高中物理20世纪理论物理学发展的主旋律

20世纪理论物理学发展的主旋律

--杨振宁

我们知道交响乐有所谓的主旋律，整个交响乐就是经过几个不同而又相关的主旋律纠缠和发展出来的。我们以这个眼光来分析20世纪物理学的发展，就会发现也有三个主要的旋律，那就是量子化、对称、相位因子。

我们如果回顾20世纪人类的历史，就会发现其中有着惊人的进步。20世纪人类发现了一种新能源，比“火能’还要强很多倍的核能，这是人类历史上一个非常重大的事清；20世纪人类还学会了控制电子的行动，从而制造出了半导体，由半导体而发明出了计算机，大大提升了人类的生产力。这些技术的影响，我们今天已经看到了；而对这个世纪以至下一个世纪的影响，我们今天是没有办法估计的。

人类在20世纪还发现了研究极小结构的方法。从20世纪初就发现了X光衍射，这一发现，大大地增加了人类研究极小结构的能力，从而发现了第一个生命遗传的基因物质―DNA的双螺旋结构而双螺旋结构引导出来了今天的分子生物学和生物工程技术。这项发展，对于21世纪乃至将来人类的影响，也是今天没有办法估计的。

在20世纪，人类还第一次摆脱了地球的引力，登上了月球……

这些发展，还有许许多多别的进步，都标志着20世纪是人类有史以来发展最快的一个世纪。

这些进展之所以能够在20 世纪发生，是因为物理学于20世纪在基本的结构和更深的层面上都有了新的跨越，人类对于时间、空间、运动、能量以及力量的观念有了革命睦的变化。我上面讲的那些与我们的生活有着密切关系的巨大进展，正是基于人类对这五项基本的认识的革命性变化。

物理学的主旋律之一：量子化

20世纪物理学发展这个“交响乐”的三个主旋律是：量子化、对称、相位因子。其中第一个主旋律就是量子化。

把量子化引入物理学，是1900年普朗克的一篇文章。在1900年以前，物理学上测量出来的东西、讨论的数目都是连续的，1尺长、2尺长或者1.5尺长，是一个连续的变数。可是到了19世纪末20世纪初，普朗克大胆地提出了一种全新的量子观点，这个观点影响了整个20世纪物理学的发展，以及所有用到物理学的发展而引导出来的实际的结果。

不过普朗克并没有完全了解到量子化观点的意义。过了5年以后，一个年轻的物理学家爱因斯坦把普朗克的见解向前推进了一步。爱因斯坦提出了光子的概念，说光的传播不是一个连续的过程，在那以前大家都认为光是一个连续的波，而爱因斯坦则认为光是由一个一个的光子传播过来的。这又是一个革命性的见

解，但在当时没有完全地被大家了解。

又过了8年，玻尔写了一篇文章，把普朗克的观念引申到了原子的结构上。这篇文章的关键性意义在于它使人们对周期表的结构跟简单的原子结构有了一个初步的认识，并在这个认识里面放进了量子的因素。

可以说，这三篇文章是人类关于量子化最早的文章这些文章发表以后，有过很多讨论。1913—1925年，是物理学史上一个非常动荡的时代，因为他们三位提出来的见解中，有许多很复杂的以前不被人们所了解的观念，经他们一说，人们就有了一种恍然大悟的感觉；可是从另一面看，又有许许多多新的现象是他们的见解所不能够解释的，甚至可以反证他们的想法是错误的。

由于这一切是从光的领域发端，从爱因斯坦到玻尔，研究的主体方向都是光子学，而那个时期德国的光子学做得最好，因此这方面的文章多半发表在德国。在这十几年里面，产生了很多很多新的正确的见解，也产生了很多很多新的然而是错误的见解。

这一段历史很不容易写。很多年以后（1953年），奥本海默描述了那十几年。他说那是一个在实验里耐心工作的时代，有许多关键性的实验和大胆的见解，有许多错误的尝试和不成熟的假设；那是一个真挚通信与匆忙会议的时代，有许多激烈的辩论和无情的批评，充满了巧妙的数学性的方法。对于那些参与者，那是一个创新的时代，从宇宙结构的新认识中，他们感受到了激奋，也体验到了恐惧。这段历史恐怕永远也不会被完整地记录下来。要写这段历史，需要有非凡的笔力，由于涉及到的知识距离日常生活是那么的遥远，实在很难想象有任何诗人或史家能够胜任。

