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探寻现代物理学中的美

作者：吴飞

2005-06-20 16:56:31 来源：

　在生活和自然中，有许多事物具有对称性，给人以匀称和均衡的感觉。自然界的对称有多种类型，例如旋转对称、左右对称和平移对称等。对称性的感受逐渐成为一项美学准则，广泛应用于建筑、造型艺术、绘画以及工艺美术的装饰之中。物理学中也有许多形体上的对称的例子，用形体上的对称性来研究晶体的分类等物理问题，取得了丰硕的成果。不过，《可畏的对称》要讲的还不是这样的对称。《可畏的对称》生动地展示了理论物理学家探索“物理学的基本原理”的过程。
　我们把事物（包括物理规律）的一种情况变化到另一种情况叫做变换（操作）。如果一个变换使事物的情况没有变化，或者说事物的情况在此变换下保持不变，我们就说这个事物对于这一变换是对称的。这个变换称为事物的对称变换。在经典力学中，我们所熟悉的这种对应关系是：时间平移对称性（时间平移不变性）对应于能量守恒，空间旋转对称性（空间各向同性）对应于角动量守恒。
　对称在物理学中的应用，经历了狭义相对论，广义相对论，强相互作用理论，弱电统一理论，大统一理论，四种力场统一的几个关键时期，从狭义相对论的十九世纪理性框架中，从经验里提取对称，然后由对称和经验建立物理理论，到广义相对论直接由对称建立理论，使理论的建立可以直接在对称观念引导下完成，远离经验。而在这里，关键一步是认识了局域对称，这是对称观发展的第一次飞跃。
　１００年前，爱因斯坦发表了一篇具有划时代意义的论文，题目是“论动体的电动力学”。他认识到了对称性的存在，就是物理定律的洛伦兹变换不变性，即物理定律必须具有洛伦兹变换下的不变性，也就是说从不同惯性系来看物理定律的形式保持不变。不论是对于一个不移动的，或者是以均速运动的观察者来说，物理现象的定律应该是相同的。因此，我们不能，也没有任何方法可以分辨我们是否在从事这样的运动。爱因斯坦审查了电磁学的麦克斯韦方程组。它确实是洛伦兹不变性的；而牛顿定律不是洛伦兹不变性的。
　狭义相对论（洛伦兹变换下的定律的不变性）的基本要求太窄，即必须假定，定律的不变性对于四维连续域中坐标的非线性变换而言，也是相对的。爱因斯坦发现了等效原理，根据等效原理，非惯性系与引力场等价，非惯性系与惯性系没有原则性的区别。它们都可以同样好地用来描述物体的运动，没有哪一个比另一个更优越，由此一切参考系都是等价的，物理定律应该具有广义的时空坐标变换的不变性，而洛伦兹不变性只是它的一个特例。爱因斯坦在等效原理和广义协变原理的基础上建立起广义相对论。广义相对论已导致几何学的重要发展。它导出统一场论思想和现代宇宙论。
　强相互作用理论的建立，解决了对称应是近似的还是严格的争论，使对称观从实用主义岐途回到严格对称的正道，同时，将现实空间对称引入到抽象空间对称。在此同时，认识到了对称与守恒的关系定理，了解了对称不仅决定理论形式，还决定具体物理过程，认识到了对称和操作结构的联系，从而找到了群论的数学工具，这是对称观发展的第二次飞跃。１９５４年推广出的非阿贝尔规范理论已经成为基本粒子物理中非常成功的标准模型的基础，也是一个尚未竟全功的统一场论。非阿贝尔规范理论的数学基础是一个称为纤维丛上的联络的几何结构。广义相对论的对称在于正切丛，而非阿贝尔规范理论则在于以李群为基础的丛。
　弱电统一理论第一次引入自发对称破缺的观念。使对称观得以在严格意义下引导物理学的发展，同时，解决了简单性与对称性的内在含义，这是对称观发展的第三次飞跃。完美主义对称观坚信，也许在更基本的水平上，世界在任何情况下都是严格对称的，而现实观测到的结果，则是更高对称发生自发破缺的结果。更深刻的对称认识也许会把四大力场统一起来。并由此带来对世界全新的简洁的认识。
　物理学的发展似乎向我们证明了，物理学是愈来愈简单的，简单性来源于对称性，复杂的现实世界来源于简单的原则在对称性原则下的构造。虽然，我们不能证明只有一种简单的理论才能描述现实惟一的世界，但是物理学家相信，也许更深刻的对称理解能证明这一点。
　对称本来是一个纯粹的几何学概念，这个概念怎样成为基础物理学基础的，是《可畏的对称》向我们讲述的故事。徐一鸿教授非常钦佩爱因斯坦，对称是爱因斯坦毕生追求的境界，对称也体现了造物主的意志。爱因斯坦１９３１年在《我所看到的世界》一文中说：
　“我们能有的最美妙的经验是神秘感。是这种原始的激情孕育了真正的艺术和真正的科学。不论是谁，如果没有这激情，如果不再感到好奇和惊异，那就和死去了一样，他的眼睛即失去了光明。这种神秘感，再渗入些恐惧，就形成了宗教。
　认识到存在某些我们无法洞察的事物，认识到我们只了解最深的理论和最美丽的结构的皮毛，是这种认识和这种情感构成了真正的宗教信仰；在这个意义上，也只是在这个意义上，我是一个深深投入宗教的人。”

