美与物理--杨振宁-第4章
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恼拢馊恼碌於孔恿ρУ幕。裉煳锢砝锿方凶鰋ne man paper 、two man paper、three man paper，这三篇文章的开始，就是量子力学的奠基的地方。
量子力学是物理学史上的大革命，我想也是人类的历史上一个大革命，不讲它对于纯粹物理学的贡献，单讲大家可以了解到的对于日常生活的贡献，核能发电、核武器、激光、半导体元件以及今天的计算机通信工程，所有这些工程都不可能发生，假如没有量子力学。海森伯24岁的时候写了这个文章，到了26岁，他就变成莱比锡（大学），理论物理学系的主任，他爱打乒乓球，打得很好，所以独霸那一系，而他是很好胜的，一直到一个从美国来的博士后，这个博士后来了以后，海森伯只得屈居亚军，打败海森伯这位乒乓球的博士后的名字，我想大家都是熟悉的，叫做周培源。
那么，海森伯跟比如说狄拉克之间的关系是什么呢？他们的关系很好，可是也有激烈的竞争，因为他们都是在，站在最前沿上面的，所以他们都知道对方的工作是非常重要的，所以每一个工作都仔细注意。在1928年狄拉克写出来了他的，刚才我给大家介绍的狄拉克方程式以后，海森伯跟泡利，泡利是他最熟的物理学家朋友，不懂狄拉克怎么能够想出来他这个奇怪的方程式，因为这个方程式是历史上从来没有人向那个方面写的，所以他们不懂。那么，因为这样子，他有点困扰，今天我们可以从海森伯给他的朋友泡利写的一封信上面看到他当时的心情。他的信上面说“为了不持续的被狄拉克所烦扰，我换了一个题目做”，这就是代表他跟泡利不懂，这个狄拉克怎么能够出这种稀奇的想法，而得出来非常重要的结果，那么海森伯在这封信上说我换了一个题目做，然后底下说得到了一些成果，这个成果又是一个惊人的贡献，大家知道为什么有磁铁？磁铁里头有很多电子，那些个电子自旋都向同一个方向，所以整个加起来，它的磁矩加起来就变成了一个磁铁。可是为什么缘故，什么力量使得这许多磁矩向一个方向走呢？这个是当时不懂的，而且是一个困扰了很久的题目，海森伯，他说他换了一个题目，他就是不去研究一个一个电子的结构，他去研究很多电子的结构的时候，他看出来一个苗头，这个苗头就是今天我们了解为什么磁铁能够成为磁铁的道理，所以这又是一个极为重要的工作。
如果我们总结一下，狄拉克跟海森伯的不同的地方，那么第一我们样我们就了解到，狄拉克的研究方法跟海森伯的研究方法是很不一样的，狄拉克的研究方法可以说是循着独特的、新的逻辑，无畏地前进，这是他的风格；海森伯的研究方法，就象他刚才我给大家念的故事里头所讲的，你觉得他的文章是在雾里头摸索，这是他的一个文章给你的一个感受。狄拉克的文章你看了以后，跟海森伯的文章看了以后，有相同的地方，有不同的地方。相同的地方是，他们都可以出其不意，有极强的独创力，向一个从前人没有想象的方向走，这是他们共同的地方。他们不同的地方呢？是狄拉克的文章非常清楚、非常直接，你看了他的文章觉得里头没有渣滓，相反的，海森伯的文章是朦胧、绕弯、不清楚，而且有渣滓。你看了狄拉克的文章了，你觉得这个领域已经没有什么东西可以做了，因为凡是正确的话，狄拉克都讲过了。海森伯的文章完全不一样，他的每一篇文章里头，会有非常深入的见解，也有错误的想法，所以，海森伯的文章必须要仔细看，你如果能够把海森伯文章看了，知道他哪个是对的、哪个是不对的，你就可以把他不对的那个改正了，得出来很重要的贡献。所以他们这个文章给你看的，感受是不一样的。
