原创 小北 北京大学出版社
按照人们通常有之的印象, 物理学向来是与那些晦涩且难以理解的公式, 以及复杂又抽象的概念相关联的, 这使得人产生望而生畏之感。
然而呢, 这仅仅只是物理学表面呈现出来的那小小的一丁点儿, 就如同冰山露出海平面的那一小部分, 被隐藏在那些看起来枯燥乏味且费劲方可理解的背后之处, 实际上存在着的是一方装填着无穷无尽魅力的美学宝藏。
彩虹可不是雨后天空简简单单的偶然现象, 而是光的波动同介质交互作用所达成的精妙绝伦的演绎成果；北极光并非只是极地流传的神秘莫测的传说, 而是带电粒子跟大气分子相互碰撞所产生的光彩夺目的辉煌火花；光谱绝不仅仅是化学实验室里呈现出的单调乏味的线条, 而是原子世界深处内部结构所展现出的光彩照人的瑰丽画卷。
从哥白尼首次把地球从宇宙中心挪出, 大胆地去探寻更为真实、更为美妙的宇宙景象开始, 到麦克斯韦凭借如交响乐般宏伟的那篇论文, 揭开电磁场的神秘面纱而去；再由狄拉克说出那句令人心头一振的“物理学定律必定具备数学美”来讲, 他们没有一个不是运用自身的智慧与勇气, 给我们勾勒出一幅幅有关物理学之美的壮美画卷的。
撰写《物理学之美》的杨建邺先生, 是为了引领我们再度寻访物理学史上那些美的瞬间而作此书, 这本书曾获著名科学家杨振宁教授认可, 且杨振宁教授还专门为此书写了序言。
它在初次出版之后, 因为受到了读者的欢迎, 所以再三进行重印, 并且还获得了2012年全国优秀科普作品奖项, 以及北京市优秀科普作品奖, 还有吴大猷科学普及奖。
《物理学之美》一书作者杨建邺与杨振宁先生
一、物理学之美美在哪？
关于物理学之美，很多卓越的物理学大师都谈到过。
哥白尼于其撰著的《天体运行论》一书当中的起始第一句话即表明: 在用以哺育人的天赋才智的林林总总、各式各样的科学以及艺术里, 我觉得首先应当倾其所有精力去钻研那些同最为美妙的事物存在关联的东西。
哥白尼肖像，于1580年的托伦旧市区
进入20世纪之后, 鉴于物理学迈入了远离人们经验与常识的相对论以及量子力学这两大领域, 物理学家针对物理学之美的认知, 便拥有了更为深刻且精到的程度。
当英国的理论物理学家保罗·狄拉克, 于1956年在莫斯科大学进行访问之际, 主人依照惯例请他留下题词, 狄拉克写下了这样一句话: 物理学的定律必须具备数学美。后来, 在哈佛大学举办的演讲当中, 他甚至于说道: 学习物理的人无需对物理方程的意义予以操心, 只要关注物理方程的美便足够了。
那, 物理学的美涵盖哪些方面呢? 杨振宁先生讲过存在这样三种美, 一种是现象给出有的美, 一种是理论进行描绘产生的美, 一种是理论构建架构呈现的美。
著有《物理学的最终定律》一文的美国物理学家温伯格, 于1979年荣获诺贝尔物理学奖, 在该文中他曾多次对杨振宁有关物理学之美的论述予以赞赏。
现象之美是指, 组成科学主题的那些实体呈现出的美丽现象, 像彩虹、北极光、光谱、晶体等等, 这种从实体中获取的美感, 仅通过观察就行, 通常不需要特定的理论知识就能感受到。
理论之美乃客体自然规律的映照, 其简洁与和谐使人萌生一种愉悦的美感。引力定律是对自然界某些基本属性极为美妙的理论诠析, 热力学第一定律同样是对自然界某些基本特质颇具美感的理论阐释, 热力学第二定律亦是如此, 它们常常会给人带来一种意料之外的美的体悟。
比如, 英国的天文学家哈雷, 依据牛顿引力定律, 预言了哈雷彗星回归的时间, 法国的天文学家勒威耶与英国的天文学家亚当斯, 预言了一个未知行星也就是海王星运行的轨道, 英国的天文学家霍金, 凭借热力学第二定律, 证明了黑洞并非是黑的等等, 尽皆给人一种精神层面巨大的美好享受。
爱德蒙·哈雷和哈雷彗星
理论之美, 于自然现象里无法直接看见, 仅能被掌握了一定科学理论的人所感知, 这般美即乃科学家心驰神往之美, 它让科学家于冗长沉闷的工作之时感到愉悦与欣慰, 且成为研究科学的动力中的一个。正如同法国的数学家以及物理学家庞加莱讲道的那样: “要是自然不美, 那么它就不值得去探寻了。”。
