张朝阳对话物理学家徐一鸿：漫谈物理学的发展与未来

近日，搜狐创始人、董事局主席兼首席执行官、物理学博士张朝阳，和著名物理学家、德国洪堡研究奖获得者、美国艺术与科学院院士徐一鸿（Anthony Zee）展开了一场物理对谈。两人一同梳理了物理学追求“统一”的核心发展脉络，揭示了关键历史理论背后的深刻洞见与经验教训，更着重强调了物理直觉与实践探索在研究中的核心地位。

两人向青年物理学子传递了明确信息：物理学的未来掌握在年轻一代手中，要勇于创新和简化现有理论。徐一鸿强调，物理学的每一次重大突破都依赖新一代学者发展新的符号体系和数学工具，“这取决于你们（年轻人）”。 张朝阳分享了自己在理解广义相对论张量符号时，通过动手计算获得突破的经历，也鼓励年轻人大胆尝试，边学边做，动手实践才是关键。

以下为对话全文（有删减）：

经典物理学的统一之路

张朝阳：我们从牛顿力学到相对论、量子力学和量子场论，可以说这个发展历程充满了统一的过程，比如牛顿万有引力定律统一了开普勒的天文观测数据，麦克斯韦统一了电和磁，相对论解决了电磁学与牛顿时空观的矛盾，而量子场论是在相对论时空观上建立的量子理论。你可以讲讲这些理论发展史中的统一之路吗？

徐一鸿：可以说，统一的理念在物理学很早期就有了，并不是到近代才有。在某种意义上可以说，物理学起源于牛顿统一了天上的力学和地上的力学。

在牛顿之前，人们认为天上和地上遵循两套不同的运转机制。牛顿的伟大成就之一，就是意识到月亮其实在下坠。他通过观察苹果的下落，联想到月亮的运动，从而将促使这些运动的“力”统一为万有引力。这是物理学上的第一次伟大统一。人们也因此不得不放弃地平说——否则月亮会撞到地面上。

张朝阳：所以在牛顿时代，人们就已经确定地球是球状的了？

徐一鸿：是的。我认为一些古希腊人早就认识到了这一点，他们甚至还估算出了地球的半径。一旦意识到地球是球形的，宗教徒们就会担心一个问题——地狱在哪里呢？因为在地平说的世界里，可以简单地声称天堂在天上，地狱在地下。现在只能说，地狱可能在地心。人们看到火山喷发或者地震，也会说这是从地狱泄露出来的怒火。

当时还有件有趣的事情，人们对地球密度和月球密度做了测量，测量过程出了些问题，导致人们发现地球的密度远小于月球，就称地心可能是空心的，也就是“地球空洞说”。所以这也算给我们上了一课，即实验结果总是有可能出错的，拿实验检验理论的时候要小心。

张朝阳：看来有些时候也要坚持自己的理论。另外我一直在想，电和磁是硬币的两面，没错吧？它们都是狭义相对论的结果。

徐一鸿：没错。我们现在知道磁场来自移动的电荷。

张朝阳：还有个很有意思的事，19世纪人们就写下了麦克斯韦方程组，这时候就已经揭示了电磁学和牛顿时空观是矛盾的了。

徐一鸿：是的。这两者的冲突最终导致爱因斯坦提出新的时空观。当然其实有人在爱因斯坦之前就提出了新的时空观，但真正从这个冲突中发现新物理的还是爱因斯坦。

张朝阳：我认为麦克斯韦本人就有可能完成这件事。可惜他活得不长。

徐一鸿：是的，他只活了48岁。牛顿和爱因斯坦的寿命都比他长。

张朝阳：还有一件事。麦克斯韦时代没有成熟的矢量微积分，所以他写下的方程组并不是4条，而是20多条。

徐一鸿：是的，这也是我的另一个观点。麦克斯韦当时没有意识到电磁学与牛顿时空观的冲突，很可能是当时的符号太复杂了。现在我们学麦克斯韦方程组只有4条，这得多亏赫维赛德（Heaviside），他是第一个以现代形式写下麦克斯韦方程组的人，大概是1884年，比麦克斯韦晚了约20年。值得跟大家讲的是，赫维赛德的成长环境很贫困，他没有上过大学，他都是自学的。