那好了，当然你就会问了，说是为什么两个这么聪明的大物理学家，他们的风格会这样不一样呢？我想，这一部分当然没有问题是他们的个性不一样，海森伯的个性比较不接近数学，狄拉克的个性比较接近数学，比较接近数学的价值观，可是这个还不是唯一的道理，另外还有个道理，是与物理自己的结构有密切的关系，物理学现在是很大的一个学问，我觉得可以分成三个领域。
第一个领域是实验的领域，我们叫它叫“（1）”；第二个领域叫做唯象理论，我们叫它叫“（2）”；第三个领域叫理论架构，我们叫它叫“（3）”，而这个理论架构呢是跟数学比较接近的，我们叫它叫“（4）”。如果你用这样子的一个宏观的分野来看的话呢，那么就觉得原来这个历史的发展，是与这个分野有很密切的关系。
我给大家举两个例子。第一个例子是经典力学发展的结果，经典力学开始是十六世纪哥白尼，他做了许多观测，他观测了一些行星的位置，随时间怎么样变，他所做的观测是以前所有的人都没有达到他的准确度的，他大大的超过同时的中国的天文学家的观测，那么这是实验（1）。他过去了以后呢，开普勒来了，开普勒是一个理论物理学家，他做的是唯象理论（2），他分析了哥白尼的行星的运动的数据，他发现，这个行星是绕着太阳，走的是椭圆，这是个大发现，因为在那以前，从希腊人开始就以为行星的轨道是圆，圆不对了以后就以为是圆上加圆，圆上加圆不对就来圆上加圆加圆，那么他们就永远在这个圆里头绕圈，绕来绕去做不出结果来，是开普勒第一个指出来，它不是圆，它是个椭圆，这一下子就把整个这个领域大大的开朗了，这个叫做唯象理论，为什么叫唯象理论呢？因为它是从现象开始的，它没有真正解释出来为什么是这样，这个就是我刚才讲的（2）。然后牛顿出现了，牛顿在他的自然哲学原理，这是历史上的一个大事，在1687年发表出来的书，在这个书里头，他用写出方程式来，而从这个方程式你可以证明这个行星的轨道一定是椭圆，而且椭圆有多大，与它的周期有密切的关系，这些都是开普勒的三大唯象定律所讲的，可是开普勒不知道为什么是这样子，是牛顿把它变成了理论架构，所以牛顿所做的是（3），而牛顿所做的当然与数学有密切的关系。谢谢大家。
主持人：感谢杨先生给我们带来这么精彩的报告。追求进步、学术倾听，世纪大讲堂向您道别，下周同一时间再会。谢谢杨教授。
下集介绍：
杨振宁将在下集继续阐述《美与物理》的关系，他将谈电磁学发展的经验，并指出麦克斯韦的公式是奠定当代通讯的基石，是构成物理学理论的支柱之一，并形象生动比喻数学和物理的关系。
杨振宁：我把数学跟物理的关系比喻做两个树叶子，一个树叶子向这个方向，一个树叶子向这个方向，一个是物理，一个是数学，这两个叶子是大多数的地方都是不重叠的，可是在根的地方有一小块地方是重叠的。
说到物理与美的关系，杨振宁先生引用诗人的语言来表达，但他认为这不能充分体现物理学的美。杨振宁：在牛顿过去的时候，一个大诗人蒲柏写了这样两句“Nature and nature’s law lay hid in night：God said，let Newton be！And all was light。”，我把这个翻译成“自然与自然规律为黑暗隐蔽，上帝说让牛顿来，一切遂真光明”，这些用诗人的语言来描述物理学的美，当然是描写得很好，可是我觉得不够，一个对于物理学的基本结构了解，知道它们能够对于那么多的复杂的现象给一个那么准确的解释的时候，还有一些美的感受，这个感受是诗人所没有写出来的，是什么感受呢？是一个庄严感、是一个神圣感、是一个第一次看见宇宙的秘密的时候的畏惧感。那么我想这个所缺少的感，正是歌德式建筑的建筑师，他们在设计歌德式这个建筑的时候，他们所要歌颂的，他们所要歌颂的是崇高美、灵魂美、宗教美、是最终极的美。
