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物理与美学-杨振宁

发布日期:2005-12-9    发布人:施大宁    点击数:1674 【字体:
著名物理学家杨振宁畅谈物理学之美

    

  杨振宁为庆祝母校90周年校庆而回到清华,进行了一场题为“美与物理学”的演讲。

  一本科普书带给12岁杨振宁诺贝尔梦

  杨振宁的启蒙老师是他的母亲,她只是一个念过几年私塾、没有受到过任何新式教育的中国妇女。杨振宁从她那里学到3000个汉字和坚强的意志,这种意志给了他无穷的力量。

  童年的他是一个淘气的孩子,至少是一个不守规矩的孩子。1929年,在他7岁时随父亲来到清华,开始在清华园内读小学,自称“清华的每一棵树都爬过,几乎每一棵都研究过。十二三岁在崇德中学(现在的北京第31中学)念书的时候,喜欢东看西看。有一天发现一本“神秘的宇宙非常有意义,书中讲述了20世纪到当时为止,世界上所发现的一些物理学的现象和理论。他回家就和父母开玩笑,说将来要得诺贝尔奖。

  为什么身为著名的数学家之子,没有读数学呢?杨先生解释,因为父亲杨武之认为,中国必须尽快地把实际的事情搞上去,所以建议他读化学。在报考大学之前,由于中学没有学过物理,杨振宁于是闭门一个月自修物理,竟然发现物理十分有意思,进入西南联大以后,就转到物理系学习。

  在西南联大读完大学和研究生课程,又教了几年书,随后决定到美国芝加哥大学留学。杨振宁之所以选择这所大学,不仅仅因为是他父亲的母校,更重要的一个原因是当时世界上著名的物理学家之一——费米在那里教书。

  每一个科学家都有独特的治学风格

  在介绍科学家的风格之前,杨振宁先给大学生介绍了统计力学创始人波耳兹曼曾经写过的一段话:搞音乐的人,在听到几个音节以后,就能辨出莫扎特、贝多芬或者舒伯特,同样一个数学家或物理学家,在念了几页文字以后,就能辨出柯西、高斯、雅可比、亥姆霍兹或克尔斯豪夫的作品。杨振宁对此的理解和解释是,每一个画家、作家、音乐家,都有他自己独立的风格。

  也许有人认为,科学与文艺不同,科学是研究事实的,事实就是事实,怎么可以称之为风格?杨振宁以物理学为例来说明科学家是有风格的。

  物理学的原理有它的结构,这个结构有它的美与妙的地方。而各个物理学工作者对于“结构不同的美与妙感受有不同的了解。因为大家有不同的感受,所以每个工作者就会发展他自己的研究方向和研究方法,也就是他会形成自己的风格。

  同为20世纪大物理学家,狄拉克和海森堡的风格就不相同。狄拉克方程式奠定了今天原子和分子的基础,解释了无数的物理化学现象。

  杨振宁认为,20世纪的物理学家中,风格最独特的就数狄拉克了。

  狄拉克的特点:话不多,而其内涵有简单、直接、原始的逻辑性。一旦抓住了他独特的、别人想不到的逻辑,他的文章读起来便很通顺,就像“秋水文章不染尘”,没有任何渣滓,直达深处,直达宇宙的奥秘。读了他的文章,你也会惊叹他的独创力,同时却觉得他似乎已把一切都发展到了尽头,没有什么再可以做下去了。

  杨振宁引用高适《答侯少府》中的诗句:“性灵出万象,风骨超常伦”来描述狄拉克方程和反粒子理论。一方面狄拉克方程确实包罗万象,而用“出”字描述狄拉克的灵感尤为传神。另一方面,他于1928年以后4年间不顾已是著名物理学家玻尔、海森伯、泡利等当时的大物理学家的冷嘲热讽,始终坚持他的理论,而最后得到全胜,正合“风骨超常伦”。“性灵”恰巧是狄拉克方程之精神。“非从自己的胸臆流出,不肯下笔”,又正好描述了狄拉克的独创性。

  海森堡于1925年夏天写了一篇文章,引导出了量子力学的发展,成为20世纪物理学几个重要发展之一。

  38年以后科学家库恩访问他,谈到构思那个工作时的情景。海森堡说:“爬山的时候,你想爬某个山峰,但往往到处是雾。你没有地图或别的索引之类的东西。知道你的目的地,但是人堕入雾中,不知道该向什么方向走,然后你忽然模糊地只在数秒钟的工夫,自雾中看到一些形象,你于是说,这就是我要找的大石头。整个情形自此而发生了突变。因为虽然你不知道你能不能爬到那块大石,但是那一瞬间你知道自己在什么地方了。必须爬近那块大石,然后就知道该如何前进了。”这段谈话生动地描述了当年在量子力学的研究上摸索前进的情形。

