爱美之心,人皆有之,物理学尤甚。学物理的人用不着对物理方程的意义操心,只要关心物理方程的美就够了。狄拉克曾说:《物理学之美》(插图珍藏版)想读指数:755/1729,位居春节档新书单第一。这本书的来头有多大?看看作序推荐的是谁就知道了——杨振宁。1997年1月17日,我在香港中华科学与社会协进会与香港中文大学主办的演讲会上发表演讲《科学工作有没有风格?》。
后来,在收入《曙光集》的时候,把此演讲的标题写作了“美与物理学”。在那次演讲中,我谈到,物理学自实验、唯象理论到理论架构,是自表面向深层的发展。表面有表面的结构,有表面的美。进一步的唯象理论研究显示出了深一层的美。再进一步的研究,就显示出了极深层的理论架构的美。牛顿的运动方程、麦克斯韦方程、爱因斯坦的狭义相对论方程、狄拉克方程、海森伯方程,以及其他五六个方程是物理学理论架构的骨干。
它们提炼了几个世纪的实验工作、唯象理论的精髓,达到了科学研究的最高境界。它们以极度浓缩的数学语言写出了物理世界的基本结构,可以说它们是造物者的诗篇。我以为,年轻朋友们应该对科学的这些不同层次的美拥有鉴赏力。常常有年轻朋友问我,他应该研究物理,还是研究数学。我的回答是,这要看你对哪一个领域里的美和妙有更高的判断能力和更大的喜爱。
爱因斯坦在1949年谈到他为什么选择物理学,他说:“在数学领域里,我的直觉不够,不能辨认哪些是真正重要的研究,哪些只是不重要的题目。而在物理学里,我很快学到怎样找到基本问题来下工夫。”因此,对年轻朋友来说,要对自己的喜好与判断能力(也就是科学鉴赏力),有正确的自我估价。从这个角度来看,本书邀请读者“共享科学的情与趣,共赏科学的妙与美”,是很有意义的。
《物理学之美》作为“科学之美丛书”中的一种,曾于2011年由北京大学出版社出版。本文系著名物理学家杨振宁教授为“科学之美丛书”所作的序言,本书精装版仍然沿用此序言,只做了少量改动。春节新书单推出后,小赛一共收集到了191条“我想写书评”的申请,其中有43条希望阅读《物理学之美》并撰写书评。小赛从中挑选了两位幸运读者,寄出样书。这两位靠谱的小伙伴如约返回了书评,他们的读后感都是什么样的呢?
邢琳晴:本书不是在谈简单的物理现象之美,而是在把握近现代物理学发展脉络的基础上,力图从中寻找物理学理论和理论结构之美。
全书除去绪言和后记共计9个章节,每个章节皆主要围绕1-2个物理学家展开,从开普勒、牛顿、玻尔兹曼、麦克斯韦到爱因斯坦、海森伯、狄拉克、杨振宁等,叙述其所研究的问题及研究方法、成果皆娓娓道来,中间穿插着对人物生平、性格和兴趣爱好的挖掘,更是给本书平添了不少趣味,也让读者了解到一位位久负盛名的大科学家背后一些不为人知的故事;书中诸多有历史意义的插图也自然穿插其间,与文字平分秋色。
本书的核心思想皆围绕“美”字展开,如书中提到的三种美——现象之美、理论描述之美和理论结构之美。根据作者的观点,现象之美是“组成了科学主题的那些实体所呈现出的美丽的现象”,这种美只需要观察而不需要特定的理论知识就可以得到。
“理论之美是客体自然规律的反映,它的简洁与和谐让人产生一种愉悦的美”,针对理论之美作者举的例子是引力定律、热力学第一第二定律等等——根据牛顿引力定律预言哈雷彗星的回归时间,根据热力学第二定律证明黑洞不黑,类似的由于掌握了一定的科学理论知识而使得人对自然中奥妙得以一窥,给予人以极大愉悦的美感。