所谓理论结构之美, 指的是理论存在着一种漂亮的结构，在20世纪之后, 它通常所指的是理论自身的数学结构。而这些数学思想所具备的美, 是属于另一种美, 物理日益朝着数学化发展, 这意味着这最后一种美变得越来越重要了。
二、物理学之美如何演变？
物理学之美存在一定客观性与共性, 然而, 由于每位物理学家的美学观个性极强, 故而它依旧是一个主观性颇为突出的观念。
要走进每一位物理学家所处的那个时代, 还要了解他的生活经历, 知晓他的性格喜好, 如此这般, 方能对物理学家美学观的产生以及其内容获得全新的且具备价值的发现。
近代物理学初步成长起来的时代, 是第谷、开普勒、牛顿三位物理学家所处的时代, 那里, 他们的思考受处在思想深处的某种美学观点支配, 这样些美学观点比较原始有神秘色彩, 圆周匀速运动被认作最美那类, 某些神秘数字像7会对其有所影响。
1577年, 出现了一颗大彗星, 它吸引了全欧洲天文学家们的注意, 而开普勒在童年看过它。
这个时候的美学观念贝语网校，能够引导他们朝着某一个方向前行, 还会带来一些成果。然而, 错误出现的频次相当高。所以说, 开普勒差不多是在不断试错的过程中向前推进的。牛顿则不一样, 他起始运用相对成熟的理论框架以及数学去探讨物理学里的运动, 最终收获了伟大的牛顿三大定律以及万有引力定律。
在威廉·布莱克的笔下物理学家有那些，牛顿是个神圣几何学家
18世纪至19世纪期间, 德国自然哲学处于流行状态, 其美学观念是, 整个自然界以及自然界的每个细部都需遵循简单性、统一性原理, 物理学家们在诸多领域都受此观念引导而前行。
迈耶、亥姆霍兹, 在这样的美学观指引下, 对热力学展开研究工作, 进程算是欣喜中带点儿进展, 收获一款唯象理论情形；此际, 焦耳拿着实验结果, 敲定了他们心头信念；终极阶段, 亥姆霍兹搭建起庞大理论框架。随后, 热力学理论在无数次考验之下, 成为微观领域、宏观范畴以及宇观世界里的伟大理论。
在众多实验以及唯象理论的地基之上, 麦克斯韦为促使四个数学方程更具对称性, 去契合他美学观念, 异常大胆地架构起一个庞大电磁理论, 也就是麦克斯韦方程组, 数学上对称美的威力于此时呈现在物理学家眼前。
在赫兹运用实验证实这个方程以前, 人们都未想到思索其存在着的美学意味以及价值。爱因斯坦是最先彻底领悟麦克斯韦方程组美学价值的物理学家当中一个。他凭借拓展理论内部暗藏的对称性, 提出了伟大的相对论。
伴随历史的逐步演进, 物理学家踏入微观世界, 这一领域全然异于宏观世界, 物理学家好像又要于漆黑一片中摸索而前行了。于是哩, 重新涌现出始于实验观测（是热辐射的观察和实验）, 接着到唯象理论（那包括玻尔理论、海森伯的理论嘛）, 最终才是海森伯跟狄拉克的量子力学。
爱因斯坦那个著名的方程是E=mc⊃2; , 在他刚发现这个公式之际, 他自己并无十足把握 , 甚至还对友人讲: “这个公式具备着既有趣同时还迷人得特点, 但不清楚亲爱的上帝是否会嘲笑它, 说不定它已然欺骗了我。”。
在这一期间, 物理学美学所发挥的作用, 好像看起来有几份值得怀疑之处, 然而, 通过海森伯的研究依旧能够看得出, 他从自己父亲那里承袭过来的古希腊科学美学观念, 始终都是他直觉产生的源头。
彼时, 有一位于物理学美学领域有着极为重大建树的人物, 此人便是狄拉克, 此刻他登场了。狄拉克大体上是依据理论的数学结构美去思索物理学理论的, 他全然不考量任何物理模型, 径直从理论与数学结构美的那个制高点起步, 进而得出了一个比他自身聪慧许多的狄拉克方程。
在物理学家怀揣着对对称性的热情, 一路高歌猛进之际, 大自然却以出人意料的方式打破了美好, 突如其来传出了不和谐之声: 惊现宇称不守恒现象。微观世界凭借自身独有特点, 再次彰显出不羁态度展示自身桀骜不驯的本性。事实上? 这本身体现真正物理学之深层次壮美一面: 即为对称之中饱含不对称之意蕴意味呈现。而这恰恰就是蕴藏万物生长的神秘奥秘所在之处。
杨振宁-米尔斯理论最初是一个极致美丽且对称的理论佳作, 它借由自发对称破缺获取了强大的生命力, 即“对称性支配相互作用”, 这是当代最为伟大的理论框架, 更令人惊奇的是, 这一物理学理论框架竟与美妙的数学结构存在惊人关联, 杨振宁-米尔斯理论竟成了数学家研究的热门内容之一, 有好几位数学家因研究杨振宁-米尔斯理论荣获了菲尔兹奖。
在为杨振宁退休举行的学术研究会上杨振宁与米尔斯
这时, 物理学与数学达成了根部的连接, 数学结构美终于完完全全地展现于物理学家还有数学家眼前了。
三、为什么要探索物理学之美
在教育这片广阔天地当中, 物理学常常被部分学生看作是难以跨越的高山, 它那枯燥乏味的形象好像是根深蒂固着的。
然而, 恰恰是这份针对物理学的错误理解以及惧怕心理, 越发证实了探寻物理学之美的关键意义。特别是针对那些于中学时期在物理方面感到困惑, 或者丧失兴趣的学生来讲, 披露物理学所具备的美学魅力, 毫无疑问便是一盏照亮前行道路的明灯。
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杨振宁先生对本书推荐语
1997年1月17日, 我在一场由香港中华科学与社会协进会以及香港中文大学共同主办的演讲会上, 发表了名为“科学工作有没有风格? ”的演讲。此后, 该演讲在被收入《曙光集》之时, 将标题写成了“美与物理学”。在那场演讲里, 我讲了, 物理学从实验到唯象理论再到理论架构, 呈现出从表面朝向深层的发展态势。表面存在表面的结构, 具备表面的美；进一步开展的唯象理论研究展现出了更深一层的美；再进一步的研究, 便彰显出了极深层的理论架构的美。
牛顿的运动方程, 是物理学理论架构的骨干之一, 麦克斯韦方程, 也是物理学理论架构的骨干之一, 爱因斯坦的狭义相对论方程, 同样是物理学理论架构的骨干之一, 狄拉克方程, 还是物理学理论架构的骨干之一, 海森伯方程, 亦是物理学理论架构的骨干之一, 以及其他五六个方程, 都属于物理学理论架构的骨干。它们提炼了历经几个世纪的实验工作的精髓, 它们提炼了诸多唯象理论的精髓, 它们达到了科学研究的至高境界。它们用极度浓缩的数学语言写出了物理世界的基本结构, 可以讲它们是造物者的诗篇。
我觉着, 年纪轻轻的朋友们理应对于科学这般不同层级的美葆有鉴赏能力。时常会有年轻的朋友来问我, 其究竟该去钻研物理, 还是去钻研数学。我的回应是, 这得瞧你于哪一个范畴之中的美以及妙拥有更高的判别本事以及更多的喜好。爱因斯坦于1949年谈及为何选取物理学之际讲: “在数学领地内, 我的直觉欠佳, 无法辨别哪些是切实关键的钻研, 哪些仅仅是无关紧要的题目。而在物理学里头, 我迅速学会怎样寻觅基本问题去着力。”。
因此, 对于年轻的朋友们而言, 需要针对自身的喜好以及判断能力（换而言之就是科学鉴赏力）, 具备正确的自我估价。从这样的一个角度去进行观察, 本书对读者发出“共享科学的情与趣, 共赏科学的妙与美”的邀请物理学家有那些，乃是具备相当意义的。
探究物理学的美妙之处, 是于更为宽泛的范畴里, 它关联人类对大自然神秘奥妙的向往, 对合乎事理思索的敬重, 以及对美学感受的持续深入。
对物理学之美的探索, 是深入探寻自然界的本质与规律, 去明白宇宙万物是怎样相互作用、历经演化并发展的。这般探索不光丰富了我们那知识体系, 还进一步加深了我们对于自然世界的认知。
长久以来, 科学跟人文似乎被划分成两个完全不一样的领域。可是, 物理学的美却借由其独到的魅力, 变成连接科学以及人文的桥梁。它使我们瞧见, 科学不单纯是冷冰冰的数据和公式, 还是蕴含着深刻哲学思想、美学价值以及文化内涵的综合性学科。
探索物理学之美时, 人们要持续突破传统观念的限制, 去挑战已有的认知架构, 用全新的眼光与思维模式审视和理解自然界, 这样的过程不断培育着人们的创新精神以及 创造力。
对于物理学之美的探寻过程, 距离结束还非常遥远。像那雄伟险要的道路, 真好似钢铁铸就, 然而现在要重新起步向前跨越！