《物理學之美》：探索物理世界的結構與理論之美

責編：宮奧博

諾獎得主物理學家楊振寧教授在他的文章《對科學的美和妙要有鑒賞力》中談及：「牛頓的運動方程、麥克斯韋方程、愛因斯坦的狹義相對論方程、狄拉克方程、海森伯方程……提煉了幾個世紀的實驗工作、唯象理論的精髓，達到了科學研究的最高境界。它們以極度濃縮的數學語言寫出了物理世界的基本結構，可以說它們是造物者的詩篇。」

與之相呼應，華中科技大學物理系教授楊建鄴在《物理學之美》這部書中，通過生動詳實的物理學裡程碑事件、高山仰止的物理學界泰斗、縱橫五百年的物理學發展歷程，從閃爍著熠熠光華的智慧海洋中，發現了一條通往物理世界理論與結構之美的勝景之路。這條路布滿了荊棘與坎坷，也充斥著寂寞與孤獨，但更有格物致知之後登臨絕頂的狂喜，以及窺探到造物主無窮寶藏從而讓智慧和文明大幅提升的「神啟」。跋涉在這條勝景之路上的偉大人物，無一不是浩瀚夜空中的璀璨星辰，逐一點亮了探索宇宙世界的星星之火，這些火種，最終成為構建人類文明的基石。

春花秋月、風景迤邐、明眸皓齒、顧盼生輝，表現的都是大千世界的外在美，其核心，依舊基於物理世界生生不息的永恆法則的約束。這些法則如果被科學家們發現，就是一組組充滿結構美的數學公式，也是一條條令人驚嘆且無與倫比的物理定律。面對繁華旖旎的世間萬物，很多人無動於衷，認為理所當然，然而，那些在科學險途上一路登攀的智者，則將探索物理世界的規則與結構之美，當成自己畢生的事業。而如何展現科學巨匠們探索未知並發現物理美的過程，圖文並茂的《物理學之美》這部書為我們提供了一份滿意的答案。

在本書中，楊建鄴教授揭示了發現物理世界之美的三個步驟，也是探索未知世界的三個階段，以及科學家們對事物認知的三個不同層次。即從最初的實驗觀測階段，發展到唯象理論階段，最終達到理論架構的高度。

從左至右為開普勒、牛頓、愛因斯坦

如果用一個生動的實例來展示這個過程，就需要回到五百多年前科學大廈草創之初。被譽為「星學之王」的丹麥天文學家第谷，自製儀器，用肉眼觀察夜空，通過數十年如一日的天文觀測，積累了海量的觀測數據，這是發現物理學之美的第一階段。此時，第谷還處於最低層次的實驗觀測階段，他看到的只是物理世界的表象，並一絲不苟地記錄了下來。

第谷數十年積累的天文觀測數據，蘊含著改變人類文明進程的秘密，這個秘密最終由德國天文學家開普勒發掘成功，這就是牛頓萬有引力定律的基石——開普勒三定律。開普勒利用第谷的觀測數據進行研究分析，不斷試錯，山重水複，最終柳暗花明，這是探索物理學之美的第二階段——唯象理論階段。處於這個研究階段的科學家，已經超越了最初的實驗觀測階段，到了阿里巴巴寶庫的門口，甚至能夠窺見寶藏的點點金光，但是他們距離發現真正的物理世界結構和理論之美還有不小的距離，這是因為他們是作為拓荒者去發現未知，還處於混沌摸索階段，尚不能用清晰明了、嚴謹的數學公式來總結自己的研究成果。

第谷觀察天文，開普勒研究數據，牛頓總結提升到理論高度，最終將宏觀宇宙的運轉規則通過萬有引力公式完全展現，這就進入了科學研究的第三階段——理論構架階段。牛頓萬有引力定律，就是用清晰嚴謹的數學語言，將物理世界的規則和秘密告知世人，展現了複雜物理世界的簡潔之美。

