[编者按：]本文为近期将由上海科学技术出版社出版的《美哉物理》的首篇，即该书的总论；它勾划了现代物理学――理论及其应用――百余年来的进展概况以及某些领域的本世纪发展趋势，论列了物理理论的美学特征以至十分丰厚、充实的科学美学意义。该书赞美了现代物理学的辉煌成就，从科学哲学和科学美学的高度论述了现代物理学的概念、原理、思想、方法，并对其前沿性理论研究的未来发展作了较深入的讨论。本刊分期连载该书的总论，让读者先期了解该书的内容和特色；此总论相当简练地描绘了优美的物理学基本理论的进展全貌。

 

　　就科学技术各领域而论，20世纪可谓物理学的世纪。这百年之中，物理学以科学史上最伟大的理论突破及其无比辉煌的技术应用，把人类文明引向堪称发达的现代水准，并趋于灿烂、融和的绝妙境界。现代物理的两大理论台柱――相对论和量子理论，以及二者的结合体系，正是现代科技文明发祥和自然哲学观念变革的重要渊源。

 

　　美哉，物理；尤其美哉，现代物理！迄今人们所热切向往、精心构建的量子统一理论，更宛若沈沈宫宇，美轮美奂。回顾历史进程，凡成功的物理理论，无不以逻辑一致、推理严密、结构简练、体系完备、预见正确、应用宽广而著称；所有这些优越特征，都充分显示其深厚的美学蕴含。大略言之，自然界各物质层面呈现其对称、以至于统一而和谐的面貌；那末，对物质运动之理论描述的对称、以至于统一而和谐，就成为物理学家所执著追求的最高目标，同时也是其有效创新的方法论准则。诚然，探讨自然科学的美学旨意和审美价值，乃是科学哲学之最高发展阶段――科学美学的主要任务。

 

　　爱因斯坦（A.Einstein）以为，真的东西总是美的；而狄拉克（P.A.M. Dirac）以为，美的东西总是真的。这涉及科学美学中美、真、善的内在同一性；臻美与求真乃认知的两个侧面，二者又落实于为善。我们着重以现代物理的若干典型成就为例，讨论一下这个哲理性问题。当然，本书的主旨还是在物理学本身：试图说明关于其某些领域的20世纪之进展以至21世纪之趋向的粗浅认识，并藉以阐述对于现代自然观的点滴体会。

 

　　“天地氤氲，万物化醇”（《周易·系辞下》），这是中国古人对自然界的一种辩证认识，言简而意赅。若将其当作物理学描绘物质世界之蓝图的经纬，或许亦未尚不可。因其相反者相成，以至于万物源于单一，万物变化出于相互作用，正可谓物理思想之精髓。如此描绘的世界图像必定简洁而清纯；由以探讨物理学的科学美学意义，则就切中肯綮和要害。图1-1兴许点及了这物理思想的精髓。

 

　　形成为严整科学理论体系的物理学，乃从牛顿（E. Newton）于1687年建立的经典力学起始，至今计有三百余年的历史。我们称1900年以前的经典物理为近代物理，而称1900年以后的相对论物理（属于经典物理范畴）和量子物理为现代物理。迄今为止，尚无新的完整体系对量子理论偕同相对论予以全面突破和取代；即这两个卓越理论作为现代物理之两大理论台柱，始终显得坚实稳固。藉此，现代物理充分地展现了物质世界的外观美和内在美，又透沏地显示了本身的直觉美和理性美。然而，现代物理内蕴之精湛的科学美学旨意原本植根于牛顿力学；经过三百余年的持续发展，此旨意遂不断锤炼而升华、趋于高超而纯粹的境地。诚然，在相对论和量子理论问世之前，近代物理各领域所建树的理论成就已先期彰显了所蕴含的科学美学旨意的基本内容。

 

　　且约略勾勒一下自然界各物质层面之物理运动、物质结构乃至其理论描述的奇胲和美妙。物理学家出于求真和臻美之愿望和意念，竭尽“原天地之美而达万物之理”（《庄子·知北游》）以能事。凡宏观物体，小至弹丸，大至恒星、星系或特异的中子星、黑洞等，彼此间都有易于测定、甚或非常强大的引力作用；牛顿万有引力定律乃体现机械运动之统一性起因的重要方面。而牛顿的关于质点运动的三大定律，实为对任何低速物体之机械运动规律的同一描述和简单总结。显然，集天地原本禀有之美以大成、而达于万物运动的一致定律，牛顿的经典力学及其引力理论，真乃一个恢宏博大的范例。譬如说，开普勒（J. Kepler）的行星运动定律，即可从牛顿力学逻辑地导出；并表明这天体运动情景正是按牛顿理论描绘的力学图像中的壮美一页，亦为牛顿力学所循之统一性、简单性等科学美学原理的雄伟写照。

 

