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中國

可畏的對稱——自然設計的終極之美

media 徐一鴻在巴黎自由談沙龍開講。 胡嘉興 攝

正值美籍華裔物理學家、科普大師徐一鴻先生(A. Zee,阿熱)受法國政府之邀,擔任本年度帕斯卡(pascal)講座訪問教授,在巴黎高等師範學院(Ecole Normale Supérieure)和理論物理所(The Institut de Physique Théorique in Saclay)講學之際,巴黎「自由談」沙龍於月前榮幸邀請一鴻先生蒞臨演講,題目是:「可畏的對稱――追尋現代物理學之美」,其焦點是關於對稱,統一的 審美觀――“這正是基礎物理學家看待大自然的觀點”(徐一鴻語,下同)。


可畏的對稱  自然設計的終極之美:科學家徐一鴻在巴黎「自由談」沙龍演講紀要

作者 安琪

 

 

徐一鴻先生的代表作「可畏的對稱」,問世30年來,歷久不衰,猶如智慧的箭頭,穿越時空,在歐美、亞洲各國得到業界人士和讀者的高度評價和喜愛,引 起人們仰望星空,“了解造物主的思想”(愛因斯坦語)、探尋美的熱望。在當下這個一切都如閃電般快速生滅遞減的網絡世界,這實在是值得慶賀的!

諾貝爾物理學獎得主李政道先生稱「可畏的對稱」為“卓越的表達,傑出的成就”。他說:“作為著名物理學家和富於寫作技巧的作家,徐一鴻講述了現今的 理論物理學在追求自然的美和單純性的過程中如何追隨愛因斯坦的動人故事。本書以一種崇高和欣賞的心情描述了20世紀物理學的偉大進展和成就。我們懷着敬畏 站在近代物理的無際的視野之前――這是人在智慧歷史中最偉大的篇章之一。”

接踵而來的,是一鴻先生應邀在世界多國演講。對他來說,尤以登上美國、德國、加拿大、印度等地的文學和藝術學院的殿堂最讓他感到驕傲。

對稱,是探尋美和智慧的原則
徐一鴻先生祖籍上海,1945年生於昆明。他家學淵源,自小隨父母四處遷徙,遊歷於中西文化文明之中,養成了他的廣泛興趣和好奇心。

一鴻先生早年求學美國普林斯頓大學,1970年獲哈佛大學博士學位。現為美國藝術科學院院士,加州大學教授,美國國家理論物理研究所永久資深研究員,是迄今為止唯一獲此資格的華裔科學家。

作為物理學界的傳奇人物,徐一鴻先生的研究領域十分寬廣。他的格言是:做一個在各個領域都有貢獻的科學家,而不是做一個狹窄領域的專家。“我的整個 學術生涯都在強調物理普適性(universality of physics),很多概念都可以跨領域地應用”。自1972年尋找漸近自由 (asymptotic freedom) 性質的量子場論研究方向至今,他在物理學專業的多個領域都做出了傑出而具有先驅意義的貢獻。

與此同時,一鴻先生數十年來孜孜不倦地從事教科書和科普著作的寫作,成就赫然。他認為, “你為什麼要看科普書,就好比說你為什麼要看文學書,要聽音樂。”而他本人,早在普林斯頓大學就讀時,一半時間主修物理,一半時間則用來主修藝術史。他的 科普著作《可畏的對稱》、《愛因斯坦的宇宙》(原名《老人的玩具》)、《吞雲》等,從基礎物理學的美學原理出發,涵蓋了天文地理,文學藝術,音樂舞蹈、建 築設計等多種元素,行文幽默風趣,睿智嚴謹,有很強的知識性和思辨性,從中可看出其深厚的文化底蘊和文學造詣。

「可畏的對稱」,書名源自英國18世紀首位浪漫主義詩人、版畫家威廉.布萊克(William Blake,1757年11月-1827年8月)的詩作《老虎》:

