随着时代的革命，科学技术研究的不断深入，物理学领域的发展也在19世纪以来突飞猛进，发展了很多前人从未想过的理论与技术。对于前沿科学工作者来讲，每次建立新的理念，时常会伴随着一种“畏惧感“，但这种不断探索未知的热情正是物理学之美，正是科学之美。

在19世纪的时候，物理学最大的两个成就就是电磁学和统计力学。统计力学的奠基人有三位，其中一位曾经讲过这么一句话，他说：“大家知道每一位画家、音乐家、作家 都有它自己独特的风格。当你听了一首音乐的几个音节之后你就可以辨别这个音乐是莫扎特写的，还是贝多芬写的。同样的你看一篇物理学的文章，你看了几页之后，你就可以之后到这篇文章是麦克斯韦，写的还是牛顿写的。”

大家知道，每一个画家、音乐家都有他自己独特的风格，也许有人以为科学是研究事实的，与文艺不同，事实上二者是一样的。什么叫风格？要讨论这一点，让我们拿物理学来讲吧。物理学的原理有它的结构，这个结构有他的美妙的地方。而每个物理学工作者对于这个结构不同的美妙的地方就会有不同的感受，所以每位工作者就会发展他自己独特的研究方法和研究方向。也就是说他会形成他自己的风格。

本文准备先从20世纪一个大物理学家的风格讲起。

  狄拉克：性灵出万象，风骨超常伦

狄拉克是一位英国人，1902年出生，1984年过世。狄拉克为人有他独特的风格，不只是他的物理学。关于他的故事特别多，比如说下面这个故事：

有一年狄拉克到普林斯顿大学做演讲，演讲完了以后主持人就说大家有没有问题，有问题就可以问，于是有一个学生站起来说：“狄拉克教授，我不懂你刚才写的方程式2是怎么从方程式1推导出来的。”狄拉克不予回答。所以主持人就说：“狄拉克教授，请你回答他的问题。”狄拉克说：“他并没有问题，他只是讲了一句话。”

这个故事流传的非常之广，之所以流传的广的原因，是因为这个故事一针见血的指出了狄拉克的一个特别的风格，那就是他有很直接的逻辑，这个逻辑跟一般的人不一样。

狄拉克最大的贡献是1928年他写出了狄拉克方程式。这个方程式奠定了今天原子、分子结构的基础。他定性地解释了电子为什么有自旋，像一个陀螺一样；他定量地解释了电子为什么有自律，而这个对于后来的原子、分子物理学和化学都有极为重要的影响；他定量的推演出复杂的电子轨道跟磁矩之间的相互作用，这些都是20年代末非常困扰的问题。

通过这样一个简单的方程式，狄拉克把这个问题彻底解决了，可是这个方程式带来一个新的问题，这个问题就是负能问题。负能问题就是说狄拉克方程所得出来的解有一些负的根，这个负的能是大家所不能接受的，所以在以后的几年大家对于这个事情一方面觉得非常之妙，因为他解决了很多从前没法解决的问题；一方面又不能接受，因为他有负能的现象。那个时候狄拉克方程式变成一个非常神秘的问题，几乎当时所有的大物理学家都认为这是一个错误的方向，所以对狄拉克本人有过很严厉的批评。狄拉克不怕这些，他继续向这方面去发展，在1931年他又推出一个理论，叫反粒子理论，就是说宇宙里任何一个质点，比如说有一个质点，一个电子，他就有个反粒子，这个想法更不为当时的大物理学家所接受，一直到一年以后，在1932年的秋天，美国人安德逊发现了正电子，这才被大家接受。

虹和霓

物理学大概分成三个领域：一是实验，二是唯象理论，三是理论架构。每一个领域里面都有他自己的美，我们可以用下面这个例子来解释。

虹和霓大家都是很熟悉的，人人自小就会觉得虹和霓是非常漂亮的。一个念实验物理的人见到虹和霓之后，他不只看到虹是一个漂亮的圆圈，是红在外，紫在内，他还要去量一量，他量了以后就发现这个虹是个弧，这个弧是42度，就是说你从弧的中心到这个弧的边上都准确量了是42度。这个42度，不论你是在杭州量还是在北京量，或者是在美国量，都是一样的，假如霓在外面的话，你就会发现霓是50度的弧，里面是反过来的，紫在外，红在内，这个在世界各个地方都是这个样子。任何一个做了这个测量的人，都会觉得这是一个很美的事情。可是后来呢，却发现如果需要进一步的了解，就需要唯象理论。

