杨振宁谈科学美：理论物理的浪漫

杨振宁谈科学美：理论物理的浪漫

“科学中存在着美，所有的科学家都有这种感受。”这是诺贝尔物理学奖得主杨振宁对科学美的经典阐述。作为一位在物理学领域做出卓越贡献的科学家，杨振宁不仅发现了科学规律，更深刻地揭示了科学之美。在他看来，科学美具有独特的专业知识属性，只有深入了解科学的人才能真正体会到其中的魅力。

杨振宁深入研究理论物理之美后指出，它包括三个基本层次，分别是：现象之美、理论描述之美与理论结构之美。他同时强调，这三个层次之间并非彼此泾渭分明，不存在明确的分界线。

现象之美

理论物理现象美分为两种，即直观的自然美与抽象或想象的物理美。前者直观可见，杨振宁以彩虹为例予以说明：“早在童年时，看到虹我们会脱口而出‘美极了’。”后者则需要基于一定抽象的专业知识、经过间接的实验测量，以及物理学家的想象，才能被物理学家感受到。

理论描述之美

杨振宁以库仑定律、热力学第一、第二定律以及放射元素指数衰变定律等为例，说明这些定律都是对表面上杂乱无章的物理现象精准而简洁的描述，都实现了用一个简单的公式，充分表述某一类复杂现象的目标，揭示了现象背后的本质关系，都是“漂亮的”、“很美的”理论描述。因此，理论物理的描述之美，即指用最为简洁的数学公式对复杂自然现象的描述。

理论结构之美

自然界存在并非一目了然的各种结构，如元素周期律、原子的有核结构、水分子中氧原子和两个氢原子的空间排列关系、以点阵为基础的各种晶体的对称结构，月亮按照一定周期围绕地球转，地球又带着月亮按照一定的节奏围绕太阳转动等等，都包含着美妙的结构。杨振宁以元素周期表为例，指出性质相似的元素纵列排在一起，人们可以按照这个规律去发现新的元素，这很美妙，但是仍属于现象美范畴。量子力学诞生后，物理学家借助群论这一数学工具才得以描述和解释周期表内涵的特性，如周期性为什么存在等等。

杨振宁认为，理论物理学中美的内涵处于变化之中，其根本原因在于“理论物理学的题材是发展的”，物理学家对美的感受也随之改变。为了描述物理学新领域中的新现象，必须提炼出前所未有的标志性新概念，如加速度、力、引力、场、波粒二象性、量子化等等，都是不同时期标志着物理学发展的新概念。

以电磁学为例，在发现库仑定律、高斯定律、安培定律和法拉第定律之后，杨振宁说：“为了继续前进，我们需要的不仅是这些经验定律。我们还需要麦克斯韦的重要的场的概念，需要用这一概念来代替超距作用的概念”。基于场的概念，麦克斯韦奋斗近乎20年，建立了可以与牛顿经典力学媲美的电磁场基础理论——麦克斯韦方程组，从而缔造了物理学又一完美的理论体系。

理论物理美之动态性还与理论物理日益数学化密切相关，甚至可以说理论物理美是经过其不断地数学化而实现的。物理学的数学方法创于伽利略，杨振宁说伽利略贡献了一种研究方法，也为创造理论物理之美缔造了可行的手段：“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。”纵观20世纪物理学的重要发展，杨振宁指出，物理学的数学化正在加速进行：狭义相对论的基础是超直观的数学四维时空概念，广义相对论建立在黎曼几何基础之上，量子力学概念的数学基础是无限维的希尔伯特空间，规范场论建立在纤维丛几何之上。随着一个又一个漂亮而抽象的数学理论的介入，理论物理由此获得更为丰富的科学美：“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。”

杨振宁认为，科学美对物理学家的创新工作具有重要引导作用。他借用狄拉克的话揭示这一道理：“使一个方程具有美感比使它去符合实验更重要。”而什么样的方程才最具有美感，需要理论物理学家本人去感悟和把握；杨振宁指出狄拉克有“感知美的奇异本领”，认为这是狄拉克能做出重要科学贡献的决定性因素。

科学美不仅给物理学家以美的愉悦，还对他们关键的创新工作具有重要的引导作用。正确归纳、阐述杨振宁的相关思想，不仅具有基本的学术价值，还具有总结与提炼科学方法之作用。要达到这样的目标，全面整理并深入解读杨振宁在该领域的著述是研究的基础；杨振宁的访谈中针对其中关键问题的解答，为科学美如何介入科学研究提供了恰当的具体案例；杨振宁解答关于科学美问题的回函，充分展示了他感受数学美的一个独特视角，也揭示了他培养感受科学美感的直觉能力的一种有效方法。

正如杨振宁所说：“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”。科学之美，正是在这样的神奇与美妙中，不断激励着科学家们探索未知，追求真理。这种追求，不仅是对知识的探索，更是一种对美的追寻。正如杨振宁所言：“科学之美，是一种深刻的美，是一种需要专业知识才能理解的美，是一种能够激发创新的美。”