听35岁即获诺贝尔物理学奖的杨振宁再谈科学之美
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编者按
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截止到今天,2019年诺贝尔医学、物理学、化学和文学奖已陆续揭晓。这些奖项均与中国无缘。
1957年,时年35岁的杨振宁以美籍华人的身份获得了诺贝尔物理学奖。他于上月获得了“求是终身成就奖”。
9月21日,由香港求是科技基金会主办、清华大学承办的“2019年度求是奖颁奖典礼”在清华大学举行。典礼上,今年的重磅奖项“求是终身成就奖”授予杨振宁,奖金三百万元人民币。在基金会此前历史上,“求是终身成就奖”得主仅有一位,即基金会元老顾问、“两弹一星”元勋周光召先生。
提起杨振宁,普通人对他的认知一般都停留在以82岁高龄娶28岁娇妻、回国养老、家庭财产分配等八卦上。
而他的学术成就因为太过高深常人无法理解,我们知道的是,在杨振宁35岁获诺奖之后的60多年里,有7个诺奖得主是因到杨振宁的“杨-米尔斯规范场论”预测的粒子而获奖。杨振宁的弟子们几乎垄断了60多年来的诺奖物理奖的理论物理和粒子物理部分,另外有6个菲尔兹奖(最高数学奖)是研究杨振宁的方程而来。
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归国贡献
事实上杨振宁足以称得上当代的牛顿和爱因斯坦,可惜华人在世界上没有足够的话语权。
他为中国做出了很多贡献:1977年,为了中美关系正常化,他花费8000美元在当天《纽约时报》上刊登全页广告启事“致美国卡特总统公开信”,全文用英文发表,旁边加了八个中文字:“亡羊补牢,犹未为晚。”1983年12月28日,他向建议,“国外认为,搞软件15—18岁较有利。”由此,科大少年班设立了计算机软件专业。
多年来,杨振宁一直以物理学界第一人身份,为中国请回了很多科学家,为中国的科学家们拓宽了视野;大大缩短了中国与世界科技前沿之间的距离;正是由于他的存在,清华的物理成为了中国离世界顶尖大学水平最近的学科之一……
我们不懂他的学术成就,但是也不能轻信口口相传的八卦,那么就从他的演讲和问答环节开始了解他吧。
演讲
我非常高兴今天在中国美术馆里跟大家谈谈“美在科学与艺术中的异同”。
先讨论一下科学中的美。大家都知道,艺术与美有密切的关系。但也许有很多人觉得,科学跟美没有什么关系。所以我现在就用几分钟的时间先给大家阐释一下科学里为什么有美。
我是研究物理学的。物理学的发展要经过四个阶段。第一个阶段是实验,或者说是与实验有关系的一类活动;第二个阶段从实验结果抽炼出来一些理论,叫作唯象理论;唯象理论成熟了以后,如果把其中的精华抽取出来,就成了理论架构——这是第三阶段;最后一个阶段,理论架构要跟数学发生关系。上述四个不同的步骤里都有美,美的性质不完全相同。
我以虹和霓的现象为例,讲讲实验。有人在很小的时候就看见过虹和霓,觉得漂亮极了,
美极了。为什么会觉得美呢?因为觉得它们都呈圆弧状而且有很特别的规律:虹是42度的圆弧,红在外边,紫在里边;霓是大一点的弧,是50度的弧,其彩排列顺序与虹相反,红在里头,紫在外面。虹和霓具备这个规律,所以即使是小孩子也会觉得它们非常非常漂亮。这是一种在实验的经验里的美的标准的例子。
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实验阶段结束后,就到了唯象理论阶段。虹和霓到底是怎么一回事?了解多了以后我们就会发现,原来虹和霓是太阳光在小水珠里折射而产生的光学现象。在虹的小水珠里是一次内反射,在霓里是两次内反射。这样,我们就可以计算。计算的结果验证了这样的事实:一次或者两次反射以后,就会出来42度或者50度的弧。一个人了解到这点以后,他对于这个很美的现象的理解又深入了一层。
再进一步就到了理论架构阶段,这个到十九世纪才完成。十九世纪中叶,一个名叫麦克斯韦的英国人写下来了一组方程式,用这组方程式就可以彻底地解决折射现象的问题。在前面的唯象理论阶段,人们是不了解折射现象的,而麦克斯韦方程式可以告诉你为什么有折射现象。这就更进一步了,也等于更上一层楼。上一层的美跟底下一层的美当然有所不同。
再上一层是数学。麦克斯韦方程式是在十九世纪中叶推导出来的,一个世纪以后,到了20世纪70年代,物理学家才了解原来这个麦克斯韦方程式的结构有极美的纯数学的根源,叫作纤维丛。纤维丛是一个数学观念,这个数学观念在发展的时候,与物理学没有关系,与实际现象没有关系。可是到了20世纪70年代的时候,人们忽然发现原来麦克斯韦方程式的结构就是纤维丛。这到达了一个更高的境界,使得我们知道原来世界上非常复杂、非常美丽的现象最后的根源是一组方程式,就是麦克斯韦方程式。