张朝阳：那么矢量微积分是谁发明的呢？

徐一鸿：这里面有很多人的贡献，肯定有牛顿。

张朝阳：应该还有斯托克斯（Stokes）。

徐一鸿：还有吉布斯（Gibbs），他在耶鲁大学期间做了这方面的研究。另外说一句，很多人说第一个在物理学有杰出贡献的美国人是约瑟夫·亨利（Joseph Henry），但他是在欧洲发现电感的。相比之下，吉布斯是真正在美国做出那些工作的，包括统计物理学和热力学。

张朝阳：是的，吉布斯自由能。但我没想到他对矢量微积分还有贡献。说回电磁学，可以说麦克斯韦方程组里就藏着洛伦兹不变性，这与牛顿力学完全矛盾了。

徐一鸿：我也经常说麦克斯韦方程组里藏着两个奥秘，它们都推动了20世纪物理学的发展。遗憾的是，由于当时符号系统的不完善，这些奥秘被长时间忽视了。第一个就是你刚刚提到的洛伦兹不变性，另一个就是规范不变性。

规范不变性在本科教学阶段经常被省略。但如果稍加注意你就会发现，麦克斯韦方程组中的两条是无源的，另外两条是有源的，包含了电荷和电流。其实无源的那两条方程就藏着规范不变性。在19世纪，人们意识到电场E和磁场B可以用标势和矢势A表达出来，但那时候人们只是将它当成辅助量来用，甚至有人认为它是“数学垃圾”，其中就包括赫维赛德。当然我不是历史学家，我没有亲自做过调研，不过我认为学生们应该多了解这些历史。

历史上很少有人注意到无源的电磁场方程有多奇怪。正是“·B=0”启发了我们引入矢势，“×E+∂B/∂t=0”启发我们引入标势。这与电荷怎样分布以及电荷怎样运动无关，是电磁场本身的内禀约束。赫维赛德认为，这意味着E和B才是更根本的，和A应当被扫进历史的垃圾堆里。实验学家们也更青睐E和B，因为这是能直接测得的量。理论学家当然不关心这个，他们喜欢引入新的概念，而不在乎能不能直接测量。不过在量子力学中，电磁场只能以和A的形式考虑进薛定谔方程中，你没法用E和B写下等价的方程，量子场论也是如此，所以现在人们更关心和A应该具有怎样的性质，也就是规范不变性。

张朝阳：是啊，这太重要了，我刚刚才从你这学到了这个知识。

徐一鸿：没错。如果你能在1954年理解这些，你就可以自己写出杨-米尔斯规范场论了。

从量子力学到量子场论

张朝阳：量子力学早期还是建立在牛顿时空观上的，比如薛定谔方程就是波函数对时间的一阶偏导数，这其实还是牛顿力学式的框架。当然薛定谔一开始也想写下相对论性的波动方程。

徐一鸿：薛定谔一开始就写下了克莱因-戈登（Klein-Gordon）方程。事实上，当时有八九个人写下了一模一样的方程。但薛定谔意识到，当时要紧的问题是求解氢原子光谱，而在氢原子中，电子的运动速度应当是很慢的，所以非相对论性的波动方程就足够了。海森堡听说薛定谔写下波动方程后非常失落，因为人们只熟悉偏微分方程，而不熟悉矩阵运算。海森堡担心自己的矩阵力学无人问津，从而找不到工作。然而事实上，矩阵力学被广泛接受，他也成了20世纪最伟大的物理学家之一。

关于海森堡有一个故事。有一次他得了流感去黑尔戈兰岛隔离休养。康复回来后，他就对人说，如果你想寻找些灵感的话，你可以看看海，海代表着无限。这就是为什么加州大学圣塔芭芭拉分校的理论物理系是靠海而建的。我的办公室和我的家都是朝着大海的。

张朝阳：海森堡的理论后来也被证明和薛定谔的波动力学等价。

徐一鸿：是的，被狄拉克证明了。

张朝阳：关于量子力学，我认为它和经典力学最大的不同就是它是离散的，比如束缚态有分立的能级。你是怎么认为的呢？

徐一鸿：你说得很对。最开始我们就是为了解释氢原子的分立光谱才去发展量子力学。

张朝阳：有了量子力学和相对论，接下来就该进入量子场论了。跟我们介绍一下量子场论吧。

徐一鸿：量子场论是我们目前最成功的理论之一，用它算出的电子反常磁矩和实验值在小数点后9位都是相吻合的。量子场论的发展速度很快，还在量子力学和弦论之间架起了一座桥梁。从狭义相对论到广义相对论隔了十年，而从量子力学到量子场论也就五年时间，比如1928年狄拉克就提出了描述电子的相对论性运动方程。不过后来研究被二战打断了，费曼和施温格都称，自己最高产的年龄被用在了研究核物理和雷达上。

