论述百练：美和理论物理学

毫无疑问，科学家们很早就懂得科学中蕴涵着奇妙的美。哥白尼伟大著作《天体运行论》第一句话就是“在哺育人的天赋才智的多种多样的科学和艺术中，我认为首先应该用全副精力来研究那些与最美的事物有关的东西”。我试图用一些词来定义科学中的美，显然，和谐、优雅、一致、简单、整齐等都与科学中的美，特别是与理论物理中的美有关。但是，思索着怎样把这些词组合在一起去形成“美”的定义时，我开始意识到，事实上物理学中美的概念不是固定的。

我们对理论物理学中美的理解是变化的。对于这种变化，影响最显著最重要的是理论物理学日益增长的数学化。人们公认伽利略时代是现代物理诞生时期。他教导科学界说，如果你明智地选择了你观察到的事物，你将会发现，从一些纯化的和理想化的关于自然界的实验中得出的物理定律，可以用精确的数学语言来描述。伽利略的观念是一种深刻的美的观念。后来是牛顿,我们都知道他给了我们一个完整的经典力学体系。通过他的工作,物理学的数学化取得了进展,并被认为是非常严格的数学化。在最近的物理学中，数学化正在加速进行。量子力学概念的数学基础是称之为希尔伯特空间的漂亮而抽象的数学理论,非阿贝尔规范物理理论是令人惊奇地建立在纤维丛几何上的,而纤维丛几何与20世纪二三十年代的物理学没有任何关系，是由数学家们独立讨论的。所有这些数学发展对20世纪的物理学是非常重要的，它们相当抽象又非常美丽。 

也许现在我们可以开始去了解,物理学数学化的加速导致了理论物理学中美的概念发生了怎样的变化。我认为存在三种美：现象之美、理论描述之美、理论结构之美。就我们的直感来说有许多物理现象是美的。早在童年时,看到彩虹我们会脱口而出“美极了”。当然,有许多美丽的实验现象只有训练有素的人才能观测到。例如,行星的轨道都是椭圆的,这是非常美的现象。再举一个例子,原子的谱线是非常独特的,有严格的光学性质。麦克斯韦发现它们是美的,因为它们似乎与发光原子所处的外界条件无关。正如19世纪科学家所发现的那样,如果你把发光原子置于高压之下,光谱毫无变化,这似乎揭示了原子的一些内在性质。很多物理学定律都有一个漂亮的描述。热力学的第一、第二定律是对自然界某些基本性质的很美的理论描述，第一、第二定律的结论和对这些定律精确性的观察是每一位学热力学的学生都很欣赏的课题。20世纪初发现了放射性，并很快地测定到放射性将导致放射性元素的衰变，但正是卢瑟福给了我们一个精确的定律。这是一个有很高精确度的指数衰变定律，直到今天，我们也没有发现它的偏差。

当一个理论公式化时,特别是在20世纪,它趋向于有一个漂亮的结构,这通常是指它本身的数学结构。自然界为它的物理定律选择这样的数学结构是一件神奇的事。显然，这些数学思想的美是另一种美，它与我们前面讨论的美很不相同。在这个问题上，也许下面这个例子有助于说明问题。众所周知,周期表最初是19世纪构造出来的,那时发现，如果把性质相似的元素按纵列放在一起，可以得到一个美妙的表——但表中有一些空缺。这些元素一个接一个地被找到了，这是一个很美妙的并具有重大实用意义的结果。后来出现了玻尔原子和量子力学，这些发展给周期表的结构提供了一个更基本的理论解释，即一个元素在周期表中应占的位置与该元素的原子结构中所拥有的电子数目有关。    

狄拉克在1963年的《科学美国人》中写道:“使一个方程具有美感比使它去符合实验更重要。”令人惊讶的是，有时候，如果遵循你的本能提供的通向美的向导前进，你会获得深刻的真理，即使这种真理与实验是相矛盾的。狄拉克就是沿着这条路得到了关于反物质的理论。爱因斯坦在1934年说过:“理论科学家越来越不得不服从纯数学的形式考虑的支配。”狄拉克说如果他必须在美和与实验符合两者之间选择的话，他将选择美。对爱因斯坦和狄拉克来说，这种强调并不奇怪，如果你注意一下他们研究物理学的风格,美始终是一个指导原则。

