最深处|如何倾听宇宙的声音？现代数学帮助揭示其最深处的秘密
古人曾梦想通过纯粹的思考掌握现实的本质，我觉得这完全正确。—阿尔伯特·爱因斯坦，《论理论物理学的方法》，1933
“爱因斯坦是个彻头彻尾的疯子。”年轻、高傲的罗伯特·奥本海默于 1935 年年初造访当时身处普林斯顿的爱因斯坦后，对这位全世界最著名的科学家做出了此番描述。1 当时，爱因斯坦已经为建立一个雄心勃勃的新理论努力了 10 年，而这在奥本海默等人看来，只能说明这位普林斯顿的圣人已经误入歧途。爱因斯坦几乎无视了量子理论在最小尺度上解释物质性质的物理学新进展，而是专心致志地寻找一种宏大的新理论。这个理论的目的并不是解释令人困惑的实验发现，它其实是一种智力上的探索—爱因斯坦试图仅通过数学计算，凭自己的想象就开发出一种理论。虽然这种方法在他的同行中并不流行，但在他开了先河之后，他的一些知名后辈如今已成功将之应用在前沿研究中。
【 最深处|如何倾听宇宙的声音？现代数学帮助揭示其最深处的秘密】奥本海默和当时的许多其他物理学家都觉得爱因斯坦的数学方法注定会失败。这也难怪：毕竟，他的方法似乎违背了过去 250 年来科学研究始终遵循的一条原则—做自然研究应该避免柏拉图等思想家曾坚信的纯思维的方式。当时，大多数人的看法是：物理学家应该通过在现实世界中所做的观测和实验得到的结果，验证他们关于宇宙的理论。这样一来，理论学家就可以避免自欺欺人地夸大自己对自然的认识。
爱因斯坦当然知道自己在干什么。从 20 世纪 20 年代初开始，他就经常提到：经验告诉他，为达到他的主要目标（也就是发现大自然的基础定律），数学策略是最有希望取得进展的方法。他在 1925 年对年轻的 学生埃丝特·萨拉曼（Esther Salaman）说：「我想知道上帝是怎么创造这个世界的。单纯的某个现象或某个元素（的性质）都不能提起我的兴 趣。我感兴趣的是上帝的总体构思，其余的都只是细节。」在他看来， “物理学家的最终任务”就是理解潜藏在整个宇宙运作机制之下的内在秩序—从原子内部微粒的急速振动到外太空星系的剧烈活动。
爱因斯坦认为，在如此多样、复杂的宇宙之下潜藏着一种相对简单的秩序，这个事实本身就是“一个奇迹，或者一个永恒的谜团”。数学为表达这种潜藏的秩序提供了一个十分精确的方式。物理学家和他们的前辈已经掌握了从数学语言出发发现普适定律的能力。这些定律不仅适用于地球上的事物，也适用于宇宙各处的所有事物，从时间的开始一直到最遥远的未来。在这个领域耕耘的理论学家，包括爱因斯坦在内，可能会被认为过分自大（这也在情理之中），但一定不会被认为缺少雄心壮志。
借助数学的潜力发现大自然的新定律成了爱因斯坦的执念。1933 年春天，爱因斯坦在牛津大学向公众做特别演讲时首次公开提出了把数学方法应用到物理研究中去的想法。他的声音不大，却充满自信，他敦促理论学家们不要再通过解释新的实验发现的途径来发现基本定律（传统方法），而要多从数学中汲取灵感。这个方法实在太偏激了，很可能吓到了听众中的物理学家，但如我们所想，当时没人敢站起来公开反对他。爱因斯坦还告诉听众，他已经把刚才说的方法付诸实践了：他正运用数学方法把引力理论和电磁理论结合起来。爱因斯坦相信，他可以通过预测新理论的数学结构来实现这个目标—这两个理论涉及的数学内容可以把它们统一起来。
爱因斯坦很清楚，这种通过数学方法解决问题的策略在很多科学学科中是行不通的，因为那些学科的理论框架通常不是通过数学搭建的。例如，查尔斯·达尔文在用自然选择阐述他的进化论时，根本就没用到数学。同样，当阿尔弗雷德·魏格纳首次描述板块漂移理论时也只是用语言表述的。这类理论的一大潜在缺陷是：语言并不太牢靠—它们的含义模糊不清且容易被误解，而数学概念定义清晰、含义准确，适合用来做逻辑推演和创造性演绎。爱因斯坦认为，数学具有的这些性质是理论物理学家的福音，他们应该充分加以利用。
然而，当时他的同僚中鲜有人认可这个观点，哪怕是爱因斯坦最狂热的崇拜者也对此嗤之以鼻。他的毒舌朋友沃尔夫冈·泡利甚至指责他抛弃了物理学：“我应该恭喜你（或者应该表达哀悼？）成功转向了纯数学领域……为了能让你（现在的）这个理论准时步入坟墓，我就不再刺激你，并让你浪费时间来反驳了。”对于这类评论，爱因斯坦一概置之不理，他只是沿着自己的小径孤独前行，他也没能拿出什么成果来证明这番努力有所收获：他成了现代物理学的堂吉诃德。爱因斯坦于 1955 年逝世后，顶尖物理学家们达成了一个共识：爱因斯坦的这个方法彻底失败了，这表明大家对他的批评并没有错。然而，后来理论物理学的发展证明，这个结论下得太早了。
文章图片
虽然爱因斯坦不应该忽略亚原子层面物质理论的进展，但在某一方面，他还是要比许多批评者更有远见的。20 世纪 70 年代中期，也就是爱因斯坦逝世 20 年后，几位杰出的物理学家追随着他的脚步，试图运用纯思想—以数学为基础—构建扎实但不免有瑕疵的理论。当时， 我还是一名刚入行的研究生，对这种纯粹在脑海中展开研究的策略相当警惕，并且相当确信这条路走不通，最终必将一无所获。对我来说，理论物理学家显然应该让实验发现指引他们前行的道路。这是正统的方法，并且的确在理论物理学家发展亚原子层面的现代理论时立下了汗马功劳。这套理论后来成为粒子物理学的标准模型，那简直就是一个奇迹：标准模型以寥寥数条简单的原理为基础，很快就取代了此前所有想要描述亚原子粒子行为的尝试。这个模型漂亮地解释了每个原子的内在运作机制。当时我还没完全意识到自己有多幸运：我就端坐在大教室的后排，观看这部史诗般的当代物理学戏剧上演。
推荐阅读
- 流感|流感如何应对？听听郑州市九院儿科主任杨平怎么说的
- 蠢萌新闻|《急先锋》成龙的“接棒”杨洋，年轻演员们表现如何？
- 观览天下|一块石头卖到十万，看村民们如何发家致富，你心动了吗？
- 乡村波比|野猪被禁止食用，农村野猪泛滥，糟蹋庄稼，该如何解决？
- 气象卫星|一文读懂风云气象卫星50年如何改变中国，未来两次发射“值得期待”
- 科学|世界3大未解之谜：生命起源、地球内核、宇宙之谜，该如何解释？
- 光速|如何超越光速？｜No.227
- 崇明|如何培养“小生态人”？揭开崇明推进生态教育的“学校密码”
- 颜夕趣史|?40年前，那个站在长城喝可乐的小男孩，他后来如何了？
- 八百壮士|四行仓库战：被“伪造”的八百壮士最后的结局如何？