可怕的对称[格式PDF]（185页）

1、可怕的对称我想知道上帝是怎样创造这个世界的，我对诸种现象并不感兴趣，我想知道上帝的思想其它均属细节。阿尔伯特 爱因斯坦可怕的对称把当代物理学的惊人发现写成通俗文学，人人能懂。阿 热是一位杰出的科学家和出色的评论家，他在该书中讲叙了当代理论物理学家们是怎样效法爱因斯坦对大自然的美和质朴进行探索的故事。可怕的对称引导我们把物理学不仅视为一组理论的事实，而且要把物理学视为宇宙运动进行勇敢探索的学问。这是阐释“对称”如何奠定现代物理学上的思想和美学的基础第一本书。通过该书我们可以从身边左右对称的活生生的形式深入到大自然基本规律的深刻而抽象的对称。热先生从星球寿命、光的魔力、浩瀚的宇宙、粒子的生死等诸种

2、不同现象中展现对称是如何规划大自然的宏伟构造的。老虎！老虎！燃烧的火焰，游荡在那黑夜的林莽，什么样超凡的手和眼才能铸造你这可怕的匀称？威廉 布莱克总序科学，特别是自然科学，最重要的目标之一，就是追寻科学本身的原动力，或曰追寻其第一推动。同时，科学的这种追求精神本身，又成为社会发展和人类进步的一种最基本的推动。科学总是寻求发现和了解客观世界的新现象，研究和掌握新规律，总是在不懈地追求真理。科学是认真的、严谨的、实事求是的，同时，科学又是创造的。科学的最基本态度之一就是疑问，科学的最基本精神之一就是批判。的确，科学活动，特别是自然科学活动，比较起其他的人类活动来，其最基本特征就是不断进步。哪怕在其

3、他方面倒退的时候，科学却总是进步着，即使是缓慢而艰难的进步。这表明，自然科学活动中包含着人类的最进步因素。正是在这个意义上，科学堪称为人类进步的“第一推动”。科学教育，特别是自然科学的教育，是提高人们素质的重要因素，是现代教育的一个核心。科学教育不仅使人获得生活和工作所需的知识和技能，更重要的是使人获得科学思想、科学精神、科学态度以及科学方法的熏陶和培养，使人获得非生物本能的智慧，获得非与生俱来的灵魂。可以这样说，没有科学的“教育”，只是培养信仰，而不是教育。没有受过科学教育的人，只能称为受过训练，而非受过教育。正是在这个意义上，科学堪称为使人进化为现代人的“第一推动”。近百年来，无数仁人智士

4、意识到，强国富民再造中国离不开科学技术，他们为摆脱愚昧与无知作了艰苦卓绝的奋斗，中国的科学先贤们代代相传，不遗余力地为中国的进步献身于科学启蒙运动，以图完成国人的强国梦。然而应该说，这个目标远未达到。今日的中国需要新的科学启蒙，需要现代科学教育。只有全社会的人具备较高的科学素质，以科学的精神和思想、科学的态度和方法作为探讨和解决各类问题的共同基础和出发点，社会才能更好地向前发展和进步。因此，中国的进步离不开科学，是毋庸置疑的。正是在这个意义上，似乎可以说，科学已被公认是中国进步所必不可少的推动。然而，这并不意味着，科学的精神也同样地被公认和接受。虽然，科学已渗透到社会的各个领域和层面，科学的价

5、值和地位也更高了。但是，毋庸讳言，在一定的范围内，或某些特定时候，人们只是承认“科学是有用的”，只停留在对科学所带来的后果的接受和承认，而不是对科学的原动力，科学的精神的接受和承认。此种现象的存在也是不能忽视的。科学的精神之一，是它自身就是自身的“第一推动”。也就是说，科学活动在原则上是不隶属于服务于神学的，不隶属于服务于儒学的，科学活动在原则上也不隶属于服务于任何哲学的。科学是超越宗教差别的，超越民族差别的，超越党派差别的，超越文化的地域差别的，科学是普适的、独立的，它自身就是自身的主宰。湖南科学技术出版社精选了一批关于科学思想和科学精神的世界名著，请有关学者译成中文出版，其目的就是为了传播