　　万有引力是天体运动、演变以及整个宇宙演化的主要动力。例如，新星爆发或超新星爆发是一种特别令人惊异的天文现象，乃指恒星因引力坍缩而引起内部的突发性爆炸，其亮度便急剧增强几万倍以上（指新星）或几百万倍以上、甚至达十亿倍（指超新星）。中国早在公元前13世纪就记载了新星爆发（图1-2），而《宋史》上更有关于1054——1056年蟹状星云内的一次历时长达二十个月的超新星爆发的完整记录。超新星爆发后遗留下的部分物质亦因引力作用坍缩为白矮星、中子星、黑洞等。而高速自转的中子星（即脉冲星）发射短周期脉冲信号，则传递了它的自转和轨道运动等有关信息。1960年代以后，脉冲星一个个地进入分辨力渐增、搜索天区渐广的射电望远镜的视野，图1-3所示的脉冲双星PSRJ0737―3039A/B系统于2004年1月被观测到。黑洞虽然不能直接观测，但倘若它与可观测星球组成双星系统，那末就可通过对黑洞之伴星的观测而间接地确定其性状。爱因斯坦的广义相对论用于宇宙学研究，即推导得出宇宙的演化模式。宇宙源发于原始火球的大爆炸，宇宙膨胀并加速地膨胀，宇宙内存在黑洞和白洞（见第七篇）等，都是相对论宇宙学的重要结论；乃至1920年代末测得宇宙膨胀、60年代测得脉冲星和宇宙大爆炸的余烬――微波背景辐射（见图9-6）、90年代测得暗物质、暗能量和宇宙的加速膨胀、以及对黑洞长时间寻觅，则就表明广义相对论已披露了物质世界在宇观层面上浩瀚的动态之美（见第九篇），而且已取代牛顿引力论，将太空大范围以至宇宙整体的引力效应揭示得酣畅至极。

 

　　物质微观层面涉及若干结构层次：原子→原子核（和电子）→核子，即质子和中子→夸克；相应地，原子物理→原子核物理→粒子物理亦已披露了物质结构的深微幽眇之美。而量子理论成为微观层面的主宰；只是量子概念以及一切量子场的波粒二重性，至今还带着几分神秘莫测的玄暝。但量子力学引入的波函数确是微观粒子系统的恰当描述，虽然十分抽象，然则已有精密仪器将其直观地呈现。由“量子围栏”照片（图1-4）可见，原子和电子的波函数相当对称和美观。尤其使人迷惑的是，微观结构层次难于进一步深入。核子是一种强子，强子（重子和介子）名目繁多，已发现的有几百种，并已确定均由夸克构成。可是，夸克被“禁闭”，即不能将强子分割为自由夸克。夸克的种类不多，其某些特性与电子等轻子一一对应；那末，夸克、轻子便成为目前测到的“基底”粒子层次（见第四篇）。说到底，世界万物之千姿百态的因由，须到这个“最深”层次中去继续探秘。然而，狭义相对论与量子力学相结合的一个闪光成果即为狄拉克作出的反粒子乃至反物质这一科学预言（见第二篇），它是狄拉克同时领悟直觉美和理性美的产物，令人惊叹而欣喜。正反粒子对的产生和湮灭，即便成为量子场论和粒子物理的一个基本概念，此概念联系着微观层面的千变万化；如图1-1的注文所论，此概念的真诠恰与中国古代之“天地氤氲”的阴阳学说相符合。李政道等学者称这幅图为现代太极图，“寓意世界是动态的”；或许凭藉狭义相对论中的质能相当原理以及可由其解释的带有相反电荷的正反粒子对之生灭概念，恰能说明大自然禀有动态和动力、并给出其无穷变幻的同一缘故。

 

　　大自然的外观美系于其内在美。万物变化本导源于物质之间的相互作用。除（万有）引力之外，在微观粒子系统里，强作用和弱作用更见功效；二者是短程力，在宏观物体之间未能显现。而电荷之间的电磁作用在宏观层面和微观层面都至关重要。强、弱、电磁三种作用力对于宇宙极早期和较早期的演化也都重要；当然，引力终究是宇宙演化全过程的主动力。量子场论乃量子理论的高级形式，已对强、弱、电磁作用作出精细而适宜的描述；所以说，量子场论已使现代物理的理性之美升至颇高阶层。更有甚者，量子统一理论研讨步步深入，则就力图将所有微观实物粒子及其相互作用（亦包括引力在内）所对应的一切量子场俱都归之于单一的基本量子场，从而使这种理性之美臻于圆满。看来，潜心于揭示“天地氤氲”及其对称和谐、探究“万物化醇”乃至终极统一，正是现代理论物理学家之精神修养的高雅意境。爱因斯坦即为寄无限情思于此意境，为研讨统一场论而呕心沥血、鞠躬尽瘁的可贵榜样。