事实上,如果今天你问问物理学家对于宇宙结构的了解,他们会告诉你,最后的最后就是一组方程式,包括牛顿的运动方程式、刚才讲到的麦克斯韦方程式,以及爱因斯坦的狭义和广义相对论方程式、狄拉克方程式和海森伯方程式。这七八个方程式就“住在”了我们所看见的一切一切里,它们非常复杂,有的很美妙,有的则不是那么美妙,还有的很不容易被人理解。但宇宙结构都受这些方程式的主宰。
麦克斯韦方程式,看起来很简单,可是等到你懂了它的威力之后,会心生敬畏。为什么说这些方程式有威力呢?因为无论是星云那么大的空间还是基本粒子内部那么小的空间,无论漫长的时间还是短短的一瞬,都受着这几个方程式控制。这是一种大美。我们也可以说
这些方程式是造物者的诗篇。两弹之父是谁为什么?因为诗就是语言的精华。造物者用最浓缩的语言,掌握了世界万物包括人的结构、人的情感,世界上的一切都在“诗人”——造物者写下来的东西里浓缩起来了!其实这也是物理学家最后想达到的境界。
这些方程式的内涵往往随着物理学的发展而产生当初完全没有想到的新意义。我以诗歌对于读者的感受为例,阐述这一点。你少年时诵读一首诗,当时就会对那首诗歌的内涵、意境等有所了解。但当你进一步成熟之后,以及你步入晚年之后,又会发现这首诗的含义远远比你小时候所领悟的要多得多。同样的道理,这些方程式在不同时期被人们运用的时候,也会产生不同的新意义。
诗人对于科学的美曾经有过一些描述。英国大诗人W.Blake写过一首有名的诗,译成中文是:
一粒砂里有一个世界,
一朵花里有一个天堂。
把无穷无尽握于手掌,
永恒宁非是刹那时光。
陆机的《文赋》有这样一句话“观古今于须臾,抚四海于一瞬”,表达的意思类似。
上面两个例子,都是诗人用诗性的语言阐述对于宇宙结构的了解,传达出一种大美。牛顿故去以后,英国大诗人A.Pope这样表述牛顿,译成中文是“自然与自然规律为黑暗隐蔽!上帝说,让牛顿来!一切遂臻光明。”
人类从远古以来就知道有日月星辰的运动,这些运动有很好的规则,可是在这些规则里又有一些不规则的变化,很奇怪。我想,这些现象是几千年、几万年以来人类要想了解又难以了解的。最后牛顿来了。牛顿的方程式对于日月循环,对于行星的运转甚至对于星云等一切天体运动的现象都有了非常准确的描述。我想,这是人类历史上非常重要也非常美的一个新的发展。
前面列举的诗句所描述的,是物理学的美,它们给了我们特别的感受。诗人对于美的描写很到位,可是仅有这些还不够,因为诗句里缺少庄严感、神圣感,以及初窥宇宙奥秘的畏惧感。这种庄严感、神圣感,也是哥特式教堂的建筑师们所要歌颂的东西,即崇高美、灵魂美、宗教美、最终极的美。这个最终极的美是客观的。
我们知道,早在人类尚未出现的时候,麦克斯韦方程式以及刚才所讲的那些方程式就已经支配着宇宙间的一切了,所以这些最终极的美与人类没有关系。我想,庄子所讲的“天地有大美而不言”也包含类似的意思。
小犀牛形青铜器,现存美国旧金山博物馆双鱼座性格特征
接下来,我们讨论艺术中的美。
物理学的发展历经了几个明确的阶段,而艺术不然。事实上人类对艺术的了解远远早于对科学的了解。比如说在三千多年以前,商朝的金属铸造师们就已经具备了非常好的艺术感。这是商朝的一个小犀牛形青铜器,现保存在美国旧金山博物馆里,是镇馆之宝。据说它是由巴黎的一个大古董贩子C.T.Loo于20世纪40年代卖到美国的,当时只卖了五万美金,今天当然是无价之宝。
青铜觚,现存美国华盛顿的Freer博物馆
这是商朝的另外一个青铜器,叫做觚,现保存在于美国华盛顿的Freer博物馆里。Freer是一个有钱人,他在20世纪初到北京买了很多铜器,这个觚是其中的一个。Freer博物馆是美
国所有博物馆中收藏中国古文物最丰富的一个。
青铜器的制造师们或许不懂甲骨文,更不懂艺术理论,可是他们对美的感受已经达到了极高的境界。这个“小犀牛”和这个铜觚都很美,可是有不同的美法,让我们分析一下。
“小犀牛”是童稚型的,铜觚是思考型的;“小犀牛”体现出直觉的美,铜觚是抽象的美;“小犀牛”的美是“形似”的美,铜觚是“神似”的美。它们显示,艺术中的美离不开人类,这与科学中的终极的美不同。
我刚才讲了,科学里的终极的美是客观的,没有人类的时候就已经有这些美了。可是没有人类就没有艺术,也就没有艺术中的美。换句话说,科学中的美是“无我”的美,艺术中的美是“有我”的美。

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