和引力质量对称,他就得到了广义相对论。狄拉克不满意波动方程不满足相对论变换,就写出了一个满足的公式,他就用这个公式预言了正电子。

本世纪初,杰出的女数学家艾米·诺特尔发现,每一种连续对称性都将有一个守恒定律与之对应。(127)反过来,物理学家也通过对称性寻找守恒定律。研究对称性的数学工具叫做群论。这种上个世纪没有哪个物理学家使用的数学,已经是本世纪物理学家的必修课。在微观世界的物理学中,对称性发挥了强大的威力。中子和质子除了一个不带电一个带电之外,几乎没有任何差别。海森伯发明了一种同位旋对称,使用这一对称转换,中子和质子就成为同一个东西的不同表现,就如一个人在不同的场合穿不同的衣服。(167)1954年,提出了弱相互作用宇称不守恒的杨振宁与他的新伙伴罗伯特·米尔斯“发明了一种新的具有令人眩目的数学美的精确对称,……它是以美学为基础的一种学术创造”,阿·热评论道:“该论文好像在说,‘瞧,这是人类的头脑能够梦想出来的最美好的理论,如果大自然在她的基础设计中没有选用这一理论,那么我们物理学家只能对大自然感到失望。’”(197,198)当时,许多人认为这个理论美而无用,但是后来,随着进一步实验事实的出现,有些物理学家认为这个理论应该使杨振宁再得一次诺贝尔物理学奖。

“物理学家对自然的探索越深,自然就显得越简单。”(82)所以阿·热说:“高等物理比初等物理更简单———这是一个很少向外行透露的秘密。”因为高中和大学物理所呈现的只是“与自然的内在要素,与她的美,她的对称性和她的简单性没有多少关系的畸变了的唯象学方程。”(83)似乎与其他行业不同,物理学家总是让自己的学问更简单而不是更复杂。如果你能把物理学学到最薄处,用一页纸写出物理学的精华,那上面一定写着:对称,和谐,美。

现代物理学已经抚摩到上帝美妙的脉搏。欲知详情,请读美国物理学家阿·热这部《可怕的对称———现代物理学中美的探索》,本文中括号内的数字即是此书页码。中国人读这部书还能有一些亲切感。阿·热出生于中国,他的著作也带有东方文化的痕迹。在书中大量美妙的插图中,有一幅中国成语“画蛇添足”;有一幅宋代诗人陈与义的诗“卧看漫天云不动,不知云与我俱东”,作者以此阐发运动的相对性。

在我近年读过的书中,有三部学术性著作如侦探小说一般好读。其一是叶舒宪《中国神话哲学》,其二是江晓原《天学真原》,其三就是这一部。阿·热文笔流畅,语言幽默,把高深的物理学理论解释得平白易懂。我一位学历史的朋友也曾经被这部书所感染。书中穿插的大量物理学家的趣事逸闻使我感受到大师级物理学家与大师级艺术家的共性。王小波评价玛格丽特·杜拉等现代小说家时说“现代小说写得让喜欢读小说的人感到狂喜,让打算写小说的人害怕。”我想套用这句话,阿·热这部书让喜欢科学的人狂喜,让打算写科普的人害怕。(《可怕的对称———现代物理学中美的探索》,湖南科技出版社出版)

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