物理的簡約之美散文

　　物理學(xué)中的統(tǒng)一路，實際上追求的是一種簡約之美。

　　把復(fù)雜的事情簡單化，是一種本領(lǐng)和智慧。簡約并不簡單，中國清代書畫家鄭板橋，在書齋中掛了一幅自寫的對聯(lián)“刪繁就簡三秋樹，領(lǐng)異標(biāo)新二月花”，以此表明他的書法及文學(xué)理念，主張以最簡練清晰的筆墨、不同凡響的思想，表現(xiàn)出最豐富的內(nèi)容。14 世紀(jì)，在英格蘭的一個村莊奧卡姆有一位叫威廉的邏輯學(xué)家，此人流傳下來一句膾炙人口的話：“Entities should notbe multiplied un necessarily”（“如無必要，勿增實體”），意思是說，刪除一切沒必要的多余“實體”，留下最少的，這被稱為“奧卡姆剃刀原理”。

　　物理學(xué)家的“統(tǒng)一”，歸納起來有3 個方面：一是物理規(guī)律的統(tǒng)一；二是物質(zhì)本源的統(tǒng)一；三是相互作用的統(tǒng)一。

　　對于理論物理，奧卡姆原理最好的表述是：當(dāng)你面對著導(dǎo)致同樣結(jié)論的兩種理論，選擇那個最簡單的，實體最少的。物理統(tǒng)一理論中的實體，可被理解為基本規(guī)律、粒子和作用力。也就是說，統(tǒng)一，就是用最少數(shù)目的物理規(guī)律來描述自然現(xiàn)象；用最少數(shù)目的“不可分割基本粒子”來構(gòu)成所有的物質(zhì)；用最少種類的“力”來描述物質(zhì)之間的相互作用。

　　牛頓曾經(jīng)感嘆地說過：“我能計算天體運行的軌道，但無法計算人類的瘋狂。”“奧卡姆剃刀”原則也許難以描述多變的社會現(xiàn)象及復(fù)雜的人性，但將其用于科學(xué)中的優(yōu)越性卻毋庸置疑。幾百年來，這一原理在科學(xué)上得到了廣泛應(yīng)用，從牛頓的萬有引力到愛因斯坦的相對論，再到如今的標(biāo)準(zhǔn)模型，漫長延綿的統(tǒng)一路上，“奧卡姆剃刀”已經(jīng)成為重要的科學(xué)思維理念。

　　然而，物理學(xué)中的統(tǒng)一理論，是隨著時間而變化的�？茖W(xué)發(fā)展的不同歷史時期，會有不同意義下的不同“統(tǒng)一理論”，它們猶如在一條曲折流逝的河流中，一定位置出現(xiàn)的一片片平靜的港灣。

　　回頭看歷史，牛頓創(chuàng)立的經(jīng)典力學(xué)，無疑是物理史上第一片港灣。

　　牛頓有過如此一段名言：“將簡單的事情考慮復(fù)雜，可以發(fā)現(xiàn)新領(lǐng)域；把復(fù)雜的現(xiàn)象看得簡單，可以發(fā)現(xiàn)新規(guī)律。”這句話描述了牛頓做物理、數(shù)學(xué)的基本思想方法，前半句說的是科研中的具體過程，后半句則代表了他對物理理論規(guī)律追求“統(tǒng)一”的奧卡姆剃刀原則。牛頓發(fā)明微積分是前者，總結(jié)建立力學(xué)定律則是后者。

　　當(dāng)年，牛頓癡迷于思考二項式展開的數(shù)學(xué)問題。數(shù)學(xué)前輩笛卡爾認(rèn)為其展開后的項數(shù)有無窮多，太復(fù)雜了，而人的大腦是有限的，不應(yīng)該去思考這種與無窮有關(guān)的復(fù)雜問題。可牛頓偏偏迷上了這個由無窮多項求和的復(fù)雜概念，這個概念又引導(dǎo)牛頓進一步考慮無限細分下去而得到的無窮小量。他將這無窮小量稱為“極微量”，也就是現(xiàn)在所說的“微分”。牛頓發(fā)明的微積分為數(shù)學(xué)、物理乃至其他科學(xué)技術(shù)開拓了一片嶄新的天地。

