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美與物理學 （楊振寧）十九世紀物理學的三項最高成就是熱力學、電磁學與統(tǒng)計力學。其中統(tǒng)計力學奠基于 麥克斯韋（J. Maxwell , 1831 - 1879）、波耳茲曼（L. Boltzmann , 1844 - 1905）與 吉布斯（W. Gibbs , 1839- 1903）的工作。波耳茲曼曾經(jīng)說過： 一位音樂家在聽到幾個音節(jié)后，即能辨認出莫扎特（Mozart）、貝多芬（Beethoven） 或舒伯特（Schubert）的音樂。 同樣，一位數(shù)學家或物理學家也能在讀了數(shù)頁文字后辨認 出柯西（Cauchy）、高斯（Gauss）、雅可比（Jacobi）、亥姆霍茲（Helmholtz）或克爾 期豪夫（Kirchhoff）的工作。 對于他的這一段話也許有人會發(fā)生疑問：科學是研究事實的，事實就是事實， 那里會 有甚么風格？ 關于這一點我曾經(jīng)有過如下的討論： 讓我們拿物理學來講吧。物理學的原理有它的結構。這個結構有它的美和妙的地方。 而各個物理學工作者，對于這個結構的不同的美和妙的地方，有不同的感受。因為大家有 不同的感受，所以每位工作者就會發(fā)展他自己獨特的研究方向和研究方法。也就是說他會 形成他自己的風格。 今天我的演講就是要嘗試闡述上面這一段話。我們先從兩位著名物理學家的風格講起 。 一、狄拉克 狄拉克（P. Dirac , 1902 - 1984）是二十世紀一位大物理學家。關于他的故事很 多。譬如：有一次狄拉克在普林斯頓大學演講。演講完畢，一位聽眾站起來說：“我有一 個問題請回答：我不懂怎么可以從公式（2）推導出來公式（5）。 ”狄拉克不答。 主持 者說：“狄拉克教授，請回答他的問題。”狄拉克說：“他并沒有問問題，只說了一句話 。” 這個故事所以流傳極廣是因為它確實描述了狄拉克的一個特點：話不多，而其內(nèi)含有 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。 狄拉克最了不得的工作是1928年發(fā)表的兩篇短文，寫下了狄拉克方程： (D) (略) 這個簡單的方程式是驚天動地的成就，是劃時代的里程碑：它對原子結構及分子結構 都給予了新的層面和新的極準確的了解。沒有這個方程，就沒有今天的原子、分子物理學 與化學。沒有狄拉克引進的觀念就不會有今天醫(yī)院里通用的核磁共振成像（MRI）技術， 不過此項技術實在只是狄拉克方程的一項極小的應用。 狄拉克方程“無中生有、 石破天驚”地指出為甚么電子有“ 自旋”（spin）， 而且 為甚么“自旋角動量”是1 / 2而不是整數(shù)。初次了解此中奧妙的人都無法不驚嘆其為“神 來之筆”，是別人無法想到 的妙算。 當時最負盛名的海森伯（W. Heisenberg , 190 1 -1976）看了狄拉克的文章，無法了解狄拉克怎么會想出此神來之筆，于1928年5月3日 給泡利（W. Pauli , 1900 - 1958）寫了一封信描述了他的煩惱： 為了不持續(xù)地被狄拉克所煩擾，我換了一個題目做，得到了一些成果。（按：這成果 是另一項重要貢獻：磁鐵為甚么是磁鐵。） 狄拉克方程之妙處雖然當時立刻被同行所認識，可是它有一項前所未有的特性，叫做 “負能”現(xiàn)象，這是大家所絕對不能接受的。狄拉克的文章發(fā)表以后三年間關于負能現(xiàn)象 有了許多復雜的討論，最后于1931年狄拉克又大膽提出 “ 反 粒 子 ” 理 論 （ Theor y of Antiparticles ） 來解釋負能現(xiàn)象。 