​（本文首发于《今日科苑》2017年第2期）

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​文/王麟

诺奖物理学家杨振宁教授在他的文章《对科学的美和妙要有鉴赏力》中谈及：“牛顿的运动方程、麦克斯韦方程、爱因斯坦的狭义相对论方程、狄拉克方程、海森伯方程……提炼了几个世纪的实验工作、唯象理论的精髓，达到了科学研究的最高境界。它们以极度浓缩的数学语言写出了物理世界的基本结构，可以说它们是造物者的诗篇。”

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​与之相呼应，华中科技大学物理系教授杨建邺在《物理学之美》这部书中，通过生动详实的物理学里程碑事件、高山仰止的物理学届泰斗、纵横五百年的物理学发展历程，从闪烁着灼灼光华的智慧海洋中，发现了一条通往物理世界理论与结构之美的胜景之路。这条路布满了荆棘与坎坷，也充斥着寂寞与孤独，但更有格物致知之后登临绝顶的狂喜，以及窥探到造物主无穷宝藏从而让智慧和文明大幅提升的“神启”。跋涉在这条胜景之路上的伟大人物，无一不是浩瀚夜空中的璀璨星辰，逐一点亮了探索宇宙世界的星星之火，这些火种，最终成为构建人类文明的基石。

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​春花秋月，风景迤逦，明眸皓齿，顾盼生辉，表现的都是大千世界的外在美，其核心，依旧基于物理世界生生不息的永恒法则的约束。这些法则如果被科学家们发现，就是一组组充满结构美的数学公式，也是一条条令人惊叹且无与伦比的物理定律。面对繁华旖旎的世间万物，很多人无动于衷，认为理所当然，然而，那些在科学险途上一路登攀的智者，则将探索物理世界的规则与结构之美，当成自己毕生的事业。而如何展现科学巨匠们探索未知并发现物理美的过程，图文并茂的《物理学之美》这部书为我们提供了一份满意的答案。

在本书中，杨建邺教授揭示了发现物理世界之美的三个步骤，也是探索未知世界的三个阶段，以及科学家们对事物认知的三个不同的层次。即从最初的实验观测阶段，发展到唯象理论阶段，最终达到理论架构的高度。

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​如果用一个生动的实例来展示这个过程，就需要回到五百多年前科学大厦草创之初。被誉为“星学之王”的丹麦天文学家第谷，自制仪器，用肉眼观察夜空，通过数十年如一日的天文观测，积累了海量的观测数据，这是发现物理学之美的第一阶段。此时，第谷还处于最低层次的实验观测阶段，他看到的只是物理世界的表象，并一丝不苟地记录了下来。

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​第谷数十年积累的天文观测数据，蕴含着改变人类文明进程的秘密，这个秘密最终由德国天文学家开普勒发掘成功，这就是牛顿万有引力定律的基石——开普勒三定律。开普勒利用第谷的观测数据进行研究分析，不断试错，山重水复，最终柳暗花明，这是探索物理学之美的第二阶段——唯象理论阶段。处于这个研究阶段的科学家，已经超越了最初的实验观测阶段，到了阿里巴巴宝库的门口，甚至能够窥见宝藏的点点金光，但是他们距离发现真正的物理世界结构和理论之美还有不小的差距，这是因为他们是作为拓荒者去发现未知，还处于混沌摸索阶段，尚不能用清晰明了、严谨的数学公式来总结自己的研究成果。

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​第谷观察天文，开普勒研究数据，牛顿总结提升到理论高度，最终将宏观宇宙的运转规则通过万有引力公式完全展现，这就进入了科学研究的第三阶段——理论构架阶段。牛顿万有引力定律，就是用清晰严谨的数学语言，将物理世界的规则和秘密告知世人，展现了复杂物理世界的简洁之美。

牛顿的传记作家沙利文在《为科学方法辩护》一文中说道：“由于科学理论的首要宗旨是发现自然中的和谐，所以我们能够一眼看出这些理论必定具有美学上的价值。一个科学理论成就的大小，事实上就在于它的美学价值。因为，给原本是混乱的东西带来多少和谐，是衡量一个科学理论成就的手段之一。”这段话非常贴切地揭示了科学研究与美学发现所能达到的高度，也代表了科学家对自己研究贡献的多寡。

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​“科学的真正主题是世界之美”，法国哲学家韦伊一语道破天机，科学家们研究和探索物理世界的过程，既是一种改造世界的伟大壮举，也是展示物理世界终极之美的一扇窗口。如果我们仔细阅读本书，就会发现作者借助深厚的物理学功底和流畅的语言，将五百年漫长岁月人类探索物理之美的艰辛，一点点展示在读者面前。

发现物理世界之美的道路是如此曲折，让无数科学大师披肝沥胆；探索物理世界之美的道路是如此辉煌，沿途科学巨匠们留下的足迹依旧在熠熠闪光。本书以第谷的天文观察作为开始，以杨振宁教授的规范场理论作为结束。从开普勒根据经验得出的和谐宇宙概念，到上帝让牛顿出生并发现万有引力定律，宏观世界的规则和韵律之美得以揭开神秘面纱。

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​随后，物理学开始了更深层次的研究步伐，热力学两定律的横空出世，奏响了最美的交响乐章，能量守恒定律成了说一不二的宇宙法则。而英国物理学家法拉第发现电磁感应现象，再次步入了唯象理论层次，而天才科学家麦克斯韦则用几个简洁的方程组，就将前辈科学家的成果一网打尽，创建了电磁学的理论大厦，登临理论构架的巅峰。从此之后，物理世界更神秘的大门徐徐开启，宏观和微观的研究道路即将分道扬镳。

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​随着20世纪的来临，科学巨匠爱因斯坦在1905年发表相对论，物理学的理论之美的问题出现了转机。而英国天文学家和数学家邦迪曾经指出：“他（爱因斯坦）深信，美是理论物理学中重要结果的一个指导原则。”实际上，爱因斯坦理论的理性基础就是对“对称性”的威力的深刻理解，使得对称性得以成为现代物理学的明星。而这里所说的“对称性”，也是物理世界之美的一种表现形式。

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​爱因斯坦的相对论开启了牛顿经典力学之外更加广阔的空间，对物理学之美的探寻又进入了一个浩淼广博的境界。而量子力学的创建，打开了微观世界的大门，其中量子力学的奠基人海森伯发现矩阵力学，而狄拉克则发现了比他本人更加聪明的“狄拉克方程”。在这里，海森伯获取成果，是靠着来自物理实验事实的直觉灵感，而狄拉克的成就，则源于他对数学最高境界“结构美”的直觉欣赏。

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​在很多科学家都认为宇称守恒之时，三位华裔科学家杨振宁、李政道和吴健雄则通过理论计算和实验事实，揭示了“宇称不守恒定律”，将物理世界之美的研究推向了另一个极致。“自发性对称破缺”的发现，用铁的事实告诉世人，物理世界的结构之美并非完美无缺。

本书是以全新的视角和思路撰写科学发展史，让读者耳目一新、不忍释卷，对物理学几百年的发展历程有了更加清晰的认识。可以说，本书无论从写作手法、文章架构、还是揭示物理学更深层次的奥秘方面，都达到了很高的层次。

一卷在手，五百年的物理学之美尽在眼前！