理论物理的无为之乐

作者： 廖玮

2013.12.09  来源： 中国科学报   

　　常有人问我：理论物理这么枯燥，你怎么会选择这一行？诚然，成为一名好的理论物理学家是有一定的难度。但这并不意味着理论物理枯燥，相反它自有其魅力，能令研究者乐在其中。其实，只要了解理论物理学家是如何思考难题的，就能明白理论物理的乐趣。物理学之难不仅在于解决一个未知领域的问题十分困难，还在于我们思考的问题并不一定是好问题。在学生时代我曾听何祚庥教授说起，有四类问题需要仔细分辨：真问题、假问题、成熟的问题和未成熟的问题。我因而了解到，人们研究的问题有可能是假问题或未成熟的问题，并很难因研究此类问题而有所成就。回顾科学发展的历史，可以发现，真正能够留下来的有价值的东西很少，但各种思想潮流和研究方向很多，有大量研究工作消失在人们的记忆之中。这些工作一部分是因为没有解决问题而被遗忘，还有很多则因研究的问题为假问题或不成熟问题所致。可以看到，找到正确的问题、有效地思考问题并解决问题，是对物理学家的巨大考验。

　　即便如此，仍然有少数科学巨人能够在短短一生中不止一次地获得巨大的成功。他们是如何做到的呢？探究这个问题，就要了解理论物理学家是如何思考问题的。

　　兰志成教授曾经给我讲过女物理学家Nina Byers 的一个故事。费曼和施温格是令美国人为之骄傲的两位物理学家，曾因对量子电动力学的贡献获得诺贝尔物理学奖。许多人认为他们是天才，以为费曼无须数学推导仅凭物理猜想就能得到正确结果，施温格只须使用数学推论而无须物理图像就能得到一些神奇的结论。然而，曾与两人都合作过的Nina Byers却说：其实他们和我们一样，为了接近真相，也需要尝试多种不同的方法；只有在使用了多种不同方法得到同样的结论之后，他们才会确信自己的结论有很大可能是正确的。他们的不同之处是：在发表的论文中，费曼只写出有关物理的部分，而施温格只写出有关数学的部分。人们因此认为他们用很少的方法就能破解难题、得到正确的结论，是不可思议的天才。后来我与兰教授谈起，这个故事与《庄子》中的一个故事很类似：孔子去见老子，老子对孔子说，你所研习的不过是前人的“陈迹”而已，“迹”（足迹）是人“走过”之后留下来的， 难道“迹”是“走过”吗？

　　从Nina Byers的讲述中，我们可以获得两方面的教益。一方面，所有的论文都可以看作是“陈迹”。这个教益提醒我们，不仅应该学习前人留下的知识，更应该研习前人是如何思考、如何达到他们的结论的。另一方面，这个故事向人们展示了物理学家是如何思考问题、探索未知世界的。

　　探索未知世界的一大困局在于：我们不知道前人发明的知识是否适用于有待探索的未知世界，但如果离开这些知识我们其实一无所有。也就是说，我们不得不依赖这些不知道是否适用于未知世界的知识来探索未知世界。也许少数天才可以摆脱这个束缚，凭借单纯的直觉或观念就能到达未知的彼岸，但这并不是人类能够倚靠以便持续且系统地探索未知世界的有效途径。

　　为克服这一困难，在研究某个未知问题时，我们常需要许多不同的方法（例如10种）。也许这些方法中有一部分方法是不适合研究这个问题的，但也有可能一部分方法是适合或部分适合研究这一问题的。假如有4~5种方法能够达到同一个结论，我们就可以确信这个结论有很大可能是对的。因为这4~5种方法中可能有部分方法（例如1~2种）是适用于或部分适用于研究这个问题的。

　　那么，理论物理的乐趣又在哪里呢？

　　要成为一个高明的理论物理学家，不可避免地需要对理论物理的各个分支以及各种理论方法有良好的理解。如果没有广博的知识，理论家就不可能在面对真正的未知的时候，找到足够的方法来接近对问题的解答。即便得到某些结果，他们也很难确定自己的结果是否可靠。有人将学者分为两类，一类深刻，一类广博。但实际上，没有广博的知识，就很难有深刻的思想。真正思想深刻的探索者很少不具有渊博的知识。

　　一个高明的理论物理学家，还不可避免地需要娴熟地掌握各种知识和理论方法。这不仅意味着需要能够熟练地运用知识，而且要对知识的适用范围有充分的认识。没有这样一种认识和心理上的警惕，就可能得到错误的结论而不自知，知识就可能变成通向成功的障碍。简言之，理论家应该能够娴熟自由地运用各种知识，同时不被知识的局限性所束缚。

　　精通各种游泳和潜水技能的运动健将能够畅游于大海之中、嬉戏于波涛海浪之间，在其中获得极大的快乐。理论物理给研究者带来的乐趣与此类似。当理论物理学家能够娴熟自由地运用各种知识、理论方法和思想观念而又不被它们的种种局限性所束缚时，他就能够自由轻松地畅游于思想观念的海洋中而自得其乐。他立足于已知探索未知，畅游于精神世界而不迷失其中，独得其乐。古人云：“乘天地之正，御六气之辩，以游无穷，得无为之乐。”这正是理论物理学家的理想之乐。

　　（作者：华东理工大学特聘教授）