物理的簡(jiǎn)約之美散文

　　物理學(xué)中的統一路，實(shí)際上追求的是一種簡(jiǎn)約之美。

　　把復雜的事情簡(jiǎn)單化，是一種本領(lǐng)和智慧。簡(jiǎn)約并不簡(jiǎn)單，中國清代書(shū)畫(huà)家鄭板橋，在書(shū)齋中掛了一幅自寫(xiě)的對聯(lián)“刪繁就簡(jiǎn)三秋樹(shù)，領(lǐng)異標新二月花”，以此表明他的書(shū)法及文學(xué)理念，主張以最簡(jiǎn)練清晰的筆墨、不同凡響的思想，表現出最豐富的內容。14 世紀，在英格蘭的一個(gè)村莊奧卡姆有一位叫威廉的邏輯學(xué)家，此人流傳下來(lái)一句膾炙人口的話(huà)：“Entities should notbe multiplied un necessarily”（“如無(wú)必要，勿增實(shí)體”），意思是說(shuō)，刪除一切沒(méi)必要的多余“實(shí)體”，留下最少的，這被稱(chēng)為“奧卡姆剃刀原理”。

　　物理學(xué)家的“統一”，歸納起來(lái)有3 個(gè)方面：一是物理規律的統一；二是物質(zhì)本源的統一；三是相互作用的統一。

　　對于理論物理，奧卡姆原理最好的表述是：當你面對著(zhù)導致同樣結論的兩種理論，選擇那個(gè)最簡(jiǎn)單的，實(shí)體最少的。物理統一理論中的實(shí)體，可被理解為基本規律、粒子和作用力。也就是說(shuō)，統一，就是用最少數目的物理規律來(lái)描述自然現象；用最少數目的“不可分割基本粒子”來(lái)構成所有的物質(zhì)；用最少種類(lèi)的“力”來(lái)描述物質(zhì)之間的相互作用。

　　牛頓曾經(jīng)感嘆地說(shuō)過(guò)：“我能計算天體運行的軌道，但無(wú)法計算人類(lèi)的瘋狂�！薄皧W卡姆剃刀”原則也許難以描述多變的社會(huì )現象及復雜的人性，但將其用于科學(xué)中的優(yōu)越性卻毋庸置疑。幾百年來(lái)，這一原理在科學(xué)上得到了廣泛應用，從牛頓的萬(wàn)有引力到愛(ài)因斯坦的相對論，再到如今的標準模型，漫長(cháng)延綿的統一路上，“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)中的統一理論，是隨著(zhù)時(shí)間而變化的�？茖W(xué)發(fā)展的不同歷史時(shí)期，會(huì )有不同意義下的不同“統一理論”，它們猶如在一條曲折流逝的河流中，一定位置出現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(wú)疑是物理史上第一片港灣。

　　牛頓有過(guò)如此一段名言：“將簡(jiǎn)單的事情考慮復雜，可以發(fā)現新領(lǐng)域；把復雜的現象看得簡(jiǎn)單，可以發(fā)現新規律�！边@句話(huà)描述了牛頓做物理、數學(xué)的基本思想方法，前半句說(shuō)的是科研中的具體過(guò)程，后半句則代表了他對物理理論規律追求“統一”的奧卡姆剃刀原則。牛頓發(fā)明微積分是前者，總結建立力學(xué)定律則是后者。

　　當年，牛頓癡迷于思考二項式展開(kāi)的數學(xué)問(wèn)題。數學(xué)前輩笛卡爾認為其展開(kāi)后的項數有無(wú)窮多，太復雜了，而人的大腦是有限的，不應該去思考這種與無(wú)窮有關(guān)的復雜問(wèn)題�？膳ｎD偏偏迷上了這個(gè)由無(wú)窮多項求和的復雜概念，這個(gè)概念又引導牛頓進(jìn)一步考慮無(wú)限細分下去而得到的無(wú)窮小量。他將這無(wú)窮小量稱(chēng)為“極微量”，也就是現在所說(shuō)的“微分”。牛頓發(fā)明的微積分為數學(xué)、物理乃至其他科學(xué)技術(shù)開(kāi)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(píng)果下落的力與太陽(yáng)牽引月亮繞其旋轉的力統一在一起，結合胡克發(fā)現的平方反比率，發(fā)現了萬(wàn)有引力定律。他將伽利略的慣性原理總結成牛頓第一定律，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(gè)加速度與外力成正比，與物體內在的慣性質(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，總結統一在一個(gè)簡(jiǎn)單的數學(xué)公式（F=ma）中，邁出了將運動(dòng)學(xué)發(fā)展為動(dòng)力學(xué)的關(guān)鍵性一步，建立了物體在力的作用下的運動(dòng)規律。接著(zhù)，牛頓又在第三定律中，提出了任何力都是成雙出現的，這兩個(gè)力總是大小相等、方向相反，稱(chēng)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(dòng)規律，他將物體的大小、形狀、質(zhì)地、軟硬之類(lèi)不重要的具體性質(zhì)通通砍去，只留下一個(gè)“質(zhì)量”。牛頓是第一個(gè)認識到這些零零落落的孤立定律之間深刻的內在聯(lián)系的，他將這些分散的“支流”匯總在一起，完成了物理學(xué)上的第一次理論統一。

　　場(chǎng)論的思想，則始于麥克斯韋和法拉第的電磁場(chǎng)理論。麥克斯韋大刀闊斧地揮舞奧卡姆剃刀，剃去冗余重復的部分，加上必要的新概念，最后將它們高度凝聚提煉簡(jiǎn)化為4 個(gè)對稱(chēng)而漂亮的矢量方程式，將電、磁、光三者“統一”于一個(gè)經(jīng)典場(chǎng)中。

　　愛(ài)因斯坦在建立狹義相對論時(shí)留下兩條他認為必要的實(shí)體——相對性原理和光速不變。后來(lái)，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(lái)，將引力效應與時(shí)空幾何統一起來(lái)，建立了廣義相對論。

　　物理學(xué)家們從20 世紀80 年代開(kāi)始建立的“標準模型”，是統一路上的一個(gè)重要成果。標準模型建立在楊-米爾斯規范場(chǎng)理論的基礎上，將目前物理實(shí)驗能量能夠達到的微觀(guān)世界最小層次的物質(zhì)結構和相互作用，統一于61 種基本粒子。該理論所預言的數種粒子在實(shí)驗中均被陸續發(fā)現，2012 年發(fā)現的最后一個(gè)基本粒子——希格斯粒子為這個(gè)理論貼上了一個(gè)醒目的標簽。

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

　　20 世紀初物理界的兩場(chǎng)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，將兩者結合統一在一起。這種微觀(guān)和宇觀(guān)的統一，是否能為物理學(xué)以及其他科學(xué)的統一之路，開(kāi)辟出一條新的捷徑？相信科學(xué)家們將繼續努力，讓我們期待欣賞大自然更高一層次的“簡(jiǎn)約之美”！

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