物理的簡約之美散文

　　物理學中的統一路，實際上追求的是一種簡約之美。

　　把復雜的事情簡單化，是一種本領和智慧。簡約并不簡單，中國清代書畫家鄭板橋，在書齋中掛了一幅自寫的對聯“刪繁就簡三秋樹，領異標新二月花”，以此表明他的書法及文學理念，主張以最簡練清晰的筆墨、不同凡響的思想，表現出最豐富的內容。14 世紀，在英格蘭的一個村莊奧卡姆有一位叫威廉的邏輯學家，此人流傳下來一句膾炙人口的話：“Entities should notbe multiplied un necessarily”（“如無必要，勿增實體”），意思是說，刪除一切沒必要的多余“實體”，留下最少的，這被稱為“奧卡姆剃刀原理”。

　　物理學家的“統一”，歸納起來有3 個方面：一是物理規律的統一；二是物質本源的統一；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：當你面對著導致同樣結論的兩種理論，選擇那個最簡單的，實體最少的。物理統一理論中的實體，可被理解為基本規律、粒子和作用力。也就是說，統一，就是用最少數目的物理規律來描述自然現象；用最少數目的“不可分割基本粒子”來構成所有的物質；用最少種類的“力”來描述物質之間的相互作用。

　　牛頓曾經感嘆地說過：“我能計算天體運行的軌道，但無法計算人類的瘋狂。”“奧卡姆剃刀”原則也許難以描述多變的社會現象及復雜的人性，但將其用于科學中的優越性卻毋庸置疑。幾百年來，這一原理在科學上得到了廣泛應用，從牛頓的萬有引力到愛因斯坦的相對論，再到如今的標準模型，漫長延綿的統一路上，“奧卡姆剃刀”已經成為重要的科學思維理念。

　　然而，物理學中的統一理論，是隨著時間而變化的。科學發展的不同歷史時期，會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，牛頓創立的經典力學，無疑是物理史上第一片港灣。

　　牛頓有過如此一段名言：“將簡單的事情考慮復雜，可以發現新領域；把復雜的現象看得簡單，可以發現新規律。”這句話描述了牛頓做物理、數學的基本思想方法，前半句說的是科研中的具體過程，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。牛頓發明微積分是前者，總結建立力學定律則是后者。

　　當年，牛頓癡迷于思考二項式展開的數學問題。數學前輩笛卡爾認為其展開后的項數有無窮多，太復雜了，而人的大腦是有限的，不應該去思考這種與無窮有關的復雜問題。可牛頓偏偏迷上了這個由無窮多項求和的復雜概念，這個概念又引導牛頓進一步考慮無限細分下去而得到的無窮小量。他將這無窮小量稱為“極微量”，也就是現在所說的“微分”。牛頓發明的微積分為數學、物理乃至其他科學技術開拓了一片嶄新的天地。

　　牛頓之前的物理學，已經有了許多獨立的、貌似互不相關的物理定律。牛頓將地球吸引蘋果下落的力與太陽牽引月亮繞其旋轉的力統一在一起，結合胡克發現的平方反比率，發現了萬有引力定律。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生非零加速度，這個加速度與外力成正比，與物體內在的慣性質量成反比。因此，牛頓第二定律將力、加速度、慣性質量三者之間的關系，總結統一在一個簡單的數學公式（F=ma）中，邁出了將運動學發展為動力學的關鍵性一步，建立了物體在力的作用下的運動規律。接著，牛頓又在第三定律中，提出了任何力都是成雙出現的，這兩個力總是大小相等、方向相反，稱之為“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規律，他將物體的大小、形狀、質地、軟硬之類不重要的具體性質通通砍去，只留下一個“質量”。牛頓是第一個認識到這些零零落落的孤立定律之間深刻的內在聯系的，他將這些分散的“支流”匯總在一起，完成了物理學上的第一次理論統一。

　　場論的思想，則始于麥克斯韋和法拉第的電磁場理論。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化為4 個對稱而漂亮的矢量方程式，將電、磁、光三者“統一”于一個經典場中。

　　愛因斯坦在建立狹義相對論時留下兩條他認為必要的實體——相對性原理和光速不變。后來，他將相對性原理擴展，用等效原理將引力質量和慣性質量等同起來，將引力效應與時空幾何統一起來，建立了廣義相對論。

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

　　盡管標準模型取得了一定的成功，但也發現它與少量的實驗結果不相符。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所謂“終極理論”的候選者。此外，現有的物理理論也無法解釋宇宙學領域傳來的有關暗物質、暗能量的新信息。

　　20 世紀初物理界的兩場革命，帶給了我們相對論和量子理論。如今，物理學需要新一輪的革命，將兩者結合統一在一起。這種微觀和宇觀的統一，是否能為物理學以及其他科學的統一之路，開辟出一條新的捷徑？相信科學家們將繼續努力，讓我們期待欣賞大自然更高一層次的“簡約之美”！

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