美和物理学(杨振宁).doc

美与物理学 （杨振宁） 十九世纪物理学的三项最高成就是热力学、电磁学与统计力学。其中统计力学奠基于 麦克斯韦（J. Maxwell , 1831 - 1879）、波耳兹曼（L. Boltzmann , 1844 - 1905）与 吉布斯（W. Gibbs , 1839- 1903）的工作。波耳兹曼曾经说过： 一位音乐家在听到几个音节后，即能辨认出莫扎特（Mozart）、贝多芬（Beethoven） 或舒伯特（Schubert）的音乐。 同样，一位数学家或物理学家也能在读了数页文字后辨认 出柯西（Cauchy）、高斯（Gauss）、雅可比（Jacobi）、亥姆霍兹（Helmholtz）或克尔 期豪夫（Kirchhoff）的工作。 对于他的这一段话也许有人会发生疑问：科学是研究事实的，事实就是事实， 那里会 有甚么风格？ 关于这一点我曾经有过如下的讨论： 让我们拿物理学来讲吧。物理学的原理有它的结构。这个结构有它的美和妙的地方。 而各个物理学工作者，对于这个结构的不同的美和妙的地方，有不同的感受。因为大家有 不同的感受，所以每位工作者就会发展他自己独特的研究方向和研究方法。也就是说他会 形成他自己的风格。 今天我的演讲就是要尝试阐述上面这一段话。我们先从两位著名物理学家的风格讲起 。 一、狄拉克 狄拉克（P. Dirac , 1902 - 1984）是二十世纪一位大物理学家。关于他的故事很 多。譬如：有一次狄拉克在普林斯顿大学演讲。演讲完毕，一位听众站起来说：“我有一 个问题请回答：我不懂怎么可以从公式（2）推导出来公式（5）。 ”狄拉克不答。 主持 者说：“狄拉克教授，请回答他的问题。”狄拉克说：“他并没有问问题，只说了一句话 。” 这个故事所以流传极广是因为它确实描述了狄拉克的一个特点：话不多，而其内含有 简单、直接、原始的逻辑性。一旦抓住了他独特的、别人想不到的逻辑，他的文章读起来 便很通顺，就像“秋水文章不染尘”，没有任何渣滓，直达深处，直达宇宙的奥秘。 狄拉克最了不得的工作是1928年发表的两篇短文，写下了狄拉克方程： (D) (略) 这个简单的方程式是惊天动地的成就，是划时代的里程碑：它对原子结构及分子结构 都给予了新的层面和新的极准确的了解。没有这个方程，就没有今天的原子、分子物理学 与化学。没有狄拉克引进的观念就不会有今天医院里通用的核磁共振成像（MRI）技术， 不过此项技术实在只是狄拉克方程的一项极小的应用。 狄拉克方程“无中生有、 石破天惊”地指出为甚么电子有“ 自旋”（spin）， 而且 为甚么“自旋角动量”是1 / 2而不是整数。初次了解此中奥妙的人都无法不惊叹其为“神 来之笔”，是别人无法想到 的妙算。 当时最负盛名的海森伯（W. Heisenberg , 190 1 -1976）看了狄拉克的文章，无法了解狄拉克怎么会想出此神来之笔，于1928年5月3日 给泡利（W. Pauli , 1900 - 1958）写了一封信描述了他的烦恼： 为了不持续地被狄拉克所烦扰，我换了一个题目做，得到了一些成果。（按：这成果 是另一项重要贡献：磁铁为甚么是磁铁。） 狄拉克方程之妙处虽然当时立刻被同行所认识，可是它有一项前所未有的特性，叫做 “负能”现象，这是大家所绝对不能接受的。狄拉克的文章发表以后三年间关于负能现象 有了许多复杂的讨论，最后于1931年狄拉克又大胆提出 “ 反 粒 子 ” 理 论 （ Theor y of Antiparticles ） 来解释负能现象。 这个理论当时更不为同行所接受， 因而流 传了许多半羡慕半嘲弄的故事。 直到1932年秋安 德 森（C.D. Anderson , 1905 - 199 1）发现了电子的反粒子以后，大家才渐渐认识到反粒子理论又是物理学的另一个里程碑。 二十世纪的物理学家中，风格最独特的就数狄拉克了。我曾想把他的文章的风格写下 来给我的文、史、艺术方面的朋友们看，始终不知如何下笔。去年偶然在香港大公报大公 园一栏上看到一篇文章，其中引了高适（700 - 765）在《答侯少府》中的诗句： “性 灵出万象，风骨超常伦。”我非常高兴，觉得用这两句诗来描述狄拉克方程和反粒子理论 是再好没有了：一方面狄拉克方程确实包罗万象，而用“出”字描述狄拉克的灵感尤为传 神。另一方面，他于1928年以后四年间不顾玻尔（N. Bohr , 1885 - 1962）、海森伯、 泡利等当时的大物理学家的冷嘲热讽，始终坚持他的理论，而最后得到全胜，正合“风骨 超常伦”。 可是甚么是“性灵”呢？这两个字联起来字典上的解释不中肯。若直觉地把“性情” 、“本性”、“心灵”、“灵魂”、“灵感”、“灵犀”