撫摩上帝美妙的脈搏——阿·熱《可怕的對稱——現代物理學中美的探索》

田松教授

作者 田 松（本號主編，北京師範大學哲學學院教授）

責編 許小編 劉小編

讀書先是越讀越厚，然後是越讀越薄。以物理學為例，一開始要學習大量的概念（物理量）和定律（物理量之間的關係），但是，學到後來就發現，所有這些概念和定律都可以從幾個基本概念和定律推導出來。比如，從牛頓三定律出發，就可以推出全部動力學和靜力學；從麥克斯韋方程組出發，可以推出全部電磁學。物理學家如愛因斯坦相信，世界是簡單的，和諧的。簡單和諧的世界有一個簡單和諧的規律，這個規律可以用一個簡單和諧的公式表達出來。從此公式出發，將能推導出全部物理學，甚至全部自然科學。這是物理學的理想。所以說：物理學是一種給上帝把脈的學說。

從古希臘以來的物理學家一代一代追尋這個理想。一方面，物理量被簡化了許多。從前物理學有力熱光聲電磁等諸多領域，到後來，不但把電學和磁學被合為一體，連光學也被納入其中了。在本世紀的物理學家看來，無論自然界怎麼繁雜多變，都跑不出四種作用力：引力，電磁力，強相互作用，弱相互作用。愛因斯坦一直致力於大統一理論，指望把看起來相差懸殊的各種力合成一個。弱電統一理論終於把電磁力和弱相互作用統一起來，自然界便只有三種基本相互作用力了。

與此同時，物理量之間的關係也被簡化著。這兩個簡化當然也互有聯繫。物理學家喜歡守恆定律。找到一個守恆定律，就意味著找到了變動不居的大自然的一個不變的東西。每一個守恆定律都耗費了眾多天才物理學家的心血。但是現在，物理學家把這些守恆定律歸結為對稱性。如果你相信你面向東方與面向西方會得到同樣的物理定律，也就是空間的旋轉對稱性，你就會得到角動量守恆定律；如果你相信你在北京的物理學與紐約的物理學沒有區別，也就是空間的平移對稱性，你就會得到動量守恆定律；如果你相信今天的物理學與明天相同，也就是時間的平移對稱性，你就得到能量守恆定律。（128，129）

而對稱性，在物理家看來，是大自然遵循美的原則的一個體現。物理學家有時要根據對稱性原則來修改物理學定律。比如愛因斯坦發現麥克斯韋方程組不滿足洛倫茲變換，就把它改成滿足這個變換的樣子，就得到了狹義相對論。愛因斯坦還認為，加速度與引力相當，也就是慣性質量和引力質量對稱，他就得到了廣義相對論。狄拉克不滿意波動方程不滿足相對論變換，就寫出了一個滿足的公式，他就用這個公式預言了正電子。

本世紀初，傑出的的女數學家艾米·諾特爾發現，每一種連續對稱性都將有一個守恆定律與之對應。（127）反過來，物理學家也通過對稱性尋找守恆定律。研究對稱性的數學工具叫做群論。這種上個世紀沒有哪個物理學家使用的數學，已經是本世紀物理學家的必修課。在微觀世界的物理學中，對稱性發揮了強大的威力。中子和質子除了一個不帶電一個帶電之外，幾乎沒有任何差別。海森伯發明了一種同位旋對稱，使用這一對稱轉換，中子和質子就成為同一個東西的不同表現，就如一個人在不同的場合穿不同的衣服。（167）1954年，提出了弱相互作用宇稱不守恆的楊振寧與他的新夥伴羅伯特·米爾斯「發明了一種新的具有另人眩目的數學美的精確對稱，……它是以美學為基礎的一種學術創造」，阿·熱評論道：「該論文好象在說，『瞧，這是人類的頭腦能夠夢想出來的最美好的理論，如果大自然在她的基礎設計中沒有選用這一理論，那麼我們物理學家只能對大自然感到失望。』」（197，198）當時，許多人認為這個理論美而無用，但是後來，隨著進一步實驗事實的出現，有些物理學家認為這個理論應該使楊振寧再得一次諾貝爾物理學獎。

「物理學家對自然的探索越深，自然就顯得越簡單。」（82）所以阿·熱說：「高等物理比初等物理更簡單——這是一個很少向外行透露的秘密。」因為高中和大學物理所呈現的只是「與自然的內在要素，與她的美，她的對稱性和她的簡單性沒有多少關係的畸變了的唯象學方程。」（83）似乎與其它行業不同，物理學家總是讓自己的學問更簡單而不是更複雜。如果你能把物理學學到最薄處，用一頁紙寫出物理學的精華，那上面一定寫著：對稱，和諧，美。

現代物理學已經撫摩到上帝美妙的脈搏。欲知詳情，請讀美國物理學家阿·熱這部《可怕的對稱——現代物理學中美的探索》。中國人讀這部書還能有一些親切感。阿·熱出生於中國，他的著作也帶有東方文化的痕迹。在書中大量美妙的插圖中，有一幅中國成語「畫蛇添足」；有一幅宋代詩人陳與義的詩「卧看漫天雲不動，不知雲與我俱東」，作者以此闡發運動的相對性。

在我近年讀過的書中，有三部學術性著作如偵探小說一般好讀。其一是葉舒憲《中國神話哲學》，其二是江曉原《天學真原》，其三就是這一部。阿·熱文筆流暢，語言幽默，把高深的物理學理論解釋得平白易懂。我一位學歷史的朋友也曾經被這部書所感染。書中穿插的的大量物理學家的趣事逸聞使我感受到大師級物理學家與大師級藝術家的共性。王小波評價瑪格麗特·杜拉等現代小說家時說「現代小說寫得讓喜歡讀小說的人感到狂喜，讓打算寫小說的人害怕。」我想套用這句話，阿·熱這部書讓喜歡科學的人狂喜，讓打算寫科普的人害怕。

《可怕的對稱——現代物理學中美的探索》，湖南科學技術出版社「第一推動叢書」

1997年12月1日

北京稻香園

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