老虎,老虎,燃燒的老虎
在這個森林的夜晚里,
是什麼不朽的手或眼,
構成了你可畏的對稱

這裡寓意,在入夜的森林裡,燃燒的老虎,引領物理學家探尋自然設計的終極之美。

「可畏的对称」封面之“燃烧的虎” 胡嘉兴 摄

是日,一鴻先生身着虎圖外套,神采獨具。他開場直白:對稱是物理的基本概念,是跨領域的,在藝術、音樂、舞蹈、物理、數學之中,隨處可見。“我在這 里不是解釋物理,而是告訴大家,為什麼包括我在內的物理學家要做物理――我更有興趣向讀者傳達的是,基礎物理學在智能上的大架構,而不是事實陳述的內容。 愛因斯坦曾經說過: ‘我想要知道上帝是如何創造這個世界 。我對這個或那個現象都不感興趣。我想要知道造物主的思想,其他的都是細節。’”

一鴻先生坦言自己非常傾心於愛因斯坦的這個感想。在他看來,“當絕大部分的當代物理學家從事於解釋具體現象之際(且理當如此),僅一個小群組――愛 因斯坦的卓識後代,變得更加雄心抱負。他們走進了入夜的森林,探尋大自然的基礎設計,而且,他們以無限的傲慢之姿,聲稱已經驚鴻一瞥了――對稱,即是引領 該探尋的基本原則。”

“回家的路上沒有方向”

一鴻先生指出,物理學家所說的美,“是講幾何的樸素的美,一種非常嚴格的對稱。”他說:在基礎物理學裡, “美”跟“真” 絕對是有很大關聯的。“如果我得到了一個很醜陋的終極理論,我就會覺得不太對”。

面對與科學“隔行如隔山”的人文學人和藝術家,一鴻先生首先澄清中國人的一些模糊認識,如科學與技術不分(誤稱為“科技”)、對稱與相對論不分、數學與物理相混等。同時他以淺顯易懂的語言,為我們梳理幾個基本概念:

內在對稱與外在對稱:一鴻先生強調,一定要區分內在對稱與外在對稱,這是他當年在哈佛讀博士時的最大收穫。古希臘人很偉大,但是犯了一個嚴重的概念 性錯誤,就是將內在對稱與外在對稱混在一起。受其影響,埃及、巴比侖文化對此都沒有區分,認為行星的軌道是圓的,是完美,而實際上是橢圓的。

空間對稱(又稱時空對稱):就是左右與上下,是愛因斯坦將時空引入對稱。一鴻先生認為,愛因斯坦的狹義相對論(special relativity,1905年),“使我們對時間和空間的認識發 生了一場革命,第一次發現了大自然中隱藏的對稱性。”

在此,一鴻先生引述宋朝詩人陳與義《襄邑道中》一詩,來加以闡釋。詩曰:

飛花兩岸照船紅,
百里榆堤半日風。
卧看滿天雲不動,
不知雲與我俱東。

這裡是說兩個人沒有辦法確定誰在動,誰不在動。理論物理學家的結論是:物理的定律可以完全對稱,但定律的外在表現就不完全對稱。基礎物理學家“感興 趣的是物理定律的對稱性,而不是具體物體的對稱性。”牛頓力學方程式沒有物理之美,只是愛因斯坦力學的“近似”。蘋果不是掉下來的,而是“落向地心”。創 造宇宙的人沒有上下這個概念,而是所謂軸向對稱(或旋轉對稱)。如同美國著名搖滾樂歌手、2016年諾貝爾文學獎得主鮑勃.迪倫(Bob.Dylan)的 歌詞所說:回家的路上沒有方向。

自動的破壞:愛因斯坦有句名言,如果他是創造世界的,他會不會把世界創造成這樣?一鴻先生請大家設想,如果你是創造宇宙的,你會面對一個不可能的任 務:一方面做成一個很有趣的東西,另一方面,如果設計不完全對稱,會被物理學家稱為沒有對稱,沒有美。問題是,對稱跟動力是相反的,藝術上完全對稱就很不 美。例如建築物的頂,從正方形到八角形,最上面又是圓的,越來越對稱。例如鏡像的物質與反物質、雙龍圖。再如齊白石的印刻、中國民間的客家村落、長篇小說 「尤利西斯」等等。藝術家有感悟,不可能完全對稱,這就是物理學上所稱的不完美的審美觀。

