沈葹教授拿她的书稿《美哉物理》前来，让我替这书作序。这确使我有点犯难，因为对于理论物理，我的认识颇为肤浅，可以说才刚刚踏上门槛，还没有进门，更谈不上登堂入室；对于美学，亦复如此。其所以还是勉为其难，一则因为本书稿曾在《世界科学》杂志上连载，我忝为该刊主编，似责无旁贷；二则因为我与沈葹教授已相识三十年，素有交往，这次她郑重地邀我为她的书稿作序，更是盛情难却。我想，还是把我读本书稿的一些体会和感想写出来，以供本书读者作点参考。

物理学是一门基础性的自然科学，科学追求真，与向往美又有什么关系？本书从许多侧面回答了这个问题。我的体会是，确有关系，特别是在现代物理进入微观领域之后，更是大有关系。因为对于微观客体，我们不能直接观测，只能通过宏观实验仪器的帮助，这样，观测本身就必然引起客体状态的突然跃变，观测到的已经不是客体的原有运动状态。因此，要认识微观客体的本质及其运动的规律性，就更加依赖于主体的创造性理论思维，提出各种新颖的假设，并根据假设，设计出新的实验安排去验证。这种理论假设的形成，与主体对科学美的向往有很大的关系。对美的向往，既是形成这种理论假设的主要动力之一，又为这种理论假设提供重要的灵感和启迪。普朗克是量子理论的先驱，爱因斯坦就说他“渴望看到先定的和谐”，凭借“纯真的艺术风格”进行科学猜测，形成能量子假设。喜爱音乐的科学家不会不明白，乐器奏出的谐音频率是其基音频率的整数倍，这就为普朗克的巧妙的猜测提供有益的联想。

科学美主要表现在哪些方面呢？本书也以诸多生动的例证作出富有启发性的叙述。对我印象深刻的有如下一些方面：

——从纷繁复杂中寻求内蕴的简单。物理世界从表面上看，是纷繁复杂的，但是深入其内层，却可以发现它们所遵循的以简洁形式表达出来的共同规律。简单性原理正是理论物理的一个重要方法论原则。例如，在物理学中，许多复杂结构遵从非常简单的数学公式，所有海螺的螺旋结构看起来很复杂，却都遵循标度定律，可以用简单的数学公式——半径的对数线性地依赖于角度——来表示。又如，分形具有自相似性的主要特征，一系列由分形构成的复杂图形都可以由一组称为芒德布罗集的复数通过简单的数学结构得出。这种内蕴在复杂中的简单，正是物理学家所向往和追求的一种科学美。

——欣赏对称性，掌握对称与对称破缺的辩证统一。对自然界对称性的欣赏始终贯穿于物理学的研究之中。对称，可以说是物理学家始终孜孜以求的一种科学美。然而，物质系统的对称性，必常常伴随以对称性的破缺，两者相反相成。对称必导致统一性，而对称性之破缺则导致多样化。世界上如果唯有对称，那就形成无差别的绝对统一，无美之可言；只有存在对称的破缺，才导致多样化。多样化的统一是科学美之无尽的源泉，发现对称的破缺成为寻求更高层次的新的对称形态的契机。首先是时空对称性，它是经典物理中最基本、最主要的对称形式。相应于绝对时空，表现为伽利略变换不变性。从低速运动走向高速运动(接近光速)，四维时空统一体代替了截然分离的三维空间和一维时间，洛仑兹变换不变性成为高于伽利略变换不变性的对称形态。从惯性参考系走向非惯性参考系，广义时空变换不变性成为另一种高级的对称形态。

时空对称性是直观对称性，而对于微观物质系统而言，还存在另一种抽象的内禀对称性。规范变换不变性是一种比时空变换不变性更高级的对称形态。李政道、杨振宁、吴健雄以他(她)们的工作披露了弱相互作用过程中对称性的破缺，证明空间反演变换(P)宇称守恒定律并不普遍成立。可是，在P宇称不守恒的某些场合，更广义的对称性还是存在的，有的在C(电荷共轭变换)和P的联合变换下，对称性依然保持，有的在CPT(时间反演变换)联合变换下，对称性还能满足。正是这种对称性与对称性破缺的辩证统一的把握，在两者相反相成中不断发现更高层次的对称形态，使美的向往与真的追求在动力机制上融合在一起，共同推进物理理论的创新。

——探索寓于随机紊乱中的和谐、有序、自然界里一切物质运动，实际都遵循着非线性形式的规律，而线性物理理论中的线性方程等线性数学表示，只是对客观运动在一定条件下的近似摹写。物理学从线性理论向非线性理论的拓展，探讨的是十分不同的动力学规律。非线性方程对于初始条件极为敏感，初始涨落会被非线性动力学机制放大许多，并带有很大的随机性，可谓“差之毫厘，失之千里”。一个远离平衡态的热力学开放系统内蕴的非线性动力学机制，却使其在一定条件下经由自组织，形成有序的耗散结构，混沌现象看起来是无规和随机，却内禀有序化机制，其长期效应虽不可预测，但其运动之相轨迹仍具有整体稳定性。

例如洛仑兹吸引子，如从电脑屏上观看，其相轨迹线随机变化，飘忽闪烁，但始终局限在一个有限大小的区域里，宛若彩蝶之双翼。这种非线性物理所呈现的玄奥、朦胧、瑰琦，是一种崭新的美学旨意，吸引着不少物理学家去探索。物理学中美的蕴涵还有许许多多，即在本书中也有更为丰富的阐述。我在这里写下的只是我在阅读本书稿时所获得的一点学习心得，冀以对读者有某种参考价值。

本书系沈葹教授数十年来对理论物理的方法论研究和对物理学内蕴的科学美的挖掘和阐发之结晶，内容丰富，文字清新，分析精当，许多颇为高深的理论问题，经其娓娓道来，虽然不能尽得其中的奥秘，但能给人以丰富的智慧之启迪，则是无疑的。

理论物理，不是一门能使研究者得到很多外部物质报酬的学科。改革开放以来，在市场经济的诱导下，人们的功利性急剧增长，这未必是件坏事，但是，它对我国基础理论研究的冲击，却是一个不容忽视的现象。

我国重大理论创新不太景气的状况，与此也不无一定的联系。要倡导基础理论研究，让一部分有志之士专心地从事这项工作，就要在保证研究者得到适当的外部物质报酬以外，需要增添内部的精神报酬，后者正是美学活跃的领域。美可以说是主体受客体吸引而产生的愉悦，它就是主体所要求得到的一种内部精神报酬。许多有成就的基础理论研究者，他们都重视内部的精神报酬，把美的向往和真的追求有机地结合起来。李政道致力于推进科学和艺术的结合，一批国内著名画家在他的科学思想启发下创作了艺术地表达科学发现的画。沈葹教授几十年来专心致志地从事理论物理的教学和研究，并总结其心得写出《美哉物理》书稿，也是一例与真的追求相结合的美的向往究竟能产生多大的动力机制，从斯蒂芬·霍金写的《时间小史》居然成为有轰动效应的畅销书可见一斑。可惜，这书在我国的反响却远不及在西方发达国家。

即以《世界科学》杂志而论，自创刊迄今历时26年，尽管已形成了一个稳定的读者群，但发行量始终难以有新的突破。这多少反映了自然科学基础理论在我国人们心目中的地位。看来，我国自然科学基础理论创新在整体水平上要有重大的进展，真是任重而道远。希望本书的出版，能引起更多的人对科学美的向往和探求，从而对推进我国的科学创新事业有所裨益。是为序。

[《美哉物理》一书年内由上海科学技术出版社出版]