安德森论20世纪物理学：上帝原理与物理学的胜利 | 周末读书

　　

　　 20 世纪是物理学的世纪，物理学在20 世纪取得了突破性的进展, 改变了世界以及世界和人们对世界的认识。《20世纪物理学》是由英国物理学会、美国物理学会组织发起, 由各个领域的知名学者（有很多是相关领域的奠基者、诺贝尔奖获得者）执笔撰写，系统总结20 世纪物理学进展的宏篇巨著，其内容涵盖了物理学各个分支学科和相关的应用领域。全书共分3卷27章，最后一章为3位物理学大家对20世纪物理学的综合思考和对新世纪物理学的展望，本文即为其一。

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　　 撰文 菲利普·安德森 （Philip Warren Anderson，1977年诺贝尔物理学奖得主）

　　 翻译 曹则贤 （中国科学院物理研究所研究员）

导言

　　 为这个世纪的物理学撰写一篇哲学意义上的概述是一项相当骇人的任务。可以说，这个世纪科学与技术的历史极大地影响和决定了世界的常规历史以至于不能够从其中剥离出来。物理学派生的影响 [1] 通过以物理为基础的通讯和武备领域的革命决定了本世纪主要战争的结局并主导了战后半个世纪的政治。下一世纪的政治会幸运地专注于科学主导的问题，即人口、能源和全球生态等问题。基于新科学的技术，包括绿色革命、避孕药、对多种疾病日渐增强的控制、电子工业、航空航天、以及计算机的诸多应用，主导了世界的经济和社会形态（关于这一点一个不可多得的参考文献是Pico Ayer的“加德满都的视频时代”）。我也感知到一些科学发现，如分形、混沌、神经网络之类的复杂适应系统等，正为我们准备着一场思维方式革命的种子。撇开这些物理学宽泛的语境不论，我将把目光向内主要集中在检视一下物理学是如何发展和变迁的，看一看世界环境是如何影响物理学与物理学家的，但不讨论我们是如何影响世界的这一非常重要的反馈环节。

　　 即便如此，如何规划我之讨论的结构也让我面临很多选择：是聚焦在如相对论、原子及原子核的结构、量子力学、标准模型、对称性破缺、混沌、大爆炸这样的重大理论发现，还是聚焦在如雷达与真空管、炸弹与裂变、宏观相干性与激光、能带理论与半导体器件、（X射线及中子的）衍射、射电天文学、超导量子干涉器件、干涉仪、核磁共振与磁共振成像、原子显微学、计算机模拟与计算机辅助实验这样的重大技术。另一个关注的焦点是社会历史意义上的：这些发展是如何、何时、经由哪些人、源自怎样的脉络才得以冒出来的。后文我将回来详细探讨各个结构单元，但首先我想先谈谈贯穿本世纪物理学的两个相关论题。

　　

　　 安德森

飞离“常识”

　　 第一个论题是我们的自然观的完全逆转，比我们意料到的要更加普遍的逆转。麦克斯韦，一个十九世纪物理学家的典范，在讨论自己为电磁辐射写下的方程时，是相当严肃地把讨论建立在某种“以太”里出现的、能携带电磁波的物理实体的基础上的。在其奇迹年即1905年，爱因斯坦发现了以太的物理非现实性，但仍然使用非常实在的、经典的“米尺”和“时钟”和“观察者”这样的词汇表述他的狭义相对论。在晚年，爱因斯坦在某种意义上信仰直接感知之世界的真实性和首要性，信仰如他，阿尔伯特·爱因斯坦，所见到的那样的空间和时间。我将表明，一个物理学“进步的世纪”（1932年芝加哥世界博览会的铭文）的结果是，如果一个理论物理学家在1990年代还有此等认识，那他完全可以不必把自己太当回事。