這個理論當時更不為同行所接受， 因而流 傳了許多半羨慕半嘲弄的故事。 直到1932年秋安 德 森（C.D. Anderson , 1905 - 199 1）發(fā)現(xiàn)了電子的反粒子以后，大家才漸漸認識到反粒子理論又是物理學的另一個里程碑。 二十世紀的物理學家中，風格最獨特的就數(shù)狄拉克了。我曾想把他的文章的風格寫下 來給我的文、史、藝術方面的朋友們看，始終不知如何下筆。去年偶然在香港大公報大公 園一欄上看到一篇文章，其中引了高適（700 - 765）在答侯少府中的詩句： “性 靈出萬象，風骨超常倫?！蔽曳浅８吲d，覺得用這兩句詩來描述狄拉克方程和反粒子理論 是再好沒有了：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，他于1928年以后四年間不顧玻爾（N. Bohr , 1885 - 1962）、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，而最后得到全勝，正合“風骨 超常倫”。 可是甚么是“性靈”呢？這兩個字聯(lián)起來字典上的解釋不中肯。若直覺地把“性情” 、“本性”、“心靈”、“靈魂”、“靈感”、“靈犀”、 “圣靈”（Ghost）等加起來 似乎是指直接的、原始的、未加琢磨的思路，而這恰巧是狄拉克方程之精神。剛好此時我 和香港中 文大學童元方博士談到二十一世紀1996年6月號錢鎖橋的一篇文章，才知道 袁宏道（1568 - 1610）（和后來的周作人1885 -1967， 林語堂1895 - 1976 等）的性靈論。袁宏道說他的弟弟袁中道（1570 - 1623）的詩是“獨抒性靈，不拘格套” ， 這也正是狄拉克作風的特征?！胺菑淖约旱男匾芰鞒?，不肯下筆”，又正好描述了狄拉 克的獨創(chuàng)性！ 二、海森伯 比狄拉克年長一歲的海森伯是二十世紀另一位大物理學家，有人認為他比狄拉克還要 略高一籌。他于1925年夏天寫了一篇文章，引導出了量子力學的發(fā)展。 三十八年以后科學 史家?guī)於鳎═. Kuhn ,1922 - 1996）訪問他，談到構思那個工作時的情景。海森伯說 ： 爬山的時候，你想爬某個山峰，但往往到處是霧你有地圖，或別的索引之類的東 西，知道你的目的地， 但是仍墮入霧中。 然后忽然你模糊地， 只在數(shù)秒鐘的功夫， 自霧中看到一些形象，你說：“哦，這就是我要找的大石?！闭麄€情形自此而發(fā)生了突變 ，因為雖然你仍不知道你能不能爬到那塊大石，但是那一瞬間你說：“我現(xiàn)在知道我在甚 么地方了。我必須爬近那塊大石，然后就知道該如何前進了。” 這段談話生動地描述了海森伯1925年夏摸索前進的情形。要了解當時的氣氛，必須知 道自從1913年玻爾提出了他的原子模型以后，物理學即進入了一個非常時代： 牛頓（I. Newton , 1642 - 1727）力學的基礎發(fā)生了動搖，可是用了牛頓力學的一些觀念再加上一 些新的往往不能自圓其說的假設，卻又可以準確地描述許多原子結構方面奇特的實驗結果 。奧本海默（J.R. Oppenheimer , 1904 - 1967）這樣描述這個不尋常的時代： 那是一個在實驗室里耐心工作的時代，有許多關鍵性的實驗和大膽的決策，有許多錯 誤的嘗試和不成熟的假設。那是一個真摯通訊與匆忙會議的時代，有許多激烈的辯論和無 情的批評，里面充滿了巧妙的數(shù)學性的擋架方法。 