杨振宁回答了凤凰网站网友和现场观众的提问。你千万不要错过这个难得的机会。敬请继续关注5月19号凤凰卫视中文台《世纪大讲堂——美与物理》下集。
主持人：追求进步，学术倾听，世纪大讲堂问候您。
要是学美我们应该去读艺术，要是学实在我们就去学物理，美和物理应该没什么关系，
但是今天我给大家请来了一位非常著名的物理学家，他讲的题目是《美与物理》，他就是全世
界谁都知道的人物，就是杨振宁先生。好，有请杨先生上场。请坐。
上集回顾：
（在上集，杨振宁博士从小时侯谈起，回忆自己在清华的少年时光，他说到清华的每一棵草，
我都研究过。当问到他想没想到有一天会获得诺贝尔奖，杨振宁先生如是说：
我喜欢东看西看各种书，看见了一本书叫做《神秘的宇宙》，这个是一个叫做 亚瑟·艾迪顿写的，当时被人翻译成中文，我在念中学的时候看了这书，我觉得非常有意思，它讲的是二十世纪到那个时候为止，所发现的一些新的物理学的一些现象跟理论，那么，我对这很发生兴趣，所以回家以后就跟我父亲、我母亲开玩笑，说我将来要得诺贝尔奖金。
在说到他如何研究美与物理的关系，杨振宁通过大物理学家狄拉克和海森伯对物理学研究的不同风格和不同见解，进一步阐述物理学的内在美，并指出海森伯的量子力学是物理学上的大革命。）
杨振宁：量子力学是物理学史上的大革命，我想也是人类的历史上一个大革命，不讲它对于纯粹物理学的贡献，单讲大家可以了解到的对于日常生活的贡献，核能发电、核武器、激光、半导体元件以及今天的计算机通信工程，所有这些工程都不可能发生。
（掌声）
杨振宁：那么底下我再大概讲一下子电磁学发展的经验，电磁学是十八世纪库仑他们几个人做的实验，这是（1），到了十九世纪安培、法拉第，他们发展了唯象理论，所以有今天大家所知道的，安培定律、法拉第定律，可是这些定律为什么是这样子，是他们并没有能够讲出来，所以这是唯象理论（2）；然后到了麦克斯韦在1865年他写的几篇文章，他写出来就是今天有名的叫做麦克斯韦方程式，这个方程式完全解释了，而且是简要的把那个唯象的理论都包括在里头了，那么大家当然知道，麦克斯韦的方程式写出来以后，他就知道电磁波跟光是一回事情，那么这个等到后来赫兹，发现了可以有电磁波，实验可以有电磁波了以后，这就导出后来的无线电电视，今天一切这些通讯都是由这个方程式来的，所以这是从理论架构来的（3），可是这个理论架构是建筑在（1）跟（2）上面的。
海森伯的最重要的方程式就是我刚才讲的one man paper里的最重要的方程式，后来被写成是测不准原理的一个方程式，念起来是pq－qp＝…ih ，这个是历史性的一个文章，是理论架构里头支柱之一。刚才我给大家念过的 狄拉克的方程式，＇pα＋mcβ＇ψ= Eψ，这是另外一个今天的理论架构里头的支柱之一。那么，这两个方程式都是极端的重要，可是达到这两个方程式的路径是非常不同的，海森伯的灵感，这两个方程式都是在第三个领域里头，理论架构里头，海森伯是从“（2）”里头走到“（3）”里头，而狄拉克他的灵感是从“（4）”，就是从数学走到这里头，所以他们两个人所注意的方向不一样，那么这是所以他们的风格这样不同的基本的道理。