　　 一次又一次地，以许多种且是相当完全结构化了的方式，我们被引导到如下结论：“我们所见的”不是那里存在的真实。我认为，历史上此一革命开始于卢瑟福关于有核原子的发现。固体被发现不是均匀地携带其质量，而是大部分中空的。这不久就为X射线衍射所证实。但是我们关于世界之认知的伟大扭曲是由量子力学引起的――对大多数物理学家来说这仍是一个精神上需要治愈的错位。第一个麻烦是人所周知且得到广泛讨论的测量理论以及不确定性原理 [2] 。但是，尽管不是那么明显，同样重要的是认识到真空是有性质的：如1940年代后期实验――在一场至今还劳烦着我们的关于自然的平静的思维革命中进行的――所验证的那样，它充满涨落，能够为从其中通过的粒子所感受到。这，也许跟测量理论一样，让爱因斯坦在哲学上茫然不知所措：有性质的真空如何是相对论不变的？凝聚态物理学家，那时叫“干固体的”，接受了有性质的真空此一思想并另行用之。利用朗道的“元激发”概念以及海森堡和Peierls“空穴”概念，固体物质获得了真空的面目：激发态如同基本粒子那样传播，除了它们自身之间的相互作用以外没有其它的相互作用。我们处理晶格的量子理论时，把晶格本身当作是某种真空。不久，南部，而后又有Goldstone、Ward、萨拉姆和温伯格，反用此思想，发明了“破缺对称性”的场论版，即也许存在不仅包含涨落而且可能还包含实在的物理量（这种场合下是一量子场）有限平均值这样的真空。这留给物理真空的场论一个与关于真实真空背后的真实理论完全不同的对称性。但在我们能够构造出关于基本粒子和相互作用的成功的“标准模型”之前，一个反直觉的步骤仍然是必要的。这即是量子色动力学非阿贝尔规范的引入，而这又一次使得强相互作用背后的物理同直接的测量完全不同了。当然，从这些巧妙的步骤可得到极大的简单性和一般性，因为只有一种方程，方程里相互作用和对称性都是等价的。标准模型的基本前提是所有的相互作用都遵循规范原理。不清楚我们在二十一世纪走向更高能量时是否还会找到物理概念结构的更大变动。已经有一种严肃的提议了，认为真实的理论不是关于粒子的，而是关于弦的，且没有清晰的统计。

　　 演生 [3] 作为上帝原理 [4]

　　 这段简短的深入哲学结构的愉快之旅告诉我们物理定律的结构无论如何不再可以认定是对应于我们关于世界的直接体验的。用哲学词汇来说是“在所有层面上演生”；从常识得来的关于空间、时间和物质的性质不是其背后理论结构的“真正”性质。当我们逐渐理解它们的时候我们认识到了这一点。这让物理学同常识日益疏远，一种对科学家和公众都可能产生灾难性后果的疏远。物理学初学者在被教导要用牛顿的直觉替代亚里斯多德的常识所遭遇到的相对简单和平凡的对想象之扭曲，同此一直接体验与物理学家关于它的基础理论概念之间的断裂相比起来，简直不值得一提。近代物理学离世俗男女已经非常遥远了。

　　 第二个论题是演生的过程实质上是，在所有层面上，二十世纪物理学结构的关键。这一事实已经被Sylvan Schweber在一篇发表在1993年11月份的Physics Today杂志上的富有洞见的文章加以强调了的。破缺对称性，一种演生的性质，包括1970年代Kadanoff，Widom，Fisher和Wilson曾分类整理过的对称性改变的相变，以及铁磁性和反铁磁性的破缺对称性，还有关键的超流（O.Penrose, 昂萨格和费曼）与超导（BCS,PWA和Gor’kov）的规范破缺对称性，也是固体（近日称为“凝聚态”）物理的中心概念，它展示了宏观尺度上的量子困境。演生也被逐渐理解为生物界和我们人类的社会世界从物理的背景得以发生的过程。若作为活体物质中演化的复杂性之源泉，十九世纪的“热寂说”和“活力说” [5] 看起来不是对不可避免的生命出现（至少是在地球上）――先是原始形态，而后通过形态发生，随着复杂程度的增加达致意识、交流、以及演生出社会复杂性――之合适的描述。二十世纪科学的基本哲学洞见是：我们观察的任何事物都是自更原始的背底上演生出来的，这里用的是“emergent”这个词的精确意思，是指遵从更原始层面的定律，但概念上却不是来自那个层面的结果。分子生物学不违反化学定律，但它包含不是（或许不能够）从那些定律直接推导的思想；核物理学被认为同量子色动力学是不一致的，但它仍未被还原为量子色动力学，等等。