“理论结构之美,是指理论有一个漂亮的结构,在20世纪以后它通常是指理论本身的数学结构”,这种美在狄拉克的研究中尤其体现的淋漓尽致,狄拉克提出著名的“狄拉克方程”的灵感来源于他对数学最高境界的“结构美”的直觉欣赏,他几乎从不重视实验数据。但就是这样一个数学结构之美至上主义者,成了将量子力学和相对论嫁接到一起的第一人,“他开创了一种研究物理的新途径。
他干预直接猜想一个方程的形式,然后再试图对它进行解释……”。
这三种美可以与物理学的三个领域观照。所谓的物理学三个领域,即实验、唯象理论和理论架构。实验和唯象理论结合起来是实验物理,而唯象理论和理论架构结合起来是理论物理,理论物理的语言是数学,物理的发展逐渐由从经验总结出数学规律,到基于已有的解释零散现象的规律发现更大一统范围的理论,完成基本理论架构,在此过程中也在逐步强调物理学美学。
如传记作家沙利文所言“所以我们可以发现,科学家的动机从一开始就显示出是一种美学的冲动……科学在艺术上不足的程度,恰好是科学上不完善的程度”,这里所说的艺术,即物理学规律的形式美、结构美。这种美可能包蕴在一个方程中,如薛定谔方程、狄拉克方程,也可能是人们对守恒性、对称性的一种追求(虽然现在弱相互作用宇称守恒已经坍塌)。
最后从个人角度来说,作为一个理科背景的大学生,从这本书里我也收获了许多额外的东西,比如物理学家对理论之美的无限崇尚,对发现新知识、开拓新领域那种无限好奇和激动的心情,启示我们永葆一颗赤子之心对今后从事学术的青年来说至关重要。焦耳为了准确测量热功当量的值前后就花了40年时间,我们在做实验时是不是也应该摒弃浮躁的心理,更专心、更纯粹地做好当下呢?
张鑫(华南理工大学):放眼于五百多年的物理学发展史,视野辽阔,尽显在物理学发展中承前启后的理论结构美和数学美;聚焦于数十位物理学界泰斗,妙趣横生,彰显顶级物理学家们追求美的勇气与魅力;网罗丰富真实史料和大量补充资料,信而有征,一窥理论诞生的前后因果,给人以智慧的启迪;更有数百幅珍贵图片,生动详实,记录物理学的里程碑事件和物理学家们的光彩,给人以美的享受。
从中学物理到大学物理,零零散散的物理学定律将物质世界的本质一点一滴地呈现出来,纷繁复杂的世界由此变得秩序井然、简单明了。我常常在想,那一个个神奇而美妙的物理学公式、定理背后,是否存在巧妙的联系?那一个个规范一切的物理学定律被发现之初,是否也诞生了物理学家们鲜为人知的美丽故事?当我翻开《物理学之美(插图珍藏版)》进行阅读时,问题的答案一一明了。
华中科技大学物理系教授杨建邺的《物理学之美》,从物理学历史的发展中寻找物理学理论和理论结构之美:放眼于五百多年的物理学发展史,视野辽阔,尽显在物理学发展中承前启后的理论结构美和数学美;聚焦于数十位物理学界泰斗,妙趣横生,彰显顶级物理学家们追求美的勇气与魅力;网罗丰富真实史料和大量补充资料,信而有征,一窥理论诞生的前后因果,给人以智慧的启迪;更有数百幅珍贵图片,生动详实,记录物理学的里程碑事件和物理学家们的光彩,给人以美的享受。
首先,《物理学之美》展现了一种历史美。很少有像《物理学之美》这样展示了物理学发展历史的科普读物。中学物理讲解的是一些零碎的物理学定理和公式,大学物理也只是拓宽知识面,很少有讲述关于那些定理和公式由来和背后故事的内容。而喜爱物理的我不只是满足于了解那些美丽的定理或公式,还热衷于了解物理学家门发展这些理论的精彩故事和各种理论背后的联系——这些内容总是那么振奋人心和启人深思。
