对称的破缺——科学及自然的和谐之美

发布时间:2004-02-11浏览次数:53

刘孝贤

 

    从狭义的概念理解,科学是以揭示和阐述自然界基本规律为己任的。科学结论在表现形式上,应当具有自然本身呈现在人们面前的和谐与对称,给人以美感。许多科学大师深谙此道,虽然他们并非全都有意识地追寻这样的和谐之美,但他们通过缜密深邃的思考,由表及里的观察,提出科学见解和主张,再经过严格的实验和推理分析,使其成为科学理论,并用最简单的数学形式表达出自然界中最具有普遍性的规律。

对称是所有人都能理解且大多数人可以使用的一种法则。我们的身体整体是对称的,残疾是对称的破缺。而照镜子则是在运用对称法则。

牛顿力学原理以对称法则作为依据之一,在其科学结论的数学表达式中,或显含、或隐喻着时间变量。运用牛顿力学公式演算题目,其中的时间变量的正负皆可任意延拓。19世纪,法国著名数学家、天文学家拉普拉斯曾自信地宣布,如果已知所有质点的初始状态,他可以推求宇宙的未来和过去。拉普拉斯说这话的背景是他已经了解了质点运动的法则和天体运动的定律,另一个含而不露、也是人们从来没有认真考虑的条件,就是在时间坐标轴上既可前行也可后退。

拉普拉斯话很美,因为他展示了洞悉自然的自豪,也体现了宇宙的和谐,和谐得简单明了,依靠极少数力学法则和天体运行定律就可以规范整个宇宙。在他之前,另一位大科学家也曾表达过类似美丽的论断,伽利略说过:“给我一个可以站立的地方,我能撬动地球。”当然,按照伽利略的观点,他不仅可以撬动地球,也可以撬动一切天体,只要给他一个杠杆和一处支点。

说这两位科学大师的话很美,是因为从内容到形式的对称和谐。内容都是依据一组科学原理可以决定宇宙中的某种行为的论断,而形式上,或者说论述本身,也是对称的(当然是另一种形式的对称),即“条件-关系-结论”,这种对称是“条件”与“结论”的对称。变换法则是“关系”。

经法拉第实验和麦克斯韦论证得到的电磁感应定律,经英国科学家海维赛德简化,最终以极其严格的对称偏微分方程组形式给出。电与磁的对称和转换规律得以为人类的文明进步做出了巨大贡献。

令观众如醉如痴、津津乐道的电视名片“时间隧道”,通篇的科学依据或宣扬的内容也是对称法则。一个生活在当代的人,只要进入到时间隧道,他就可以回到早已成为过去的环境,也可以与尚未出生的后辈人面对面地交流。换句话说,今天的你可以与多年以前的你站在一齐讨论问题。在当代最伟大的物理学家**看来,时间是严格对称的。

牛顿第一定律可以看作是运动在对称面上的临界情形,牛顿第二定律映射出力与加速度的对称,而牛顿第三定律描绘了力与反作用力的对称。爱因斯坦相对性原理是空间与时间的对称表述,他的质能互换公式则是能量与质量的对称形态。将自然界中事物表现的纷繁而看似无章法的运动形式,用极简洁的公式描绘出来,其巧夺天工让人惊叹!

这不禁使人联想到数学或物理上的许多变换往往是将坐标零点变换成无穷远点,也可以将无穷远点变换成坐标零点,这不正是中国文化中的物极必反吗!事物中的两个极端点常常是近在咫尺啊!这种极端之对称不也是很美吗。

然而,前面的几位大科学家对“对称”的认识都太过绝对了。2001年,科学界 已经得到实验证明,时间是不对称的。44年前,几位华裔物理学家(**宁、李政道、吴健雄)通过理论论证和物理实验证明,“宇称”也不守恒(守恒也是一种对称)。他们指出:这个宇宙的微观现象稍稍有点不对称。他们在过去科学界、特别是物理学界认为完美的“对称”领域挑出一点瑕疵--不对称。牛顿定律、拉普拉斯学说追求“时间坐标轴的过去与未来皆可到达”的坐标对称变换美,麦克斯韦电磁定律昭示场变换的宏观对称美,爱因斯坦的质能互换定律和相对性原理则架设起宇宙的对称构造美。“宇称”中“宇”字本身有宏大的内涵,而其实宇称指的是粒子,这难道不是另一类“对称”吗。

**宁是极富科学感觉和数学天才的物理学家,他的思维长期游弋在物理学和数学的交叉领域。包括“杨一米尔斯范场”和“杨一巴克斯特方程”在内的漂亮的方程式,就来自他那相对宇宙来说微不足道、但又极不平凡的大脑。这些漂亮的理论,甚至在没有实验证据以前就已洞察物理世界的本质。这种从几个方程式出发,直接到达自然深层次结构的研究方法,被称为“奇迹的奇迹”。

**宁不仅是大物理学家,而且还是人文主义者。他的思想、心灵、人格的形成与中国传统文化和家学教育有密切的关系。**宁儿时的玩伴,法籍著名雕塑家、画家、书法家、艺术评论家熊秉明说:“如果简要地说明**宁的为学为人,也许可以说他是一个‘儒者风的科学家’。”“宇称不守恒理论”、“杨一米尔斯规范场”和“杨一巴克斯特方程”都属于20世纪最具影响的科学理论,这一用于解释宇宙间基本法则理论的却是出自一位儒家文化培养的科学家的建树。想一想,也是一幅和谐的图画。

《奇迹的奇迹——**宁的科学风采》(上海科技教育出版社)一书,以独特的方式介绍了杰出而又平常的科学家——**宁其人其事。在一本书中,既要抓住**宁的科学实际,又要抓住这个人物的个人品质,并非一件易事。作者以负责的精神、翔实的材料和客观求真的态度,介绍了**宁不凡的人生历程、卓著的科学成就、深邃的学术思想、独特的研究方法、严谨的治学态度、儒雅的人文精神,为读者描绘了一幅和谐美妙的图画:一个普通的大脑映射出宇宙范围的普适规律。

**宁是当代最伟大的理论物理学家之一,他在许多公开场合说过:“我一生最重要的贡献是帮助中国人改变了自己觉得不如人的心理作用,我想我在科学工作中的成就帮助中国人的自信心增加了,这个恐怕是我一生最重要的贡献。”他的卓越成就是中华文化精神的映射!

回归,并非重复或还原,而是靠近过去的状态而已。生物来自于自然,又回归到大自然,但不是一切返回到生命之始的初态。**宁成长求学于清华园,在诠释了自然的基本法则以后,又将回归清华园,但物是人非,时光不再,他只是回到自己少时读书生活的地方,而人生轨迹并非是没有崎岖、完美无瑕的圆。

(此文原载于2003226日出版的《山东大学报》(总第1507期)第三版) 


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