　　 这一层次结构在上述Schweber的文章中被很好地阐述，该文又广泛引用了作者早先（1967－71年间） [6] 的一篇文章。他的结论，如同我的，是标准模型那样的结构或者化学键的定律，哲学上断开了还原主义的链条，且使得深入更深层次的基础定律对于高层次上的组织可以说是没有意义的。Schweber 的文章可看作是对关于超导超级对撞机以及其它主导本世纪最后十年的大型科学工程之哲学辩论的贡献，是对温伯格的《终极理论之梦》和Lederman的《上帝粒子》的反驳。这些书表达了一股对还原主义之重要性和切中主题的强烈信仰。我觉得这看起来有效地表明了在每一个层次上演生这一“上帝原理”，同任何可能的代表在朝向更简单更抽象的关于亚原子粒子内部动力学规律之还原过程中的猜想里程碑的“上帝粒子”相比，更加充斥我们对宇宙的理解。

　　 提及关于超级超导对撞机的辩论是改变话题转而检视物理世界之实用的和社会学的状态的合适机会，因为这场辩论及其产出看起来成了被新闻界称为“物理学时代的终结”之事件状态的符号。

前半世纪与第二次世界大战：

物理学的胜利

　　 二十世纪开始时，西方世界正处于大规模的、不断加快的技术转型的镇痛期。尽管很少有人懂得本世纪头几十年里在内燃机、电力及其应用、无线电与电话通讯、飞行等方面的快速发展背后的那些十九世纪的物理学和化学方面的基本发现，但科学相当普及。头顶光环的科学人物是那些从事实用技术的人们，比如爱迪生、Steinmetz、莱特兄弟、马可尼那样的工程师或朗谬尔那样的化学家。第一次世界大战使得这两种职业被尊敬地看作即便对那个屠戮的行当都是有实用价值的；而对物理学―除了屠杀了许多聪明的年轻人以外―却鲜有影响。（注意到下面一点是有趣的，多少个二十世纪晚期物理学界的重要人物，如魏格纳、泰勒、巴丁等人，都是在此一时期作为工程师、化工专家或者化学家开始其学术训练的）。化学家和工程师也是被工业界最早强力资助的科学工作者。但是，当爱因斯坦的民间英雄的地位被确立后，物理学也开始享受公众的崇拜。对物理学和其它科学的普遍的赞赏足以吸引私人慈善机构对研究的资助，包括：具有崇高声誉的诺贝尔奖，洛克菲勒基金，后来还有其它的一些机构；玻尔、卢瑟福以及其后在更大的规模上密立根和洛伦兹所吸引到的私人捐赠。直到第二次世界大战，对物理学的大量的政府支持是没问题的，如同美国的州立大学对农业科学的支持，或者（在美国；类似的机制也运行在其它地方）通过地质勘查对地质学的支持。物理学那时刚开始需要只有政府才能提供的那种资助。碰巧，在那场大战开始前的十年发生了另一场变革：至少是在美国的一些工业组织（通用公司、美国电话电报公司、美国无线电公司）和一些军工体看到了我们今天称为高技术的无限可能性，开始资助相对来说目标不是太明确的物理和其它科学的研究。1940年以后的雷达和其它技术爆炸的种子就主要是在这些尝试中播下的。

　　 二次世界大战中的事件在西方世界就如何看待物理学和如何资助物理学引起了巨大的变动。我们应该牢记大量的同物理有关的发展是那个战争孕育的：（i）雷达，与之伴随的是在所有相关电子学和通讯领域，如微波技术、固体二极管、信号处理等方面的急速发展（雷达是战争在实用方面的成功，其对盟国取得胜利要比破译密码方面的非同寻常的成功可能贡献更大）；（ii）导弹技术，它几乎是由德国独自发展的，但对战争的结局几乎没有影响；（iii）喷气式飞机以及其它空气动力学方面的发展，战争双方都有贡献，德国的超级但是绝望的努力来得太晚了；（iV）原始的电子计算机，其操作价值为零；（v）核裂变与核聚变。尽管其非常高大的形象，如今天我们所知，它对战争的结局可能只有一些边际效用，但在战后半个世纪却主导了军事谋略。在许多国家核裂变提供了大量的电力。