有关虹和霓的唯象理论是什么呢？我想大家可能在高中或者在大学都已经学到过，因为空气里有许多小的水珠子，这个水珠子被光从背后照射过来以后，这个光经过折射和反射，最后反射到你的眼睛里面来，就形成了虹和霓。你通过水的折射和反射的定律可以进行计算，算出来以后你发现，如果是经过一次反射，回到你眼睛来的就是虹，如果是两次反射，反射到你眼睛来的就是霓，这个角度也是可以算出来的，正好是42度和50度，而且一个是红在外，一个是紫在外，这个也完全可以用刚才的理论算出来。这是非常美妙的一个进展，代表了唯象理论美的地方，可是这个还不够。为什么水能够有它的折射和反射的现象呢？这个是唯象理论所不能解释的，要用到理论架构。

这个理论架构就是麦克斯韦方程式，通过麦克斯韦方程式，对于整个水的折射就清楚了。事实上任何一个媒介，他的折射跟反射的定律都有精确的解释。物理学通过这些发展之后，大家了解到，最后的精华是在 理论架构。理论架构是通过一些方程式，这个方程式包括了牛顿的运动方程、麦克斯韦方程、爱因斯坦的狭义与广义相对论方程、狄拉克方程、海森堡方程，另外还有其他的五六个方程。许多方程合在一起就是整个物理学的理论架构，这个可以说是真正的包罗万象。

了解了这些理论架构以后，所得到的感受，将会使人认为这些方程式是造物者的诗篇。因为他们用了非常浓缩的语言，把宇宙之间包罗万象的物理现象都给大家准确的描述了，而且他们跟诗还有一个很类似的地方，比如我们大家都知道，小时候念的一首诗，对于它的认识，对于它的了解，对于它的欣赏，跟我们长大之后，或者说是成年之后，我们的了解是不一样的。自己的经验多了以后，就会从原来很浓缩的几句话发现出新的意义，这个跟这些理论架构是有一些异曲同工之妙。他们的内涵往往随着物理学的发展而产生新的、当初所完全没有想到的意义。

我觉得这个最容易给的一个例子就是麦克斯韦方程式，麦克斯韦方程式在写出来的时候，当时便知道这是非常重要的工作，可是他里面两个最重要的现象是它的两个对称性，这两个对称性都是麦克斯韦所没有了解到的，他不知道他这个方程式有两个对称性，其中一个对称性是他的狭义相对论的对称性，这是1905年爱因斯坦所指出来的，另外一个对称性，是他的规范对称性，这是在20世纪，从1918年开始到1970年以后，经过漫长的五六十年，才了解到麦克斯韦方程式有另外一个重要的对称性。这两个对称性对麦克斯韦方程式在宇宙结构的意义有着深远的影响，这两个对称性是20世纪末物理学最重要的思想之一。这个不是麦克斯韦写下方程式时所能预料的。

  一沙一世界  一花一天国

关于理论架构的浓缩性，他的确像诗一样具有深意，我想也许可以用有名的诗句来描述：“To see a World in a Grain of Sand, And a Heaven in A Wild Flower, Hold Infinity in the palm of your hand, And Eternity in an hour.”这首诗，台湾的陈志帆教授把他翻译成：“一粒沙里面有一个世界，一朵花里面有一个天堂，把无穷无尽掌握于手掌，永恒宁非是刹那时光。”对于你掌握了这个理论框架以后，他所能发挥出来的威力，我想可以用以下这个事情来描述。

这是A.Pope在牛顿死后所写的一句话：“Nature and nature’s law lay hid in night, God said, let Newton be! And all was light.”这两句话被翻译成：“自然与自然规律为黑暗隐蔽，上帝说，让牛顿来！一切遂成光明。”

刚才讲的这两首诗还不足以描述一个物理学工作者在了解了这个理论框架的美以后的感受，缺少的，我认为是一个“庄严感、神圣感“，是一个初窥宇宙奥秘的恐惧感，奥本海默在提到量子力学发展的时候，他说：”那个时候在讨论时，有时候有些畏惧感。“为什么会有畏惧感呢？就是因为有些时候，我们忽然发现了不应该为凡人所了解的东西，这个时候不可避免地会有一些畏惧，我想，所缺少的”庄严感、神圣感“跟初窥宇宙奥秘的畏惧感，恐怕是筹建哥特式教堂的建筑师们所要歌颂的，那是一种崇高美、灵魂美、宗教美，最终极的美。

参考文献：

[1]《科学之美》，杨振宁，李政道，中国青年出版社

[2]《上帝掷骰子吗？》，曹天元，辽宁教育出版社

作者简介： 张炳盛 中国科学技术大学 学生