著名物理學家楊振寧暢談物理學之美

http://www.sina.com.cn 2001/05/12 10:28 生活時報4月26日，楊振寧為慶祝母校90周年校慶而回到清華，進行了一場題為「美與物理學」的演講。一本科普書帶給12歲楊振寧諾貝爾夢楊振寧的啟蒙老師是他的母親，她只是一個念過幾年私塾、沒有受到過任何新式教育的中國婦女。楊振寧從她那裡學到3000個漢字和堅強的意志，這種意志給了他無窮的力量。童年的他是一個淘氣的孩子，至少是一個不守規矩的孩子。1929年，在他7歲時隨父親來到清華，開始在清華園內讀小學，自稱「清華的每一棵樹都爬過，幾乎每一棵都研究過。十二三歲在崇德中學(現在的北京第31中學)念書的時候，喜歡東看西看。有一天發現一本「神秘的宇宙非常有意義，書中講述了20世紀到當時為止，世界上所發現的一些物理學的現象和理論。他回家就和父母開玩笑，說將來要得諾貝爾獎。為什麼身為著名的數學家之子，沒有讀數學呢？楊先生解釋，因為父親楊武之認為，中國必須儘快地把實際的事情搞上去，所以建議他讀化學。在報考大學之前，由於中學沒有學過物理，楊振寧於是閉門一個月自修物理，竟然發現物理十分有意思，進入西南聯大以後，就轉到物理系學習。在西南聯大讀完大學和研究生課程，又教了幾年書，隨後決定到美國芝加哥大學留學。楊振寧之所以選擇這所大學，不僅僅因為是他父親的母校，更重要的一個原因是當時世界上著名的物理學家之一——費米在那裡教書。每一個科學家都有獨特的治學風格在介紹科學家的風格之前，楊振寧先給大學生介紹了統計力學創始人波耳茲曼曾經寫過的一段話：搞音樂的人，在聽到幾個音節以後，就能辨出莫扎特、貝多芬或者舒伯特，同樣一個數學家或物理學家，在念了幾頁文字以後，就能辨出柯西、高斯、雅可比、亥姆霍茲或克爾斯豪夫的作品。楊振寧對此的理解和解釋是，每一個畫家、作家、音樂家，都有他自己獨立的風格。也許有人認為，科學與文藝不同，科學是研究事實的，事實就是事實，怎麼可以稱之為風格？楊振寧以物理學為例來說明科學家是有風格的。物理學的原理有它的結構，這個結構有它的美與妙的地方。而各個物理學工作者對於「結構不同的美與妙感受有不同的了解。因為大家有不同的感受，所以每個工作者就會發展他自己的研究方向和研究方法，也就是他會形成自己的風格。同為20世紀大物理學家，狄拉克和海森堡的風格就不相同。狄拉克方程式奠定了今天原子和分子的基礎，解釋了無數的物理化學現象。楊振寧認為，20世紀的物理學家中，風格最獨特的就數狄拉克了。狄拉克的特點：話不多，而其內涵有簡單、直接、原始的邏輯性。一旦抓住了他獨特的、別人想不到的邏輯，他的文章讀起來便很通順，就像「秋水文章不染塵」，沒有任何渣滓，直達深處，直達宇宙的奧秘。讀了他的文章，你也會驚嘆他的獨創力，同時卻覺得他似乎已把一切都發展到了盡頭，沒有什麼再可以做下去了。楊振寧引用高適《答侯少府》中的詩句：「性靈出萬象，風骨超常倫」來描述狄拉克方程和反粒子理論。一方面狄拉克方程確實包羅萬象，而用「出」字描述狄拉克的靈感尤為傳神。另一方面，他於1928年以後4年間不顧已是著名物理學家玻爾、海森伯、泡利等當時的大物理學家的冷嘲熱諷，始終堅持他的理論，而最後得到全勝，正合「風骨超常倫」。「性靈」恰巧是狄拉克方程之精神。「非從自己的胸臆流出，不肯下筆」，又正好描述了狄拉克的獨創性。海森堡於1925年夏天寫了一篇文章，引導出了量子力學的發展，成為20世紀物理學幾個重要發展之一。38年以後科學家庫恩訪問他，談到構思那個工作時的情景。海森堡說：「爬山的時候，你想爬某個山峰，但往往到處是霧。你沒有地圖或別的索引之類的東西。知道你的目的地，但是人墮入霧中，不知道該向什麼方向走，然後你忽然模糊地只在數秒鐘的工夫，自霧中看到一些形象，你於是說，這就是我要找的大石頭。整個情形自此而發生了突變。因為雖然你不知道你能不能爬到那塊大石，但是那一瞬間你知道自己在什麼地方了。必須爬近那塊大石，然後就知道該如何前進了。」這段談話生動地描述了當年在量子力學的研究上摸索前進的情形。海森堡和狄拉克的風格為什麼如此不同，主要原因是他們所專註的物理學內涵不同。