　　牛頓之前的物理學(xué)，已經(jīng)有了許多獨立的、貌似互不相關(guān)的物理定律。牛頓將地球吸引蘋果下落的力與太陽牽引月亮繞其旋轉(zhuǎn)的力統(tǒng)一在一起，結(jié)合胡克發(fā)現(xiàn)的平方反比率，發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律。他將伽利略的慣性原理總結(jié)成牛頓第一定律，首先定義了不受外力作用的慣性參考系；然后，再將“慣性”的概念推廣到外力不為零的情形，提出非零的力將使物體產(chǎn)生非零加速度，這個加速度與外力成正比，與物體內(nèi)在的慣性質(zhì)量成反比。因此，牛頓第二定律將力、加速度、慣性質(zhì)量三者之間的關(guān)系，總結(jié)統(tǒng)一在一個簡單的數(shù)學(xué)公式（F=ma）中，邁出了將運動學(xué)發(fā)展為動力學(xué)的關(guān)鍵性一步，建立了物體在力的作用下的運動規(guī)律。接著，牛頓又在第三定律中，提出了任何力都是成雙出現(xiàn)的，這兩個力總是大小相等、方向相反，稱之為“作用與反作用”。

　　與那些“孤立”定律不同的是，牛頓三大定律所描述的是“所有”物體在力的作用下的運動規(guī)律，他將物體的大小、形狀、質(zhì)地、軟硬之類不重要的具體性質(zhì)通通砍去，只留下一個“質(zhì)量”。牛頓是第一個認(rèn)識到這些零零落落的孤立定律之間深刻的內(nèi)在聯(lián)系的，他將這些分散的“支流”匯總在一起，完成了物理學(xué)上的第一次理論統(tǒng)一。

　　場論的思想，則始于麥克斯韋和法拉第的電磁場理論。麥克斯韋大刀闊斧地揮舞奧卡姆剃刀，剃去冗余重復(fù)的部分，加上必要的新概念，最后將它們高度凝聚提煉簡化為4 個對稱而漂亮的矢量方程式，將電、磁、光三者“統(tǒng)一”于一個經(jīng)典場中。

　　愛因斯坦在建立狹義相對論時留下兩條他認(rèn)為必要的實體——相對性原理和光速不變。后來，他將相對性原理擴展，用等效原理將引力質(zhì)量和慣性質(zhì)量等同起來，將引力效應(yīng)與時空幾何統(tǒng)一起來，建立了廣義相對論。

　　物理學(xué)家們從20 世紀(jì)80 年代開始建立的“標(biāo)準(zhǔn)模型”，是統(tǒng)一路上的一個重要成果。標(biāo)準(zhǔn)模型建立在楊-米爾斯規(guī)范場理論的基礎(chǔ)上，將目前物理實驗?zāi)芰磕軌蜻_到的微觀世界最小層次的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和相互作用，統(tǒng)一于61 種基本粒子。該理論所預(yù)言的數(shù)種粒子在實驗中均被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，2012 年發(fā)現(xiàn)的最后一個基本粒子——希格斯粒子為這個理論貼上了一個醒目的標(biāo)簽。

　　盡管標(biāo)準(zhǔn)模型取得了一定的成功，但也發(fā)現(xiàn)它與少量的實驗結(jié)果不相符。并且，它將引力拋棄在外，因此人們并不認(rèn)為它能夠作為將來所謂“終極理論”的候選者。此外，現(xiàn)有的物理理論也無法解釋宇宙學(xué)領(lǐng)域傳來的有關(guān)暗物質(zhì)、暗能量的新信息。

　　20 世紀(jì)初物理界的兩場革命，帶給了我們相對論和量子理論。如今，物理學(xué)需要新一輪的革命，將兩者結(jié)合統(tǒng)一在一起。這種微觀和宇觀的統(tǒng)一，是否能為物理學(xué)以及其他科學(xué)的統(tǒng)一之路，開辟出一條新的捷徑？相信科學(xué)家們將繼續(xù)努力，讓我們期待欣賞大自然更高一層次的“簡約之美”！

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