张朝阳：我听说海森堡当时想从美国回到德国工作，费米就去劝他别回去了，留在美国躲避战乱更好。但海森堡还是回去了。费米也是个伟大的物理学家，既精通理论又擅长实验。

徐一鸿：是的。不过我想说明一点，现在大家在学校学习量子跃迁，计算跃迁概率会用到“费米黄金规则”。不过费米的原始论文是关于弱相互作用的，在那里引入了一个所谓的“黄金规则”，所以我觉得“费米黄金规则”这个名字是被误用了。事实上，关于量子跃迁的公式最早是由狄拉克给出的。我曾经和一个博士后聊到“费米黄金规则”，他告诉我他也有一个“黄金规则”，就是“谁有黄金，谁就是规则”。

张朝阳：提到费米，我就想到你写过《物理夜航船》，专门讲猜算的。费米在第一颗原子弹爆炸时，在冲击波到来的那一刻洒下一把纸片，通过纸片的水平位移估算了爆炸当量。你还在二十年前写过《Quantum Field Theory in a Nutshell》，它和最近出版的《Quantum Field Theory, as Simple as Possible》有什么区别吗？

徐一鸿：二十年前那本是教科书。普林斯顿大学出版社的主编告诉我，你也许应该给介于大众和学生之间的那一拨人再写一本书。这些人已经阅读了一定的科普书，但又没有足够的基础去读教科书。在科普书和教科书之间确实存在一个空档。

张朝阳：没错，这也是我对《张朝阳的物理课》的定位。

爱因斯坦的“相对论”

和“不变论”

徐一鸿：我还写过一本教科书《Einstein gravity in a Nutshell》。为什么我不在书名上写relativity呢？因为爱因斯坦其实不喜欢“相对论”这个名字。在爱因斯坦的原始论文中并没有出现这个名字。

张朝阳：是的。原始论文是《On the Electrodynamics of Moving Bodies（论动体的电动力学）》。

徐一鸿：相对论这个名字其实是德国人Alfred Bucherer发明的，他当时只是想模仿爱因斯坦的原文来嘲讽这个理论。事实上，爱因斯坦的本意应该是强调不同参考系下什么量才是不变的，这样来看叫“不变论”也许更合适。爱因斯坦晚年就很后悔，因为“相对论”这个名字带来了太多的误会，以至于引得很多哲学家也找上了门。

我自己也曾被哲学家找上来，说我们物理学家证明了真理是相对的，没有绝对真理。但事实恰恰相反！这个名字太容易引发误解了，要真正理解它，你得先想象有两个相对运动的观测者，他们在观察相同的事件时，尽管看起来可能不一样，但他们是能达成共识的。物理学家们追寻的正是不同观测者所能看到的不变量。

张朝阳：这就是为什么广义相对论中需要用张量表达物理量，它的分量在不同参考系下是协变的。

徐一鸿：爱因斯坦还预言了光线会被太阳偏折。有些人就声称爱因斯坦偷了一个德国人索尔纳（Soldner）的点子。不过搞笑的是，索尔纳是把光线当成有质量的粒子束用牛顿引力来算的，而牛顿早就做过这个计算了，他只不过是重复了一遍而已。而爱因斯坦计算出的偏折角比牛顿理论给出的结果多了一倍。

所以我在我的书里写道，如果德国人是对的，那么爱因斯坦就好像是一个盗贼进入了博物馆，没有把名画偷走，而是进入了礼品店把名画的复制品偷走了。可见这有多荒谬。

张朝阳：没错，我即将出版的《张朝阳的物理课（第四卷）》就计算了这个偏折角，它是经典理论的两倍。

徐一鸿：爱因斯坦当初计算时犯了个错误，漏掉了因子2，得到了和牛顿一样的结果。1914年本来有一支探测队要通过日全食检验光线偏折，结果因为一战爆发，俄国人将他们视为间谍关押了起来。幸好这一次的实验没有顺利进行。后来爱因斯坦修正了自己的计算，得到了2倍于经典理论的偏折角。再之后1919年爱丁顿观测了日全食，验证了广义相对论。