海森堡從實驗與唯象理論出發：實驗與唯象理論是五光十色、錯綜複雜的，所以他要摸索，要猶豫，要嘗試了再嘗試。狄拉克則從他對數學的靈感出發，數學的最高境界是結構美，是簡潔的邏輯美。物理學有三個層面的美楊振寧認為，物理學有3個領域，每個領域有不同的美。第一是實驗的領域，第二是唯象理論，第三是理論架構，與數學比較接近。從一個實驗中，我們可以得到不同的啟示。小時候看虹和霓，只是感覺很美，長大以後會做實驗了，可以測量出虹是42度角，霓是50度。再後來繼續觀測，虹是紅在外紫在外，霓正相反。這個非常美好的現象是實驗的美。進步到唯象理論，你又可以知道，為什麼會有虹與霓？因為太陽光在水珠裡面有全反射的原因，一次全反射產生虹，兩次全反射產生霓。根據全反射的計算，同樣可以得出虹是42度角，霓是50度角的結論。這是唯象理論的美。任何學生第一次計算出這樣的結果以後，不可能沒有一個非常深的感受，認為這真的是妙不可言。可是僅有這個還不夠，為什麼會有折射，為什麼會有全反射？這些要到理論架構，到了麥克斯韋方程式出現以後，知道為什麼會有折射，為什麼會有全反射，把它的根源找出來，這是更高級的美。能準確描述複雜現象才是物理學的美楊振寧介紹，今天來看物理學理論構架，裡面有八九十個方程式。這些方程式所描述的是宇宙的秘密，大到可以討論星雲群裡面的現象，小到討論粒子內部的結構；時間長可以討論到10億年，短到10的負27次方秒。這樣包羅萬象的東西的解釋都建築在幾個基本結構裡面，用非常濃縮的語言，了解這幾個基本的結構，無疑是造物者的詩篇。這樣濃縮的語言及濃縮的符號，因為它們的內涵往往隨著物理學的發展，產生出新的內涵，這是方程式創造者當年完全沒有想到的意義。例如愛因斯坦在1916年發表的廣義相對論時，並未完全了解到裡面的含義。只是近三四十年以來，通過宇宙學研究人員的發展，比如說黑洞，裡面有新的、現在還沒有了解、非常深邃的內涵。這個與詩一樣。10歲時讀的詩往往到20歲時還不完全了解。描述一個學物理的人在了解一個基本結構的時候，其感受最好能用詩來描述。猶如200年前的這樣一段話：一粒沙里有一個世界，一朵花里有一個天堂，把無窮無盡握於手掌，永恆應非是剎那時光。牛頓故去時，一個大詩人蒲柏寫了一段悼詞，楊振寧將它翻譯成：自然與自然規律為黑暗隱蔽，上帝說讓牛頓來，一切遂真光明。這些用詩人的語言來描述物理學的美，當然很好，可是不夠。楊振寧說，對於物理學的基本結構有所了解，知道將那麼複雜的現象進行準確的解釋，還有一些感受，這個感受是詩人沒有寫出來的，這是一個光明感，是一個神聖感，是一個第一次看宇宙秘密時候的味覺感，猶如高飛克設計師在設計時所要歌頌的崇高美、靈魂美、宗教美和最終極的美。數學和物理，猶如兩個大多不重疊的樹葉楊振寧認為，數學與物理猶如兩個樹葉，一個向這邊，一個向那邊。兩個葉子大多不重疊，只是末端有一小塊重疊，只佔每個領域的5%、10%。重疊處比較奇怪，它是這兩個領域享有的共同觀點，所以講數學和物理在根源上的關係十分密切。可是，雖然數學和物理有如此密切的關係，但是數學和物理並未因此有更多的共性，因為他們有各自的目的、截然不同的價值觀和不同的傳統。在最基本觀念的層面，它們令人驚訝地共享某些觀點，即使在這一領域中，這兩個學科的生命力按各自的脈絡成長，一個向這邊，另一個向那邊。落實到對研究生的建議，楊振寧認為，學習物理，必須對其根源有所了解。此外，還要了解它的前途和價值觀，否則會走到另一個方向。當然，在數學上同樣可以創造更大的價值，但是畢竟與做物理學家的初衷相反。對於數學和物理的差異，一生對於二者都作出了很大貢獻的愛因斯坦晚年有這樣的分析，「在數學領域，我的直覺不夠，不能辨解哪些是真正重要的研究，哪些只是不重要的題目。在物理領域裡，我學到很快找到基本理論來下工夫。」楊振寧認為，愛因斯坦之所以26歲時寫成3篇震驚世界的文章，其中的每一篇文章都引導了物理學的革命，的確與他對物理學的直覺分不開，歷史上只有牛頓可以與之相比。(本報記者李海清)(本文未經演講者本人審閱)
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