所以我一直在寻找关于物理学发展史的书,直到我遇见了《物理学之美》。
从开普勒三定律到杨振宁的规范场理论,《物理学之美》讲述了五百多年的宏大物理史。
于是,万有引力定律之于行星运动理论、黑洞热力学之于热力学两定律、狭义相对论之于麦克斯韦电磁理论、矩阵力学之于波尔氢原子理论......各种物理理论的关系变得清晰,联系更加紧密——这就是历史美,展现物理学这棵参天大树如何从小树苗长出枝叶并枝繁叶茂的美,一种清晰明了的美。其次,《物理学之美》展现了一种故事美。本书总体上给人的感觉是在讲故事——不过这些事都是真实的。
它的语言通俗易懂,讲事说理娓娓道来,而不像其他物理科普书籍,动辄几十条公式,读起来乏味无趣。这些故事围绕一些顶级的物理学家展开——可以说每一个章节都是以一个物理学家和他发现的理论为中心的。
例如,讲爱因斯坦将相对论扩展到加速度参照系时,说到他和居里夫人携带两家的孩子去野外爬山,当他们登上一条河谷陡峭的岩壁时,沉思中的爱因斯坦突然抓住居里夫人的手,大声说:“我想知道,如果人从这山上自由下落时,感觉会怎么样?”又如,写海森伯发现矩阵力学后由于太兴奋,天还没亮就爬上海边的岩石,等待日出。这多么像我们自己有了小作为后兴奋地干些奇妙的事啊。
再如,讲吴健雄做实验验证杨振宁和李政道关于推翻弱相互作用宇称守恒的假设时,许多物理学家为猜测实验结果而打赌,特别是费曼和拉姆齐的50:1的赌约。这样的写法让这本物理学科普书有非常大的趣味性和可读性。
再次,《物理学之美》具有理论美。归根结底,这本书是一本科普读物,它确实发挥了“科普”的作用。本书表现了物理学的三种美——现象之美、理论描述之美、理论结构之美,理论结构之美主要是数学结构美。
这三种美对应杨振宁教授将物理学划分成的三个领域——实验、唯象理论、理论构架。每一种物理理论都能表现一种美,属于一个或多个物理领域。例如,书中讲到的第谷的天文观测是实验领域,发现了现象之美;开普勒分析数据得到开普勒三大定律属于唯象理论,具有理论描述美;牛顿通过数学美的思考总结万有引力定律属于理论架构领域,凸显了理论结构之美。
许多伟大物理理论的发现都是物理学家追求自然中的和谐与美的结果,而这些美的最高层次就是数学结构美,如曾在莫斯科大学留下“一个物理学定律必须具有数学美”格言的伟大物理学家狄拉克,他仅因对数学方程结构美的直觉追求,就推出了震惊当时世界的狄拉克方程。而且,当时的其他物理学家们评价他的推理清晰明了,将问题研究到了极致,以至于再没有什么东西可研究了。所以作者说狄拉克的理论“秋水文章不染尘”。
最后,《物理学之美》具有内容美。2019年2月出版的插图珍藏版含有五百幅左右的精美图片,它们是记录了伟大物理事件和人物的珍贵史料,值得收藏。同时,本书摘录大量物理学大师的和回忆录和书信,甚至还有多首物理学家创作的小诗。包含如此多有意义的内容,足以说明《物理学之美(插图珍藏版)》的价值。总之,《物理学之美》本身就是一本极美的书,它就像一双可以发现美的眼睛,让我们饱览物理学之美。
所谓“一粒沙里有一个世界,一朵花里有一个天堂。”手握这本书,则“把无穷无尽握于手掌,永恒宁非是刹那时光。”