6、科学的精神，科学的思想，特别是自然科学的精神和思想，从而起到倡导科学精神，推动科技发展，对全民进行新的科学启蒙和科学教育的作用，为中国的进步作一点推动。丛书定名为第一推动，当然并非说其中每一册都是第一推动，但是可以肯定，蕴含在每一册中的科学的内容、观点、思想和精神，都会使你或多或少地更接近第一推动，或多或少地发现，自身如何成为自身的主宰。第一推动丛书编委会前言在可怕的对称中，我想讨论的是给 20 世纪物理学带来活力的美学动机。我的兴趣不在于解释现代物理的实际内容，而是要带给读者一种理性框架的概念，基础物理正是运行于此框架中。阿尔伯特 爱因斯坦曾经说过，“我想知道上帝是如何创造这个世界的。对这个

7、或那个现象、这个或那个元素的谱我并不感兴趣。我想知道的是他的思想，其它的都只是细节问题。”作为一名物理学家，我非常醉心于爱因斯坦所表述的这种感受。正当当代绝大多数物理学家忙于解释特定现象之际，少数爱因斯坦的理性的后继者却变得更加雄心勃勃了。他们进入了夜幕笼罩着的森林，探寻着自然的基本设计，并且狂傲不羁地宣称，已经发现了一些蛛丝蚂迹。引导这一探索工作的是这两大原理：对称性和重整化。重整化是关于具有不同特征长度的物理过程间的相互联系的。尽管也会谈到重整化，但我的重点将放在基础物理学家用以审视大自然的统一美学观点对称性上。在过去几年中，人们对现代物理学的兴趣不断增长，介绍“新”物理学的著述甚丰。现在

8、，我们大都知道存在着数以百亿计的星系，每个星系中又包含有数以百亿计的恒星。我们被告知，世界可用亚核粒子的说法去解释，大多数这种粒子的寿命只有百亿亿分之一秒。知道了这些的读者会觉得惊讶和迷惑，是的，现代物理的世界古怪得让人赞叹！那些用希腊字母命名的粒子无视经典的决定论，合着量子的音乐跳起了吉特巴舞。但最终，读者可能还是会带着一种只被简单地灌输事实的感受离去，这些事实本该是让人惊叹的，但却变得让人厌倦了。本书是为那些并不满足于了解事实而在理性上也有好奇心的读者写的。我想象中的读者可能是：某个我年轻时认识的人，某个建筑师、艺术家、舞蹈家、股票经纪人、生物学家或律师，某个对基础物理学家所置身的理性和美

9、学框架感兴趣的人。这并不意味着本书不解释现代物理的惊人发现。在能够对现代物理学的理性框架作有意义的讨论之前，我必须对这些发现作出解释。然而，我希望读者不要仅仅满足于与某种令人吃惊的事实做点头之交，也要有框架的观念，离开这种框架，事实也只不过是事实。我并不试图详尽地、面面俱到地描述对称性在物理学中的历史。任何把主要进展归功于少数个人的看法都不能称之为历史，任何夸大个人作用的断言都绝对不能接受。在谈到现代粒子物理的某些进展时，杰出的物理学家谢利 格拉肖(Shel l y Gl ashow)曾经评论说：“花毯是许多工匠共同织出的，每个工人的贡献都不能从整个作品中分辨出来，那些松散、错乱的织线已经被掩

10、盖住了。粒子物理中的情况也是如此标准理论并不是完美地出现在一个，甚至也不是三个物理学家头脑中的，它同样是许多实验和理论物理学家共同努力的结果。”然而，在象本书这样的通俗读物中我只得简化历史。我相信读者能够理解。于圣塔 巴巴拉1986 年 4 月致谢首先，我要感谢我的妻子格里琴(Gretchen)。她的尖锐批评以及她的爱所给予的支持是我能完成此书的基本保证。她是我的第一个读者和严格的批评者，只要她说：“这我看不懂！”，我就得回去重写。我的朋友基蒙 比勒(Ki m Beel er)，克里斯 格罗斯贝克(Chri sGroesbeck)，马萨(Martha)，弗兰克 里特曼(Frank Retman

11、)，迪安 舒福特(Di ane Shuford)一个心理学家，一个学艺术史的学生，一个律师和两个建筑师，分别读了手稿的各个部分，以确保外行人也能读懂此书。已经发表过物理方面通俗读物的两个有名望的同事赫恩茨 帕杰斯(Hei nz Pagel s)和史蒂夫 温伯格(SteveWei nberg)，都鼓励我不要放弃写一本关于对称性的书的想法。在写作和发表的各个方面他们都给了我不少的忠告，并将我引荐给了他们在出版界的朋友。我要感谢李政道、赫恩茨 帕杰斯和史蒂夫 温伯格。他们阅读了本书的手稿并提出了有益的和鼓励性的意见。我还要感谢西德尼 科尔曼(Si dney Col eman)、弗兰克 威尔茨克(Fr