　　 二战后出现的政府相信科学研究投入对军事实力是至关重要的，经济上是有价值的，交战双方的主要参与国在经济复苏后即建立了国家实验室体系和支持研究型大学科学活动的规划。工业实验室也急剧扩张和增设，尽管在美国大部分的扩张是由政府合同（大多是军事性质的）资助的。物理学是所有这些活动的受益者。在战前此职业的主要职位只是数量相对较小的学术工作，如今变成了确实有成千上万的人考虑在学术机构、国家实验室，私人机构或企业里以物理研究为职业。

　　 有几十年的时光物理学远对得起政府方面的期待。不到三年时间，第一个三极管运行了，是由战前组成但后来专门扩建用于发现半导体器件 [7] 的美国电话电报公司所属贝尔实验室的一个小组发明的。同样快速的是，利用雷达技术的射电天文学此一新学科开始给我们提供观察宇宙的几个新窗口之第一个。通过此一窗口，举其一例，我们如今能看到宇宙创生时的辐射。聚变核弹可怕登场，配合新生的弹道导弹和喷气技术，把世界置于一个可怕的恐惧状态达半世纪之久。这些还只是数目庞大的技术与科学成就中的第一批果实中的几个，它们改变了我们的生活，同样重要的是，也许从根本上改变了我们对世界的理解。新的半导体器件变革了计算机，加上不太可能的囊括了导致激光出现的量子电子学之深化、如复印技术和空间高科技那样的经验性发明、以及像玻璃纤维这样的材料技术的混合，将我们带入了一个全新的、快速演化的世界范围的信息网络。物理学也改变了其它学科，分子生物学发祥于物理系，物理技术激发了板块构造革命。物理学利用计算机辅助断层扫描 [8] 和磁共振成像技术改变了医学诊断，并且还将在这一领域做出更多的成就。

――待续

　　 注释

　　 [1] Ramifications，意为分枝（支）、发叉，以及由此而来的衍生结果或派生影响。原文应兼有这两层意思。－译者注。

　　 [2] 不确定性原理被当作基本原理并在量子力学框架内得到广泛的讨论，这本身是人们对量子力学过度诠释的反映。薛定谔早在1931年就曾推导出关于扩散方程的经典不确定性，因此所谓的不确定性原理并不必然有量子力学的内涵。－译者注。

　　 [3]原文为emergence，动词形式emerge，本意为从流体里冒出来。于渌先生此前将emergent phenomenon译为呈展现象，现认为还是译为演生现象为好。关于emergent phenomenon的讨论近年热了起来，但它绝不是一个新话题。－译者注。

　　 [4] 原文为God Principle， 同终极原理、第一性原理同义，参见“ultimate principle may be called the first principle or God principle。” 注意，不要将“God principle”同“God’s principle”混淆。－译者注。

　　 [5] 原文为法文élan vital,由法国哲学家Henri Bergson 于1907年首创，意指产生生命的冲动, 活力，用以解释有机体的演化和发育。其英文翻译为vitalimpetus 或vital force。 Élan vital被认为是无生命物质中存在因此可以从其中收获的Essence，类似中国古代文化认为的可以从天地汲取的某种精华。－译者注。

　　 [6] 原文如此。－译者注。

　　 [7] 原文为to discover semiconductor devices.－译者注。

　　 [8] 原文为tomography. Tomos指的是切下来的一块，但tomography技术能实现对样品的逐层成像并不需要在样品中先准备断层，而是依赖于Radon变换此一数学工具。Tomography被汉译为断层成像、分层造影等等。有时，汉语里将该技术简称为CT或CT扫描，CT对应的英文为computed tomography。－译者注。

　　 本文原题为《二十世纪物理学的历史概述》， 选自科学出版社出版的《20世纪物理学（3卷本）》第三卷第27章“ 对20世纪物理学的省思：散文三篇 ”。《赛先生》经出版社和译者授权发表。

　　 延伸阅读

　　 ① 对二十世纪物理学的省思――温伯格：关于自然本身 | 周末读书

　　 ② 演生原理与物质世界的层次结构：一种新的自然观

　　 ③ 咖啡杯里的电磁学：从涡旋到电与光的起源

　　 ④ 诺奖得主安德森：我为什么反对超导超级对撞机

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