在这点上，有一个非常有意思的事情， 海森伯在年轻的时候，他不喜欢数学，我刚才已经跟大家讲过了，他的一个最重要的文章写的时候，他没有学过方阵，是后来那个two men paper跟three men paper才把他所做的事情跟方阵连在一起。可是到了海森伯晚年，他改过来了，通过了几十年的经验，他了解到数学是非常重要的，他在74岁的时候，写的一篇文章上讲，“1921、1922到1927年间，我们经常讨论，可是总是遇到各种矛盾与困难，我们就是无法理性的方法来解决这些困难，有人赞成波动理论，有人赞成粒子理论，所以后来有了一个数学结构的时候，这个数学结构就是量子力学，实际上我们的心态已达到了十分沮丧的地步，这个数学结构对我们来说是一个奇迹，我们看到了数学能做出我们做不出的东西，那当然是一个非常奇异的经历”，请大家注意这句话，“数学能做出我们做不出的东西”，这句话就表示了他当时的心态，他们左冲右突做了很多年，包括他们的老师，前后做了二十几年，可是做不出来东西，觉得实际的实验的结果跟以前的想法有对的地方、有不对的地方，是一种非常困难的地方，所以当时他们觉得他们已经没有办法了，忽然引进了矩阵这个观点以后，数学做出来了我们做不出来的东西，这就是他晚年回想他在24岁时候的工作的时候的一个感受。
既然讲到数学跟物理有这么密切的关系，当然可以问，数学跟物理整个的关系是什么呢？或者可以问，是许多同学，物理系的同学常常要问的，是说“我作为物理系的学生，我应该学多少数学？”，这个是一个很复杂的问题，不能有一个很简单的解释，我曾经想过，我把数学跟物理的关系，比喻做两个树叶子，一个树叶子向这个方向，一个树叶子向这个方向，一个是物理，一个是数学，这两个叶子是大多数的地方都是不重叠的，可是在根的地方有一小块地方是重叠的，这一小块地方不是很大的，只是占每一个领域的也许5％、10％这样子，在这个重叠的地方，非常奇怪的，是这两个领域，享有共同的观点，所以它们在根源上面的关系是非常密切的，可是，我底下要讲的，虽然物理与数学有如此密切的关系，可是二者共同的地方并不多，它们有各自的目的跟截然不同的价值观，以及不同的传统，在最基本观念的层面，他们令人惊讶的共享某些观念，但是即使在这个领域里头，这两个学科的生命力仍然按着各自的脉络成长，一个向这个方向走，一个向这个方向走。把这个落实到对于研究生的建议是什么呢？就是假如你是念物理的研究生，那么你必须要对于这个根源的这个地方有一些了解，可是，更重要的，除了你对于这个了解以外，你要了解到要向前途是什么方向发展，换句话说，你要了解物理的价值观，假如你不了解物理的价值观，那么你很可能是走到另外一个方向去了，当然走到另外一个方向，你在数学上做很大的贡献也很好，不过这也许与你当初想要做一个好的物理学家的初衷略微不一样就是了。
关于数学跟物理之间的分别，爱因斯坦在他的晚年也有过很有意思的一个分析，他问，因为他的一生的工作对于物理跟数学后来都有极大的影响，那么，他在晚年的时候问了他自己这样一个问题，说为什么他做了一个物理学家，而不是做一个数学家，他说“在数学领域里头，我的直觉不够，不能辨认哪些是真正重要的研究，哪些只是不重要的题目，在物理领域里头，我很快学到怎样找到基本的问题来下工夫”，这几句话对极了，因为在他26岁的时候，在一个很不重要的瑞士伯尔尼的一个专利局里头做一个小职员的时候，他写了三篇震惊世界的文章，这三篇每一篇都引导出来物理学里头的一个革�
