与杨振宁先生漫谈数学和物理的关系

作者: 张奠宙

来源: 数学传播

发布日期: 1992-04-01

本文记录了作者与杨振宁先生关于数学和物理学关系的谈话,讨论了数学与物理学的不同研究方法、历史发展及其相互影响,特别是杨振宁先生对复数和四元数在物理学中的应用的看法。

杨振宁是当代的大物理学家,又是现代数学发展的重要推动者,他的两项巨大成就——杨-密尔斯规范场和杨-巴克斯特方程,成为80年代以来一系列数学研究的出发点,其影响遍及微分几何、偏微分方程、低维拓扑、辫结理论、量子群等重大数学学科。这里记录的有关数学与物理学的关系,来自笔者在1995年末在纽约州立大学(石溪)访问杨振宁先生时的一些谈话材料,不是系统的谈话。

本文的中文版于1992年4月在台湾《数学传播》发表,内容不完全相同的英文版则刊于Mathematical Intelligencer Vol.15, NO.4, 1993。后者的中译文已被收入杨振宁的新著《读书教学再十年》(台湾时报出版公司,1995)。

1980年代初,杨振宁曾在韩国汉城作物理学演讲时说“有那么两种数学书:第一种你看了第一页就不想看了,第二种是你看了第一句话就不想看了”。

当时引得物理学家们轰堂大笑。此话事出有因。1969年,杨振宁察觉物理上的规范场理论和数学上的纤维丛理论可能有关系,就把著名拓扑学家Steenrod着的“The Topology of Fibre Bundles纤维丛的拓扑”一书拿来读,结果是一无所获。原因是该书从头至尾都是定义、定理、推论式的纯粹抽象演绎,生动活泼的实际背景淹没在形式逻辑的海洋之中,使人摸不着头脑。

另一则笑话,可在波兰裔美国数学名家S.M.Ulam的自传《一个数学家的遭遇》中读到。该书294页上写道:“杨振宁,诺贝尔物理学奖获得者,讲了一个有关现时数学家和物理家间不同思考方式的故事:一天晚上,一帮人来到一个小镇。他们有许多衣服要洗,于是满街找洗衣房。突然他们见到一扇窗户上有标记:‘这里是洗衣房’。一个人高声问道:‘我们可以把衣服留在这儿让你洗吗?’窗内的老板回答说:‘不,我们不洗衣服。

’来人又问道:‘你们窗户上不是写着是洗衣房吗’。老板又回答说:‘我们是做洗衣房标记的,不洗衣服’。这很有点像数学家。数学家们只做普遍适合的标记,而物理学家却创造了大量的数学。”

1995年12月,杨振宁先生接到复旦大学校长杨福家的来信,请杨振宁在1996年5月到复旦为“杨武之讲座”做首次演讲。杨武之教授是杨振宁的父亲,又是中国数学前辈,早年任清华大学数学系系主任多年,五十年代后则在复旦大学任教授,所以杨振宁很愉快地接受了邀请。但是他不能像杨福家校长要求的那样做20次演讲,只准备讲三次。顺着这一话题,杨振宁先生又谈了理论物理和数学的一些关系。

杨先生说:“理论物理的工作是‘猜’,而数学讲究的是‘证’。理论物理的研究工作是提出‘猜想’,设想物质世界是怎样的结构,只要言之成理,不管是否符合现实,都可以发表。一旦‘猜想’被实验证实,这一猜想就变成真理。如果被实验所否定,发表的论文便一文不值(当然失败是成功之母,那是另一层意思了)。数学就不同,发表的数学论文只要没有错误,总是有价值的。因为那不是猜出来的,而有逻辑的证明。

逻辑证明了的结果,总有一定的客观真理性。”

1959年,Aharanov和Bohm设计一个实验,表明向量势和数量势一样,在量子力学中都是可以测量的,打破了“可测的物理量必须是实数”的框框。这一实验相当困难,最后由日本的Tanomura及其同事于1982和1986先后完成。这样,物理学中的可测量终于扩展到了复数。

令我惊异的是,杨振宁教授预言,下一个目标将是四元数进入物理学。自从1843年爱尔兰物理学家和数学家Hamiton发现四元数之后,他本人曾花了后半辈子试图把四元数系统,像复数系统那样地广泛运用于数学和物理学,开创四元数的世纪。但结果是令人失望的。人们曾评论这是“爱尔兰的悲剧”。

杨振宁先生又说,至于将复变函数论形式地推广到四元数解析理论,由于四元数乘积的非交换性,导数无法唯一确定,所以不会有什么好结果出来。现在也有物理学家写成著作,用四元数来描写现有的物理定律,就没有引起什么注意。将来要用四元数表达的物理定律,一定会是一组非线性微分方程组,其解的对称性必需用四元数来表示。所以,杨先生相信:“爱尔兰的悲剧是会变成喜剧的”。

数学和物理学的关系,应该是十分密切的。在数学系以外的课程中,物理系开设的数学课最多最深。“物理学公理化,数学化”,曾是一个时期许多大学问家追逐的目标。不过,擅长使用数学于物理的杨振宁教授却认二者间的差别很大。他有一个生动的“双叶”比喻,来说明数学和物理学之间的关系。他认为数学和物理学像一对“对生”的树叶,他们只在基部有很小的公共部分,多数部分则是相互分离的。

杨振宁先生解释说:“它们有各自不同的目标和价值判断准则,也有不同的传统。在它们的基础概念部分,令人吃惊地分享着若干共同的概念,即使如此,每个学科仍旧按着自身的脉络在发展。”

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