牛頓的傳記作家沙利文在《為科學方法辯護》一文中說道：「由於科學理論的首要宗旨是發現自然中的和諧，所以我們能夠一眼看出這些理論必定具有美學上的價值。一個科學理論成就的大小，事實上就在於它的美學價值。因為，給原本混亂的東西帶來多少和諧，是衡量一個科學理論成就的手段之一。」這段話非常貼切地揭示了科學研究與美學發現所能達到的高度，也代表了科學家對自己研究貢獻的多寡。

「科學的真正主題是世界之美，」法國哲學家韋伊一語道破天機，科學家們研究和探索物理世界的過程，既是一種改造世界的偉大壯舉，也是展示物理世界終極之美的一扇窗口。如果我們仔細閱讀本書，就會發現作者藉助深厚的物理學功底和流暢的語言，將五百年漫長歲月中人類探索物理之美的艱辛，一點點展示在讀者面前。

發現物理世界之美的道路是如此曲折，讓無數科學大師披肝瀝膽；探索物理世界之美的道路是如此輝煌，沿途科學巨匠們留下的足跡依舊在熠熠閃光。本書以第谷的天文觀察作為開始，以楊振寧教授的規範場理論作為結束。從開普勒根據經驗得出的和諧宇宙概念，到上帝讓牛頓出生並發現萬有引力定律，宏觀世界的規則和韻律之美得以揭開神秘面紗。

隨後，物理學開始了更深層次的研究步伐，熱力學兩定律的橫空出世，奏響了最美的交響樂章，能量守恆定律成了說一不二的宇宙法則。而英國物理學家法拉第發現電磁感應現象，再次步入了唯象理論層次，而天才科學家麥克斯韋則用幾個簡潔的方程組，就將前輩科學家的成果一網打盡，創建了電磁學的理論大廈，登臨理論構架的巔峰。從此之後，物理世界更神秘的大門徐徐開啟，宏觀和微觀的研究道路即將分道揚鑣。

隨著20世紀的來臨，科學巨匠愛因斯坦在1905年發表相對論，物理學的理論之美的問題出現了轉機。而英國天文學家和數學家邦迪曾經指出：「他（愛因斯坦）深信，美是理論物理學中重要結果的一個指導原則。」實際上，愛因斯坦理論的理性基礎就是對「對稱性」的威力的深刻理解，使得對稱性得以成為現代物理學的明星。而這裡所說的「對稱性」，也是物理世界之美的一種表現形式。

愛因斯坦的相對論開啟了牛頓經典力學之外更加廣闊的空間，對物理學之美的探尋又進入了一個浩淼廣博的境界。而量子力學的創建則打開了微觀世界的大門，其中量子力學的奠基人海森伯發現矩陣力學，而狄拉克則發現了比他本人更加聰明的「狄拉克方程」。在這裡，海森伯獲取成果，是靠著來自物理實驗事實的直覺靈感，而狄拉克的成就則源於他對數學最高境界「結構美」的直覺欣賞。

在很多科學家都認為宇稱守恆之時，三位華裔科學家楊振寧、李政道和吳健雄則通過理論計算和實驗事實，揭示了「宇稱不守恆定律」，將物理世界之美的研究推向了另一個極致。「自發性對稱破缺」的發現，用鐵的事實告訴世人，物理世界的結構之美並非完美無缺。

本書是以全新的視角和思路撰寫科學發展史，讓讀者耳目一新、不忍釋卷，還對物理學幾百年的發展歷程有了更加清晰的認識。可以說，本書無論從寫作手法、文章架構、還是揭示物理學更深層次的奧秘方面，都達到了很高的層次。

一卷在手，五百年的物理學之美盡在眼前！

作者：王麟，天津市作家協會會員、中國科普作家協會會員，鐵路高級工程師，科普及歷史專欄作家。已經出版《鐵路傳奇》《高鐵的前世今生》等圖書，累計出版和發表作品百餘萬字。

本文刊登在《今日科苑》雜誌2017年2月刊書評欄目。

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