　徐一鸿与《微暗的火》
　《可畏的对称》是徐教授第一部科普著作，１９８６年由ＭｃＭｉｌｌａｎ出版社出版，由于供不应求，１９９９年普林斯顿大学出版社重版，徐教授新写了很长的跋，增加了理论物理学１３年来的新进展，深化了对称性的主题，现在我们看到的是这个译本。
　早在１９９６年湖南科技出版社的“第一推动丛书”中就出版过徐一鸿教授的这本书的１９８６年版，书名叫《可怕的对称》，后来当人们看到徐教授的第二本书《爱因斯坦的宇宙——老人的玩具》（清华大学出版社２００４年６月）时，才知道作者名字翻错了。作者原名ＡｎｔｈｏｎｙＺｅｅ，湖南科技出版社把Ｚｅｅ译为“热”，中山大学物理系的关洪教授，也是热心的科普专家，指出“Ｚｅｅ不是从西方语言里来的，它是一种汉语发音的拼音。１９８０年初，徐一鸿教授参加了在广东从化举行的‘广州理论粒子物理会议’。在会议休息时，有的代表问过他，为什么取Ｚｅｅ这样古怪的姓氏。他说，这就是他的姓‘徐’，不过不是普通话，而是上海话的音译”。
　徐教授是一位相当活跃的理论物理学家，出生在中国，成长在巴西，就读普林斯顿大学和哈佛大学，１９６８年获物理学博士学位，１９８５年起任加州大学圣巴巴拉分校物理系教授，是该校理论物理研究所的永久成员，１９８０年后来多次来中国，并同北京大学的物理学家有过合作的项目。我们知道最近清华大学新设立基础科学研究实体“清华大学高等物理研究中心”，聘请杨振宁教授筹集资金，用以延聘海内外的理论物理学家到清华开展学术交流与合作；现在已初具规模，据说徐一鸿教授每年会有两个月的时间来清华。徐教授自２０世纪７０年代起致力于几种基本作用力的统一问题，以及宇宙学和引力理论的研究。
　徐一鸿教授不仅学术成果丰富——自１９６６年到２００５年５月发表物理学论文２４２篇－－－－除了三本我们已经熟悉的再版被翻译成多国文字的科普佳作，徐一鸿教授还撰写与文学、艺术、现代性有关的论文。徐一鸿教授年轻的时候喜欢登山运动，还希望成为作家。
　徐的科普著作吸引我们之处还不在于用生动的语言以不减损思想的方式讲述了艰涩的理论物理学，更在于他独特的文体。这是一种多向性的，诗意幽默的迷宫式的可写文本。我想，这与徐教授喜欢纳博科夫，尤其喜欢《微暗的火》有关。《微暗的火》是纳博科夫所有小说中最奇特的一部。这部小说由前言、一首四个篇章的长诗、评注和索引组成，让人生疑的是，它不像一部小说。徐一鸿教授作为一线科学家，借助广博的修养和学识，写出莎士比亚也喜欢的作品，真是令人羡慕。纳博科夫说：“人类生活无非是给一部晦涩难懂而未完成的杰作添加的一系列注释罢了。”我想，这也正是徐一鸿教授对科普的贡献吧。

（《可畏的对称》美徐一鸿著张礼译／清华大学出版社２００５年４月第１版／２５．００元
　《爱因斯坦的宇宙——老人的玩具》美徐一鸿著张礼译／清华大学出版社２００４年６月第１版／１９．００元
　《可怕的对称——现代物理学中美的探索》美Ａ·热著熊昆译／湖南科学技术出版社２００１年８月第１版／１８．００元）

来源：《中国图书商报》2005－06－10

本版责编：江蕾

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