【會後報導】楊振寧院士主講「美與物理學」

■演講開始前,臺大為楊振寧教授名譽理學博士頒授儀式。楊教授對物理學研究作出重大貢獻,曾經獲得諾貝爾物理學獎,《Physics Teacher》期刊評選史上最傑出18位物理學家之一,對後學的培養上亦不遺餘力,是次演講主題為《美與物理學》,主持人高涌泉教授引述物理學者戴森的話:「楊教授是20世紀繼愛因斯坦與狄拉克之後的卓越風格大師,他對於數學之美的品味讓他能夠把大自然的奧秘看得更深更遠,呈現在其一切的作品之中。」演講在全場一片熱烈掌聲中展開。

_MG_8630撰文|張思遠
攝影|趙揚光

物理學者的研究風格
藝術家有著自己獨特的風格,但對於科學研究,有人覺得跟文藝創作不同,科學是研究事實,實事求是,沒有風格可言,然而,楊教授認為,雖然研究的對象是既定事實,但每位物理工作者的個性各有不同,另外,物理學結構有其美和妙的地方,對於這個結構有著不同的感受,為了詮釋這種感受而產生出自己獨特的研究方向和研究方法,從而形成了自己的風格。

狄拉克與海森伯
1920-1930年代是物理學研究歷史最能呈現個人風格的時代,作為物理學史上重要里程碑的量子力學就誕生在這個時代,狄拉克(Dirac)與海森伯(Heisenberg)對此作出了重大貢獻。

狄拉克在1928年提出狄拉克方程式,奠定了原子分子結構的基礎,但同時帶來了前所未見的負能現象,此後三年間物理學界對此展開激烈討論,由於缺乏論證解釋始終不能被普遍接受,最後狄拉克又在1931年提出前所未見反粒子理論解釋負能現象,嘗試用新理論詮釋新概念,其大膽的作風令當時物理學界為之震撼,但同時引起了更激烈地反彈,冷嘲熱諷不斷,直到次年由物理學家安德森發現了電子的反粒子後,狄拉克的反粒子理論才逐漸得到物理學界認同。

海森伯在1925年發表了一篇文章,描繪了量子力學的發展方向,此後在與玻恩、狄拉克、薛定諤、玻爾等物理學家共同發展與補充,量子力學的整體輪廓才漸漸形成。多年後他回憶這段心路歷程時提到:「爬山的時候,你想爬某個山峰,但往往到處是霧……你有地圖,或別的索引之類的東西,知道你的目的地,但是仍墮入霧中。然後……忽然你模糊地,只在數秒鐘的功夫,自霧中看到一些形象,你說:『哦,這就是我要找的大石。』整個情形自此而發生了突變,因為雖然你仍不知道你能不能爬到那塊大石,但是那一瞬間你說:『我現在知道我在甚麼地方了。我必須爬近那塊大石,然後就知道該如何前進了。』」這番話生動地描述了當年量子力學的研究情況,整個過程有如在霧中摸索方向,投石問路。

_MG_8731物理學與數學
狄拉克個性簡單直接,話雖不多卻每每能夠一語中的,一旦抓住他獨特的邏輯思維軌道,就會發現他的文章有條不紊,清楚流暢,有如秋水一般,不染半點世俗塵埃;相較於狄拉克直截了當的風格,海森伯則是在不斷摸索的過程中尋找前路,引用陸游在《遊山西村》的詩句:「山重水複疑無路,柳暗花明又一村」就再貼切不過了。

兩人一清一濁,風格大相逕庭,除了個性的因素外,主要是因為他們在物理學研究上所專注的內涵有所差異。

物理學研究有三個層次,分別為實驗、唯象理論和理論架構,其中,唯象理論是透過實驗來歸納出物理規律,而理論架構則是解釋物理規律背後的原理原則,唯象理論與理論架構組成理論物理學,數學作為語言工具來表達呈現理論物理學。以經典力學的發現經過為例,布拉赫精確記錄了天文觀測數據,這時還處於實驗階段,後來開普勒憑藉著這份手記,發現行星運動遵循著一定的規律,也就是開普勒三定律,這就是唯象理論,然後牛頓在開普勒三定律的基礎上,建構出牛頓力學定律以及萬有引力理論,形成理論架構,最後牛頓運用了數學工具來描述力學定律;再以電磁學為例,憑藉著庫侖等物理學家對電學和磁學的實驗數據,安培和法拉第分別發展出安培定律以及法拉第電磁感應定律,最後由馬克士威歸納為馬克士威方程,也就是電磁學方程,進入到理論架構範疇。

在量子力學的研究上,狄拉克和海森伯都建構出偉大的理論,但過程中兩人專注的層面卻有所不同,從而形成清濁各異的研究風格。狄拉克專注於理論架構以及數學,數學邏輯簡潔、結構嚴謹之美完全內化到身體之中,形成自己獨有的風格;而數學非海森伯所長,他跟玻爾、薛定諤一樣,從實驗以及唯象理論出發,需要面對晦暗不明的環境,在不斷摸索嘗試中前進,晚年海森伯在自述中也承認了數學能夠完成很多本來認為無法完成的事,在物理學研究上擔當著重要的角色。附帶一提的是,愛因斯坦之所以成就斐然,曠古爍今,就是因為他在唯象理論、理論架構以及數學上都能夠作出重要貢獻,楊教授認為歷史上只有牛頓能夠媲美。

美與物理學
物理學研究的三個層次,每個領域都有著各自的美,彼此之間有著淵源而且循序漸進。小孩子雖然虹霓不分,還是會覺得很漂亮,長大後能夠動手做實驗,測出虹的視角是42度,霓是50度,虹是外紅內紫,霓則是外紫內紅,兩者配合得恰到好處,這就是實驗之美;虹跟霓是水珠對陽光全折射的結果,一次全反射產生虹,二次全反射產生霓,在實驗中測量到的虹和霓的視角可以透過全反射計算得到,這就是唯象理論之美,與實驗相較之下,是更深層次的美,這時候雖然了解到虹和霓的形成過程,但只是知其然,不知其所以然;最後,透過馬克士威方程可以解釋支配著折射及全反射現象背後的原理,這就是理論架構之美,與唯象理論相比之下,這又是更深層次的美。

在物理學的理論架構裡,包括牛頓運動方程、馬克士威方程、愛因斯坦狹義與廣義相對論方程、狄拉克方程、海森伯方程等等,這些方程式所描述的內涵,空間上可以大至星雲群,小至基本粒子內部,時間上能夠長達一百億年,短至10的負28次方秒,只是基本的理論架構卻能夠解釋世間種種物理現象,而且隨著物理學的發展,產生新的解讀,被賦予全新的意義,甚至連方程式創造者自己也沒有意料到的,這無疑是造物者的詩篇。物理學之美在於能夠精確描述複雜變化的現象,用詩人的語言沒有辦法充分描述在過程中的那份莊嚴感、神聖感、初窺宇宙奧秘的畏懼感,以及籌建哥德式教堂的建築師們所要歌頌的崇高美、靈魂美、宗教美與最終極的美。

 

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