天气早知道|如何倾听宇宙的声音？现代数学匡助揭示其最深处的秘密( 三 )
数学和物理学的交织好像证实了物理学家保罗·狄拉克在 20 世纪 30 年代表达的观点 。 狄拉克有时被称为“理论学家的理论学家” 。 狄拉克以为 ， 基础物理学是通过越来越能体现数学之美的理论取得进展的 。 这个趋势让他确信—“从信念的态度上说 ， 而非逻辑”—物理学家 应该始终致力于寻找体现数学之美的例子 。 不难看出这对于弦论学家来说有着特殊的吸引力：他们的理论到处都蕴含着数学之美 ， 因此 ， 根据狄拉克的思路 ， 这个理论当然是前途光明的 。
弦论的盛行给现代基础物理学添上了浓厚的数学色彩 。 迈克尔·阿 蒂亚（Michael Atiyah）这位在职业生涯后期把研究重心转向理论物理学的杰出数学家 ， 后来煽动性地写道：“数学接管了物理学 。 ”不外 ， 一些物理学家看到很多才华横溢的同事研究深奥的数学理论 ， 而其中有很多无法验证 ， 对此颇感沮丧 。 2014 年 ， 美国实验物理学家伯顿·里克特（Burton Richter）直言不讳地总结了他对这种趋势的担忧：“现在看来 ， 物理学理论的基础很快将不再是现实世界中的真实实验了 ， 而是理论学家脑海中的想象实验 。 ”这种趋势的后果可能是灾难性的 ， 里克特忧心忡忡地表示：“到那时 ， 理论学家们的灵感只能来自数学 ， 而不是新的观测结果 。 在我看来 ， 那就是我们现在所理解的基础物理学研究的宅兆 。 ”
对现代理论物理学现状的失望甚至成了一个公家热议的话题 。 在过去的大约 10 年里 ， 数位颇有影响力的评论者把矛头指向了弦论 ， 称其为“神话物理学”“连错都算不上” ， 并指责这一代理论物理学家“迷失在数学中” 。 现在 ， 我们经常能在媒体上 ， 尤其是博客圈里听到一些批评意见 ， 埋怨说现代物理学应该回到真实科学那条笔挺且狭窄的道路上 。
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这种观点是错误的 ， 并且体现了不必要的悲观情绪 。 我在本书中想要表达的是 ， 如今的理论物理学家实在正走在一条完全公道且极有远景的平坦大路上 。 他们使用的方法在逻辑性和创造性上汲取了自艾萨克·牛顿以来数个世纪的物理学成果 。 牛顿建立了描述运动和引力的数学定律 ， 就构建第一个以数学为基础且可通过实验验证的描述真实世界的框架来说 ， 他的贡献比任何人都要大 。 牛顿清晰地阐明 ， 物理学的长远目标是通过越来越少的概念把握越来越多的宇宙知识 。 如今的顶尖物理学家正坚定地站在 20 世纪的两块基石上 ， 朝着这个目标不懈努力 。 这两块基石恰是爱因斯坦的基础相对论和量子力学 。 前者是对牛顿时空观的修正 ， 后者则描述了最小标准上物质的行为 。 没有任何实验能够证伪这两个理论中的任何一个 ， 因此 ， 它们构成了物理学研究的完美基石 。
爱因斯坦常常说 ， 量子力学和基础相对论很难融合到一起 ， 但物理学家终极仍是把它们结合成了一个理论 。 这个理论做出了非常成功的猜测 ， 在某个实例中与相应实验丈量结果小数点后的 11 位相符 。 大自然好像在清晰且大声地告诉我们 ， 这两个理论都应得到尊重 。 今天的物理学家恰是在这一成就的基础上展开工作的 ， 他们坚持以为任何以普适性为目标的新理论都必需与基础相对论和量子力学相匹配 。 这种坚持造成了出人意料的结果：不仅催生了物理学的新进展（其中包括弦论） ， 而且促使物理学与前沿数学之间产生了诸多联系 。 物理学与数学互相交织的画面从没有像现在这样清楚：基础物理学中的新概念启迪了数学中的新概念 ， 反过来也是一样 。 恰是出于这个原因 ， 很多顶尖物理学家相信 ， 他们不仅能够从实验中学到东西 ， 还能从相对论和量子力学交汇时产生的数学结构中得到启发 。
上文节选自中信出版·鹦鹉螺《物理世界的数学奇迹》,[遇见]已获授权.
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