  海森堡和狄拉克的风格为什么如此不同,主要原因是他们所专注的物理学内涵不同。海森堡从实验与唯象理论出发:实验与唯象理论是五光十色、错综复杂的,所以他要摸索,要犹豫,要尝试了再尝试。狄拉克则从他对数学的灵感出发,数学的最高境界是结构美,是简洁的逻辑美。

  物理学有三个层面的美

  杨振宁认为,物理学有3个领域,每个领域有不同的美。第一是实验的领域,第二是唯象理论,第三是理论架构,与数学比较接近。

  从一个实验中,我们可以得到不同的启示。小时候看虹和霓,只是感觉很美,长大以后会做实验了,可以测量出虹是42度角,霓是50度。再后来继续观测,虹是红在外紫在外,霓正相反。这个非常美好的现象是实验的美。

  进步到唯象理论,你又可以知道,为什么会有虹与霓?因为太阳光在水珠里面有全反射的原因,一次全反射产生虹,两次全反射产生霓。根据全反射的计算,同样可以得出虹是42度角,霓是50度角的结论。这是唯象理论的美。

  任何学生第一次计算出这样的结果以后,不可能没有一个非常深的感受,认为这真的是妙不可言。可是仅有这个还不够,为什么会有折射,为什么会有全反射?这些要到理论架构,到了麦克斯韦方程式出现以后,知道为什么会有折射,为什么会有全反射,把它的根源找出来,这是更高级的美。

  能准确描述复杂现象才是物理学的美

  杨振宁介绍,今天来看物理学理论构架,里面有八九十个方程式。这些方程式所描述的是宇宙的秘密,大到可以讨论星云群里面的现象,小到讨论粒子内部的结构;时间长可以讨论到10亿年,短到10的负27次方秒。

  这样包罗万象的东西的解释都建筑在几个基本结构里面,用非常浓缩的语言,了解这几个基本的结构,无疑是造物者的诗篇。这样浓缩的语言及浓缩的符号,因为它们的内涵往往随着物理学的发展,产生出新的内涵,这是方程式创造者当年完全没有想到的意义。

  例如爱因斯坦在1916年发表的广义相对论时,并未完全了解到里面的含义。只是近三四十年以来,通过宇宙学研究人员的发展,比如说黑洞,里面有新的、现在还没有了解、非常深邃的内涵。这个与诗一样。10岁时读的诗往往到20岁时还不完全了解。

  描述一个学物理的人在了解一个基本结构的时候,其感受最好能用诗来描述。犹如200年前的这样一段话:一粒沙里有一个世界,一朵花里有一个天堂,把无穷无尽握于手掌,永恒应非是刹那时光。

  牛顿故去时,一个大诗人蒲柏写了一段悼词,杨振宁将它翻译成:自然与自然规律为黑暗隐蔽,上帝说让牛顿来,一切遂真光明。

  这些用诗人的语言来描述物理学的美,当然很好,可是不够。

  杨振宁说,对于物理学的基本结构有所了解,知道将那么复杂的现象进行准确的解释,还有一些感受,这个感受是诗人没有写出来的,这是一个光明感,是一个神圣感,是一个第一次看宇宙秘密时候的味觉感,犹如高飞克设计师在设计时所要歌颂的崇高美、灵魂美、宗教美和最终极的美。

  数学和物理,犹如两个大多不重叠的树叶

  杨振宁认为,数学与物理犹如两个树叶,一个向这边,一个向那边。两个叶子大多不重叠,只是末端有一小块重叠,只占每个领域的5%、10%。重叠处比较奇怪,它是这两个领域享有的共同观点,所以讲数学和物理在根源上的关系十分密切。

  可是,虽然数学和物理有如此密切的关系,但是数学和物理并未因此有更多的共性,因为他们有各自的目的、截然不同的价值观和不同的传统。在最基本观念的层面,它们令人惊讶地共享某些观点,即使在这一领域中,这两个学科的生命力按各自的脉络成长,一个向这边,另一个向那边。落实到对研究生的建议,杨振宁认为,学习物理,必须对其根源有所了解。此外,还要了解它的前途和价值观,否则会走到另一个方向。当然,在数学上同样可以创造更大的价值,但是毕竟与做物理学家的初衷相反。

  对于数学和物理的差异,一生对于二者都作出了很大贡献的爱因斯坦晚年有这样的分析,“在数学领域,我的直觉不够,不能辨解哪些是真正重要的研究,哪些只是不重要的题目。在物理领域里,我学到很快找到基本理论来下工夫。”

  杨振宁认为,爱因斯坦之所以26岁时写成3篇震惊世界的文章,其中的每一篇文章都引导了物理学的革命,的确与他对物理学的直觉分不开,历史上只有牛顿可以与之相比。

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