张朝阳：爱丁顿彼时是否对实验数据有所篡改？

徐一鸿：我认为没有，而且现在我们有了更高精度的实验手段，也不用再去等待日全食。这些实验都验证了广义相对论的正确性。

物理直觉

往往比数学工具更重要

张朝阳：很多人认为自己的数学不够好。但数学并没有那么难，你只要按照步骤一步步计算，就能得到正确的答案，接下来再不断增加难度来提高自己的数学水平。不过你认为对于物理学家来说，哪一门数学最重要？

徐一鸿：我认为有三门。第一个是偏微分方程，第二个是微分几何，这是理解引力所必要的。第三个是群论。

很多人说物理学家要学习高级的数学。但是如果看一下我们的物理学，就会发现它只用到高年级本科生数学课程前三周或者前四周的内容而已。比如微偏分方程，物理学家大部分只会用到线性的部分。对于微分几何和群论，也都只会用到教材的前三章。

张朝阳：第三章之后的章节就没用了吗？它们是关于什么的？

徐一鸿：比如说我写的群论教科书，在接下来的章节会讲到，李代数的分类、共形代数等等，可能会有更高级的东西。但是我想说的是，理解物理学只需要非常简单的数学知识。比如盖尔曼（Gell-Mann）发现了夸克，但他其实不懂太多的数学。如果一个人精通数学，那他就能在物理学上取得成就了吗？并不是的。否则，数学系的那些教授只需要每周五花点时间做做物理研究，就能去拿诺贝尔物理学奖了。

张朝阳：非常认同，如果你一直做非常复杂的数学计算，有时候就会迷失在其中而抓不住物理直觉。

徐一鸿：有时候直觉是相当好用的。盖尔曼当时在法国休假，他想到泡利对电子用了2×2的矩阵，也许对于强子可以试试3×3的矩阵。对他来说他只要会算3×3矩阵的对易子就够了，这就是最基础的线性代数。

张朝阳：他当时不知道李代数吗？

徐一鸿：他自称不知道，或者不是很熟悉。我本人有时候也不全信他的说法。不过，我发现中美在科学文化上存在很大的不同，中国人更乐意说我知道哪些东西，而美国人更乐意说我不知道哪些东西。

张朝阳：是的，我总给我的观众讲我不知道这些数学。有些时候我了解一点基础知识后，我就自己去研究。所以你并不需要了解每一个知识，你可以尽管去尝试，说不定就能得到一些独特的结果。

物理学的未来

要靠年轻一代

学生A：经典物理中有很多简洁优美的公式来概括物理定律，然而现代物理理论在变得越来越庞杂，人们似乎很难再用简洁的公式描述物理，您是如何看待这样的发展趋势？我们是不是在一个错误的发展方向上呢？

徐一鸿：这个问题取决于你们。你们年轻人才是创造新方向的物理学者。

学生B：徐教授刚刚提到，麦克斯韦糟糕的符号阻止了他进一步去挖掘方程背后的奥秘，现在量子场论似乎也到了类似的境地。你认为有没有可能就像赫维赛德简化麦克斯韦方程组那样，来简化量子场论呢？有没有可能需要为此发展新的数学工具？比如纷繁复杂的重整化技术等等。

徐一鸿：我认为每一代物理学家都在想方设法简化方程。我的答案和上一个问题一样，这都取决于你们。你们才是将会提出新的符号体系的人。我也一直感觉量子场论需要更好的符号，但我们不可能像出门购买商品那样轻易地获得它。你们只有坐下来，好好去发展一套新的数学工具才行。

张朝阳：我得补充一下，在《张朝阳的物理课（第四卷）》中，我是一边学习广义相对论一边直播讲课。有一阵子我就陷入过对于张量符号的困惑中，后来我自己捣鼓出了一套对偶基矢，一下就明白了逆变和协变。我原本并不知道那么多，但是自己捣鼓出来了一套自洽的符号。我建议，在研究物理的过程中，读书只是一部分，更多的是要边研究边动手算。有时候知道得少一点，也会帮你打开思维。

徐一鸿：我认为年轻人总有一种错误认识，总是要等自己了解了一切后再开始做研究。