到達涅磐的“八正道”
“基礎物理學的雄心在於用一個基礎定律來代替為數眾多的唯象定律,以達到對自然的統一描述。”一鴻先生說,在這方面,20世紀的物理學家,發揮了極大的作用。

德國物理學家海森堡(Werner Karl Heisenberg,1901年12月5日 1976年2月1日),於1930年代提出的同位旋概念(“質子-中子”的轉動),是繼愛因斯坦之後一個里 程碑式的發現。他論證了愛因斯坦的理論,推斷出隱藏在大自然設計中的對稱性,提出“破裂的對稱”概念。

受海森堡的影響,產生了李政道、楊振寧“左右不對稱”的重要發現,從而獲得1956年諾貝爾物理學獎。值得一提的是,這項實驗是被譽為“中國的居里 夫人”、傑出的美國物理學家吳健雄(Chien-Shiung Wu,1912年5月31日-1997年2月16日)女士做的,自此,顛覆了由實驗產生理論的邏輯。吳健雄這位生於清末江蘇太倉一個開明書香世家的奇女 子,她的研究領域及成就,即便在美國物理學界,也屬鳳毛麟角。一鴻先生有幸與吳健雄女士相識並進行過訪談,他不無敬佩地回憶:“吳女士精力旺盛、容貌美 麗、儀態華貴。她給人的形象就是人們對一位首席實驗原子核物理學家所有的完全學究化的形象”。有個小插曲,至今印象深刻:有人問吳女士在中國這個男尊女卑 的社會,是否經歷過不平等待遇?吳女士笑答:在中國完全沒有,但在美國就有。“可見,那個時代,中國的另一面也是很開放的”。一鴻先生感嘆道,欣悅之情, 溢於言表。

今年四月中旬,一鴻先生應以色列特拉維夫大學(Tel Aviv University)邀請,在物理學家尼曼(Y.Neemann,1925-2006)年度紀念會上演講。尼曼不僅是傑出的物理學家,也是著名的以色列 外交官。1960年代,尼曼和美國天才物理學家默里·蓋爾曼(Murray Gell-Mann,生於1929年9月15日)獨立提出了夸克(Quark)模型,建立3x3-1=8的方程式(意即“8”可以轉來轉去),並效彷彿教 到達涅磐的“八正道”(即:正見、正思惟、正語、正業、正命、正精進、正念、正定),命名為“八正法”,由此榮獲1969年度諾貝爾物理學獎。

這就是“群論”概念在對稱上的應用。所謂高等物理,就是越來越簡單,越來越統一。中國剪紙和對聯就是很好的例子,看見一邊,便知道另一邊,而中國藝術中的對聯文化則是西方文化中所沒有的。

此外,由對稱所延伸的探討還有,“要有光,為什麼有光?”、“尋找自由”、“時間的反演”等。

一鴻先生的沙龍演講,配有上百幅珍貴圖片同步播出,豐富通達,生動有趣。先生旁徵博引,激情四射,談吐間僵化的思維定勢灰飛煙滅。原本40分鐘的演 講,延長到一個多小時。互動討論階段,一鴻先生的問答反應,睿智坦白,言辭犀利簡潔,極具穿透力。諸如線性時間在物理學裡可否用其它方式來構想?海森堡 “詩一樣的理論”,是否可以帶入文學?如果說對稱是上帝創造宇宙的一個法則,那麼以人為尺度的對稱,是不是可以成為我們創造人類自己的一個法則等等。

燃燒的猛虎變得生動和有人性

一個有趣的現象是,「可畏的對稱」一書,在各種文字、版本的翻譯中,體現出不同文明、文化觀念的深層碰撞。例如徐一鴻先生從著名物理學家魏格納 (E. P. Wigner,1902年11月17日-1995年1月1日)的論文「數學在物理科學上不合理的效用」中得到靈感,思考為什麼是“不合理的效用”,著文 「對稱在物理學上不合理的效用」。正是這個“不合理”,開啟了另一扇窗。然而,台灣版的中文譯本則將“不合理”刪去了!譯者潛意識中是否受孔子儒家的影 響,想當然地認為不會“不合理”,而有意忽略了這個關鍵詞呢?不得而知。

