美哉,物理!(二)

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1、美哉，物理！（二）沈葹1.2等闲识得春风面万紫千红总是春宋代学者朱熹的这两句咏春诗，若用来赞喻现代物理学在百余年间造就了科学春天的绚丽景色，倒还贴切。显然，相对论和量子理论的构建，为现代科技“百花园”里“万紫千红”的竞相斗艳，创造了必备的氛围和根柢；这卓尔理论或可就喻作引发“万紫千红”的和煦春风。相对论作为最高水准的经典场理论，将经典力学所培植的科学美学旨意，在经典物理范畴里推到了顶峰。爱因斯坦秉承有别于牛顿力学纲领的麦克斯韦场论纲领，在构建相对论体系的同时，创立了富有革命性意义的相对论时空观。从狭义相对论到广义相对论

2、，时间与空间的对称性被揭示：二者组成四维时空统一体，跟物体的运动相关联；进则，四维时空统一体又被赋予动力学机制，即由其弯曲特征用来标示引力场的动力学性质。20世纪，人们对物质世界的探索已抵达高速和高能标度、微观层面、太空的强引力场区域，甚至还考察了宇宙整体运动。因此，势必以相对论动力学取代牛顿的经典力学、将麦克斯韦（J.C.Maxwell）的电动力学（即电磁场理论）衍化为相对论电动力学，进而建立相对论量子力学、并以量子场论取代经典场论；势必以相对论引力论取代牛顿引力论、并试图使其量子化，还建立了相对论宇宙学。那就是说，

3、相对论或直接、或间接地引导并参与了这一系列的理论转变。事实上，时空观的变革至为关键，即唯有将牛顿绝对时空观代以相对论时空观，将伽利略相对性原理延拓为爱因斯坦相对性原理以至广义相对性原理，则便使构建相对论体系本身以及相对论量子力学和种种量子场论有了一个限制性的逻辑前提，从而使得预言反粒子存在、确认时空可变结论乃至推导质能相当公式、领会时空弯曲特征乃至确立几何动力学观念等等，都成为可能。格外重要的是，质能相当关系式E=mc2，似可称作“改变世界面貌的公式”；而凭借几何动力学观念即推演得出规范协变原理，甚至于就成为量子场论构

4、建并拓展所倚重的方法论原则。杨振宁很欣赏物理现象之美以及物理学中的理论描述之美和理论结构之美。我们认为，相对论或许在理论结构之美方面最为突出；其结构简练、严密、对称、完备，是富含演绎、推理之高度逻辑性的精粹之作。图1-5E=mc2的最新验证。2006年，法国和美国的实验物理学家通过精致实验验证了质能相当公式精确成立，误差仅为0.00004%。他们进行硅衰变实验：29Si→28Si+n+γ，即29Si核发射γ射线，则衰变成28Si，同时释放一个中子。利用磁原子秤，称出29Si与28Si+n的质量之差（质量亏损），同时利用

5、精密干涉仪测定γ射线的能量（γ射线通过超纯硅晶体而发生偏转，由偏转角大小可确定能量数值）。许多物理实验披露了物理现象之美。本图中以极高精度验证质能相当公式的实验，再现了这个堪称“最美的”物理现象，而且对于进一步支持爱因斯坦相对性原理颇为重要，尤其在目前有人怀疑其正确性的时候。的确，正如爱因斯坦所称赞的，凡进行十分精致实验的实验科学家，从其思想方法到仪器设置来看，大多称得上是“科学中的艺术家”。量子力学的创建，使物理学内蕴的科学美学旨意飞跃地升华；它纵然也有严密、完备的理论结构，但其理论描述之美更具别样风骚，表现于以玻尔

6、（N.Bohr）为首的哥本哈根学派对其所作出的、人们尚能接受的物理诠释。此诠释的要点有三：玻恩（M.Born）的几率解释表明对微观物质系统的理论描述是统计性的；海森伯（W.K.Heisenberg）的不确定性原理表明借用经典物理概念描述对微观系统的观测结果时所受到的限制；玻尔的互补原理则取代经典物理中的因果性原理而使量子力学成为对微观系统的机巧而和谐的描述形式。一般说来，理论描述之美还是发轫于理论结构之美。而量子力学所取之理论结构（借助于希耳伯特空间）以及基本概念的表示方式（诸如波函数、力学量算符等），乃适应其概念基础

7、的伟大变革；即量子概念毕竟是量子物理的灵魂（见第五篇），亦即量子物理及其对于现代科技的应用所放出的全部光芒，俱都源发于这个20世纪最灿烂的革命性概念。爱因斯坦曾高度评价量子物理之理论成就的非凡和超越，称其为“思想领域的最高音乐神韵”；但他对哥本哈根学派的诠释并不赞同，与玻尔等人展开了旷日持久的激烈论争。所幸这两位科学大师之间的思想争端带来了出乎意料的久远影响：不仅使人们加深了对量子概念及其升华形式——量子场概念、微观实物粒子及其相互作用场的波粒二重性、量子场的内禀对称性、微观运动非为时空过程、奇特的量子相干叠加和量子纠

8、缠效应、以及哥本哈根学派诠释等的理解，而且竟在当代引发出一个崭新学科——量子信息论；这犹如一簇尚未绽开的奇异花蕾，招惹得人们浮想联翩。相对论和量子理论是20世纪物理学革命的两大标志性硕果，亦为现代科技文明发祥之渊薮。无论是对学科的理论支持抑或宽广的技术应用、无论是导致学科的不断扩展抑或触及人类思想之概念结构的深刻变革，都表明这两个