如果这种话从海森伯那里说出也许是令人惊讶的,他的工作很难区分是追求美多还是坚持与事实和实验的关联多。在主张遵循实验的指导思想下，海森伯写下了一些方程。那时他还年轻，他不懂得这些方程的数学结构，他从来没有学过矩阵理论，所以他写下这些方程时,是他的导师玻尔辨认出了那是矩阵乘法。了解到这点你就会理解海森伯所说的“我们看到数学家做了我们自己做不到的事”。所以我要说海森伯是经由一条不同的道路而获得了对理论物理学的美的鉴赏。他没有遵循由美的观念所指导的直觉去进行工作，他被自己的发现搞糊涂了，结果是他的数学完全预言了这些事实，从那以后他变成了数学美的皈依者。

(摘编自杨振宁《美和理论物理学》)

1.下列对原文相关内容的理解和分析，不正确的一项是(3分)

A.物理学中美的概念不是固定的，所以很难用“和谐”“优雅”等词语来对美形成定义。

B.理论物理学日益增长的数学化，是影响对理论物理学中美的理解发生变化的最大因素。

C.文中加点的“这个问题”是指自然界为它的物理定律选择了一个非常漂亮的数学结构。

D.海森伯“看到数学家做了我们自己做不到的事”，这让他最终成为了数学美的皈依者。

2.根据原文内容，下列说法正确的一项是(3分)

A.从第一段内容可以得知，科学家应该首先以全副精力研究科学、艺术中蕴涵着的那些奇妙的美。    

B.牛顿之所以能极大推动理论物理学数学化取得进展，是因为他对理论物理学数学化有深刻认知。

C.19世纪科学家发现，把发光原子置于高压之下，光谱没有变化，这与麦克斯韦当年的发现相同。

D.从文中狄拉克和海森伯的两个事例可以看出，在理论物理学研究中以美为指导原则很重要。

3.根据材料内容，下列各项不属于本文理论物理学美的范畴的一项是(3分)

A.日前，“中国天眼”FAST,从一颗原本被认为“熄灭”状态的脉冲星中探测到一批极其微弱的窄脉冲，发现了脉冲星的辐射新形态。

B.韦伯斯特大学辞典中对美的定义：“一个人或一种事物具有的品质或品质的综合，它愉悦感官或使思想精神得到愉快的满足。”

C.牛顿万有引力定律用清晰严谨的数学语言，将物理世界的规则和秘密告知世人，展现了复杂物理世界的简洁之美。

D.德国物理学家海森伯：“如果自然界把我们引向极其简单而美丽的数学形式，我们就不得不认为这些形式是'真’的，它们显示出自然界的真正特征。”

4.请分别概括文中理论物理学三种美的具体内涵。(4分)

5.请简要分析本文的行文思路。(6分)

【参考答案】

1.D(“这让他最终成为了数学美的皈依者”的原因错)

2.D(A.曲解文意；B.无中生有：C.判断不当)

3.B(广义上美的定义。A.体现“现象之美”；C.体现“理论描述之美”；D.现“理论结构之美”)

4.①现象之美是人们直觉感受到的物理现象的美；

②理论描述之美是指物理学定律对自然界某些基本性质的精确描述；

③理论结构之美是指理论公式呈现的漂亮的数学结构。(4分。①②各1分、③2分)

5.①首先提出物理学中美的概念不是固定的观点；

②接着从物理学历史发展的角度、阐述理论物理日益增长的数学化对理论物理学美的理解的影响；

③然后提出理论物理学存在三种美并分类阐述；

④最后通过典型事例，强调美是研究理论物理学的指导原则。

(6分。每点2分，答出3点即可)

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