這種文化差異,同樣體現在標題和封面上。如日本、韓國、德國,標題從最早的“可怕的對稱”,譯成現在的“可畏的對稱”,一字之差,後者顯然更符合原 意。封面設計“燃燒的老虎”,因了審美差異或其它,也是變化多端,各顯其妙。比如台灣版,愛因斯坦與“燃燒的虎”同時出現在封面上,似乎可以堵住動物保護 主義者的責難,愛因斯坦成了“護虎符”。另外,各種版本的“盜版”,在某種程度上似乎比正版更尊重原著。凡此種種,不一而足。

問題在於:“科學能否解釋生命,也就是說,在理性思維的範圍之外,是否存在一個‘生命力’。人類意識是否僅僅是 一束神經彼此交換電磁脈衝?能思維的人腦是否僅僅是夸克、膠子和輕子的集合? ”一鴻先生不這樣認為。他說:“作為物理學家,我沒有足夠的 傲慢認為物理是無所不包的。當他設定世界的對稱作用量時,他在裡面看到人類意識了嗎?意識是作用量的一部分嗎?或者它是在對稱作用量範圍之外?”在此,一 鴻先生講述了一則頗具寓意的“漁村故事”:著名英國天體物理學家愛丁頓爵士(Arthur Stanley Eddington, 1882年12月28日-1944年11月22日),晚年曾被一個奇怪的念頭所困擾,他這樣形容:“在海邊的一個小漁村裡,一個愛好科學的漁民提 出這樣一條關於海的定律,即所有的魚都比 1 英寸長。但他沒有認識到,村裡 所有的漁網的網眼全是 1 英寸的。” ――那麼,物理現實在從我們的網中逃遁嗎?我們的網能抓住意識嗎?科學家的思考與追問,意味深長。

一鸿先生与沙龙朋友合影,右三为他的夫人家纬女士。 胡嘉兴 摄

近距離聆聽大師幽默精闢、觸類旁通的精彩演講,我們這些所謂“有知識的外行”,受益匪淺,敬畏油然。首次參加「自由談」沙龍的特邀嘉賓、巴黎索邦大 學文學博士徐磊先生對主持人說:徐教授所講述的一些理論已升華為跨領域的準則,在引發我極大興趣之餘,更可作為個人研究的借鑒。普林斯頓大學藝術和考古學 講座教授約翰.儒波特.馬丁曾說:“對如我一樣從未接觸過近代理論物理的外行來說,徐一鴻的書,就如一盞明燈。我發現,一旦把握住‘將對稱作為美和智慧的 原則’的概念,在他引導下也能知曉過去我一無所知的宇宙設計方面的一些知識。”對此,大家深感共鳴。

感謝一鴻先生,在芸芸眾生中,避免陷入“這個跟那個現象”,而將探尋“造物主的思想”作為“天職”,才有了極具啟蒙意義的傳世之作「可畏的對稱」。 李政道先生稱該著“以最易理解的、最生動的方式講述近代物理和當代物理學家的故事。它使‘可畏’的對稱性變得簡單和易懂,使燃燒的猛虎變得生動和有人 性”――這是科學家對科學家最純粹而深情的致敬!

愛因斯坦在「我的信仰」中說:“我們所能有的最美好的經驗是奧秘的經驗。它是堅守在真正藝術和真正科學發源地上的基本感情。”在巴黎「自由談」沙龍 進入21周年(1996-2017)之時,一鴻先生的開篇演講,與我們分享和傳遞了他作為堅定守望者的經驗和感情,可謂彌足珍貴!

2017年5月於巴黎三昧聊齋

參考資料:

「可謂的對稱」(作者:徐一鴻,清華大學出版社2013年第2版)。

「時間反演與自轉的電子」(作者:徐一鴻,「賽先生」2016年12月12日“當阿熱遇見賽先生”專欄)

「專訪徐一鴻:從物理大家到科普大師」(作者:許岑珂,「賽先生」2016年11月7日)

(香港「前哨」7月號首發)


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