奥本海默的这一段有诗意的描述，讲清楚了那十几年物理学一方面紊乱、一方面诞生革命性见解的情形。通过那十几年的努力，1925年由年轻的玻尔、年轻的海森伯和比他们稍微年长一点的薛定谔一起，提出来了量子力学的概念。然后在1925—1927年，对于量子力学的意义做了深入的讨论，最后发展出来了量子力学。在此以后的70年直至今天，量子力学对物理学的发展仍然具有革命性的影响。所以说，量子力学是20世纪物理学主旋律之一，这是没有任何疑问的。

物理学的第二个主旋律：对称

20世纪物理学的第二个主旋律是对称。

对称这个观念，在人类的历史上，不是到20世纪才有的。在不同的文化里面，在不同的哲学的讨论里面，对称的观念很早很早就有了。在中国的历史上，古希腊的历史上、古罗马的历史上，都有很多这方面的讨论。这些讨论对于近代科学的发展时候，对于开普勒，对于牛顿，都有很重要的影响。可是，这些影响同20世纪由于人们逐渐对对称有了了解所产生的影响相比是徽不足道的。

20 世纪发现对称的重要影响的第一个工作是爱因斯坦在1905年做的。1905

年，爱因斯坦在德国（物理学纪事》杂志上发表《论动体的电动力学》论文，提出了狭义相对论。爱因斯坦发表这篇论文的时候并没有用“对称”这个名词。这篇论文里面有很多公式，爱因斯坦并没有认识到这些公式与对称有何关系。两年以后，有个数学家写了一篇文章，指出爱因斯坦的狭义相对论里的那许多公式，用数学的眼光看起来是一个对称的结构。爱因斯坦看了这篇文章以后，才第一次了解到，从数学的角度来看，他所讲的狭义相对论的基本意义就是对称的观念。这个观念后来对于20世纪物理学的发展有决定性的影响。所以说，对称是20 世纪物理学的第二个主旋律是非常正确的

物理学的第三个主旋律：相位因子

相位因子这个观念相比较而言不是那么容易掌握的。这个观念是1918年由一个名叫Weyl 的数学家提出来的。他为什么要提出这个观念呢？原因是爱因斯坦在1916年发表了广义相对论，从某种意义上来说这是1905年狭义相对论的推广。爱因斯坦提出的广义相对论所讨论的是宇宙间一个力量的来源，这个力量就是万有引力。万有引力是牛顿在17世纪最早提出来的，可是爱因斯坦在1916年广义相对论里面说，这个万有引力的本质不是牛顿所讲的，而是一个有集合意义的现象。这是项非常美妙的工作，是爱因斯坦一生又一个重大的贡献。爱因斯坦紧跟着说，有了广义相对论，我们就可以把人类所了解的一个力量，也就是万有引力的来源集合化。然后他说，我们还有另外一个指导物理世界的力量，就是电磁学，电磁学和化学的力量有着同一个来源。

爱因斯坦认为我们当前所要做的一件事情，就是把电磁学集合化，然后跟已经集合化的万有引力结合在一起，这就变成统一场了。这个观念是爱因斯坦终生的理想。今天物理学所要做的最基本的事情，还是要向这个统一场论进军。

这里所说的集合观念来自前面提到过的数学家Weyl 。Weyl比爱因斯坦年轻16岁，那时候他已经是个有名的数学家了，他很喜欢对物理学做一些哲学的探讨。爱因斯坦这篇文章出来以后，他就说要响应爱因斯坦的见解，他引进一个集合的观念，这个集合的观念可以解释电磁学。他的集合观念就是引进了一个因子，他把它叫做相位因子，我把它翻译成拉长因子，把一个东西拉长缩短的拉长。又过了4年，薛定愕在写出“薛定谔方程”以前4年，注意到了Weyl的这篇文章。然后他写了一篇文章，他说他现在发现了一个“Remarkable Pro-porty”一个非常值得惊异的性质，这是个什么性质呢？我想在座的很多同学都会记得，中学物理学里讲了，比如说氢气的电子有一个轨道，这个轨道是量子化的，这是玻尔在1913 年第一个讲出来的。1922年，玻尔的这个轨道就被薛定愕拿过来，围绕着这个轨道来研究拉长因子是多少。他算出来以后，发现拉长因子里面是子指数，他说这件事情具有很奇怪的值得注意的性质。

从今天的眼光看来，薛定谔这篇文章最特殊的一点，不是他所讲的那个特别的性质，而是在他文章的末尾讲了这么一句话，也可以说是一个附加的注解，他说假如你把相位因子改变一下，用另外一种方式写出来的话，那么拉长因子就等于l。这个观念当时很显然是被薛定谔发现了，但他不懂得这是什么意思，也役有再发展下去。为什么没有发展下去？原因是他还是相信拉长因子是一个实数，