對于那些參加者，那是一個創(chuàng)新的時代，自宇宙結構的新認識中他們得到了激奮，也 嘗到了恐懼。這段歷史恐怕永遠不會被完全紀錄下來。 要寫這段歷史須要有像寫 迪帕斯 （Oedipus）或寫克倫威爾（Cromwell）那樣的筆力，可是由于涉及的知識距離日常生活是 如此遙遠，實在很難想像有任何詩人或史家能勝任。 1925年夏天，23歲的海森伯在霧中 摸索，終于摸到了方向，寫了上 面所提到的那篇文章。 有人說這是三百年來物理學史上 繼牛頓的數(shù)學原理以后影響最深遠的一篇文章。 可是這篇文章只開創(chuàng)了一個摸索前進的方向，此后兩年間還要通過 玻 恩（M. Born , 1882 - 1970）、 狄拉克、 薛定諤（E.Schrdinger , 1887 - 1961）、玻爾等人 和海森伯自己的努力，量子力學的整體架構才逐漸完成。量子力學使物理學跨入嶄新的時 代，更直接影響了二十世紀的工業(yè)發(fā)展，舉凡核能發(fā)電、核武器、激光、半導體元件等都 是量子力學的產(chǎn)物。 1927年夏， 25歲尚未結婚的海森伯當了萊比錫（Leipzig）大學理論物理系主任。后 來成名的布洛赫（F. Bloch , 1905 - 1983，核磁共振機制創(chuàng)建者）和特勒（E. Teller , 1908 -，“氫彈之父”，我在芝加哥大學時的博士學位導師）都是他的學生。 他喜歡打 乒 乓球，而且極好勝。第一年他在系中稱霸。1928年秋自美國來了一位博士后，自此海森 伯只能屈居亞軍。這位博士后的名字是大家都很熟悉的周培源。 海森伯所有的文章都有一共同特點：朦朧、不清楚、有渣滓，與狄拉克的文章的風格 形成一個鮮明的對比。讀了海森伯的文章，你會驚嘆他的獨創(chuàng)力（originality）， 然而 會覺得問題還沒有做完，沒有做乾凈，還要發(fā)展下去；而讀了狄拉克的文章，你也會驚嘆 他的獨創(chuàng)力，同時卻覺得他似乎已把一切都發(fā)展到了盡頭，沒有甚么再可以做下去了。 前面提到狄拉克的文章給人“秋水文章不染塵”的感受。海森伯的文章則完全不同。 二者對比清濁分明。我想不到有甚么詩句或成語可以描述海森伯的文章，既能道出他的天 才的獨創(chuàng)性，又能描述他的思路中不清楚、有渣滓、有時似乎茫然亂摸索的特點。 三、物理學與數(shù)學 海森伯和狄拉克的風格為甚么如此不同？主要原因是他們所專注的物理學內(nèi)涵不同。 為了解釋此點， 請看圖1所表示的物理學的三個部門和其中的關系：唯象理論（phenomen ological theory）（2）是介乎實驗（1）和理論架構（3）之間的研究。（1）和（2）合 起來是實驗物理，（2）和（3）合起來是理論物理，而理論物理的語言是數(shù)學。 實 驗 （1） 唯象理論 （2） 玻爾 | ? 海森伯 愛因斯坦 薛定諤 理論構架 （3） 狄拉克 ? 數(shù) 學 （4） 圖2 幾位二十世紀物理學家的研究領域 海森伯從實驗（1）與唯象理論（2）出發(fā)：實驗與唯象理論是五光十色、錯綜復雜的 ，所以他要摸索，要猶豫，要嘗試了再嘗試，因此他的文章也就給讀者不清楚、有渣滓的 感覺。狄拉克則從他對數(shù)學的靈感出發(fā)：數(shù)學的最高境界是結構美，是簡潔的邏輯美，因 此他的文章也就給讀者“秋水文章不染塵”的感受。 讓我補充一點關于數(shù)學和物理的關系。我曾經(jīng)把二者的關系表示為兩片在莖處重疊的 葉片（圖3）。 重疊的地方同時是二者之根，二者之源。譬如微分方程、偏微分方程、（ Bob注：原圖是僅在底部少量重疊的兩個長卵形葉片） 希爾伯特空間、黎曼幾何和纖維叢等，今天都是二者共用的基本觀念。這是驚人的事 實，因為首先達到這些觀念的物理學家與數(shù)學家曾遵循完全不同的路徑，完全不同的傳統(tǒng) 。為甚么會殊途同歸呢？大家今天沒有很好的答案，恐怕永遠不會有，因為答案必須牽扯 到宇宙觀、知識論和宗教信仰等難題。 必須注意的是在重疊的地方，共用的基本觀念雖然如此驚人地相同， 但是重疊的地方 并不多， 只占二者各自的極少部分。譬如實驗（1）與唯象理論（2）都不在重疊區(qū)，而絕 大部分的數(shù)學工作也在重疊區(qū)之外。另外值得注意的是即使在重疊區(qū)，雖然基本觀念物理 與數(shù)學共用，但是二者的價值觀與傳統(tǒng)截然不同，而二者發(fā)展的生命力也各自遵循不同的 莖脈流通，如圖3所示。 常常有年青朋友問我，他應該研究物理，還是研究數(shù)學。我的回答是這要看你對那一 個領域里的美和妙有更高的判斷能力和更大的喜愛。愛因斯坦在晚年時（1949年）曾經(jīng)討 論過為甚么他選擇了物理。他說： 在數(shù)學領域里， 我的直覺不夠， 不能辨認那些是真正重要的研究，那些只是不重要 的題目。而在物理領域里，我很快學到怎樣找到基本問題來下功夫。 年青人面對選擇前途方向時，要對自己的喜好與判斷能力有正確的自我估價。 四、美與物理學 物理學自（1）到（2）到（3）是自表面向深層的發(fā)展。 表面有表面的結構，有表面 的美。譬如虹和霓是極美的表面現(xiàn)象，人人都可以看到。 實驗工作者作了測量以后發(fā)現(xiàn)虹 是42高漫楚A紅在外，紫在內(nèi)；霓是50高漫楚A紅在內(nèi)，紫在外。 這種準確規(guī)律增加了實驗 工作者對自然現(xiàn)象的美的認識。 這是第一步（1）。進一步的唯象理論研究（2）使物理學 家了解到這42偵P50升i以從陽光在水珠中的折射 與反射推算出來，此種了解顯示出了深一 層的美。再進一步的研究更深入了解折射與反射現(xiàn)象本身可從一個包容萬象的麥克斯韋方 程推算出來，這就顯示出了極深層的理論架構（3）的美。 牛頓的運動方程、麥克斯韋方程、愛因斯坦的狹義與廣義相對論方程、狄拉克方程、 海森伯方程和其他五、六個方程是物理學理論架構的骨干。它們提煉了幾個世紀的實驗工 作（1）與唯象理論（2）的精髓，達到了科學研究的最高境界。它們以極度濃縮的數(shù)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。 這些方程還有一方面與詩有共同點：它們的內(nèi)涵往往隨物理學的發(fā)展而產(chǎn)生新的、 當初所完全沒有想到的意義。舉兩個例子：上面提到過的十九世紀中葉寫下來的麥克斯韋 方程是在本世紀初通過愛因斯坦的工作才顯示出高度的對稱性，而這種對稱性以后逐漸發(fā) 展為二十世紀物理學的一個最重要的中心思想。另一個例子是狄拉克方程。它最初完全沒 有被數(shù)學家所注意， 而今天狄 拉 克 流 型 （ DiracManifold）已變成數(shù)學家熱門研究 的一個新課題。 學物理的人了解了這些像詩一樣的方程的意義以后，對它們的美的感受是既直接而又 十分復雜的。 它們的極度濃縮性和它們的包羅萬象的特點也許可以用布 雷 克（W. Blake , 1757 - 182 7）的不朽名句來描述: To see a World in a Grain of Sand And a Heaven in a Wild Flower Hold Infinity in the palm of your