12、ank Wi l ezek)读了本书第十二章，默里 盖尔曼(Murray Gel l Mann)读了第十一章，比尔 别勒克(Bi l lBi al ek)读了长条校样。我有幸能有查尔斯 利文(Chasl es Levi ne)作本书的编辑，他的支持对本书的出版是必不可少的。在我需要保证时他使我放心，在我需要批评时他便向我提意见。渐渐地，我就把他当成了自己的朋友。编辑凯瑟琳 肖(Catheri ne Shaw)显然也干得不错，因为为了解答她所提出的问题，我不得不花近 2 个月的时间来作改写。在读不懂时她就叫到：“这我不懂！”结果是，这本书变得越来越容易读了。抄誊编辑罗伯塔 弗罗斯特(Robest

13、a Frost)对手稿作了进一步的加工和润色。在该工作的早期，马丁 克斯勒(Masti nKessl er)提过很有益的建议。我的代理人约翰 布洛克曼(John Brockman)和卡汀卡 马聪(Kati nkaMatson)的劝告也使我受益匪浅。后面所列出的艺术家们使本书在视觉上更有吸引力，在表达上也更清楚。我非常高兴有海伦 米尔斯(Hel en Mi l l s)来作本书的设计指导。我们在第十二章将会遇见他的兄弟罗伯特(Robert)。看来在一个家庭中也会倾向于有某种平衡和对称。最后，我要感谢德布拉 维特莫娅(DebraWi tmoyer)，丽莎 洛佩兹(Li sa Lopez)，格温 卡

14、特农(Gwen Cattron)、凯蒂 多里穆丝(Kati eDoremus)、卡伦 墨菲(Karen Murphy)和克雷夏 沃诺克(Kresha Warnock)打印了手稿的各个部分。插图作者波尼 布莱特(Bonni e Bri ght)，图 3.4、5.2、6.3、7.2、7.3、7.4、10.2、10.3、11.1、11.3、12.1、12.2、12.3、14.2、15.2。迈克尔 卡伦(Mi chael Cul l en)，图 3.5、3.9、9.1、11.7、13.2、14.1、14.4。黄纪军(Ji j un Huang)，图 15.1。埃里克 加恩克(Eri c Junker)

15、，图 5.1、5.3、5.4。乔 卡尔(Joekarl)，图 2.1、2.3、4.2。佩吉 罗伊斯脱(Peggy Royster)，图 4.3、13.1。克拉拉 韦斯(Cl ara Wei s)，图 4.1。格里琴 热(Gretchen Zee)，图 2.2、7.1、9.2、10.1。对称与设计第一章 对美的追求我记得最清楚的是，当我提出一个自认为有道理的设想时，爱因斯坦并不与我争辩，而只是说，“啊，多丑！”。只要觉得一个方程是丑的，他就对之完全失去兴趣，并且不能理解为什么还会有人愿在上面花这么多的时间。他深信，美是探求理论物理学中重要结果的一个指导原则。H.邦迪(Bondi)美先于真我和我在

16、基础物理学界的同事们是爱因斯坦的理性的后继人，乐于自认为我们是在探求美。有些物理方程丑得让人不愿多看一眼，更不用说把它们写下来了。毫无疑问，终极设计者只会用美的方程来设计这个宇宙！我们宣称，如果有两个都可用来描述自然的方程，我们总要选择能激起我们的审美感受的那一个。“让我们先来关心美吧，真用不着我们操心！”这就是基础物理学家们的呼声。读者也许会把物理看成一个具有精确预言性，而不适于审美沉思的科学。其实，审美事实上已经成了当代物理学的驱动力。物理学家已经发现了某些奇妙的东西：大自然在最基础的水平上是按美来设计的。我希望与你们分享的正是这种奇妙的感受。训练我们的双眼什么是美？冥思苦想美学的含意的哲学家们已写出了不少大部头的著作，但审美价值的绝对定义依然含混不清。就某一事物而言，时尚也在变化，鲁本斯的优雅的太太们就不再能为杂志封面增辉了。审美观也因文化而异，东西方的风景画各自受不同传统的影响。布拉门托(Bramante)和贝聿铭的建筑各自以不同的风格体现了美。既然在人类创作界对美并没有一个客观的标准，我们在谈论自然之美时究竟要采用的是什么美学体系呢？我们怎样去判断自然的设计呢？在本书中，我希