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《天地有大美》从方程看现代科学研究兴趣的转移

2006-12-29 13:32:20 来源:科学网 作者:胡锋

  《天地有大美——现代科学之伟大方程》这本书中藏着11个方程——20世纪科学史上著名的方程。如果按照另一个科学出版行业中的著名“方程”——科普书籍中的每一个方程会赶走一半的读者——来看,本书出版者的勇气确实是十分惊人的。 

    本书由12位英国和美国的科学家和科学史家联合撰写,按时间顺序讲述了20世纪科学史中有着里程碑意义的11个方程。通过讲述这些方程,从一个侧面回顾了现代科学发展的进程。本书的编写阵容是很强大的,在这12位撰写者中,有在国际上享有盛誉的科学家:如对黑洞物理学和现代宇宙学有过杰出贡献的牛津大学物理教授罗杰·彭罗斯,将混沌观念带入生态学的澳大利亚物理学家罗伯特·梅,以及将统计和博弈观念带入进化生物学的英国理论生物学家约翰·梅纳德·史密斯,也有2004年和1979年诺贝尔物理学奖得主弗兰克·维尔切克和斯蒂文·温伯格。 

    一本有方程式的科普书籍 

    本书所介绍的11个方程中,物理学的方程占了6个,信息科学有1个,天文学1个,生物数学1个,生态学1个以及大气科学中的化学方程1个,从本书的选材中可以深切的体会物理学在20世纪科学中所占的地位。 

    本书的前半部分所谈到的是20世纪物理学的两场革命。开篇是1900年开始的量子物理革命,其发动者是德国物理学家普朗克,而当时英姿勃发的爱因斯坦曾经大力的推动过这场革命。这场量子革命的重要后果是在20世纪30年代前后催生了量子力学,如书中介绍的薛定谔、狄拉克的工作,还有书中没有提到的丹麦物理学家玻尔、德国物理学家海森堡和玻恩的工作。现在,量子力学——作为描述微观运动过程的力学体系——几乎成为现代物理中各个领域的基础。本书也谈到了本世纪物理学上的另外一场革命,狭义和广义相对论的发现。这场革命完全由年轻的爱因斯坦一个人发起和完成,其工作的重要性也许只有17世纪时牛顿力学体系的建立可以相比,几乎是整个科学史上的奇迹。 

    本书的后半部分主要谈到的是科学家在20世纪末20年间在信息论、进化生物学、生态学以及涉及环保的大气科学等方面的工作。值得提到的是约翰·梅纳德·史密斯将博弈论和统计学引入生物进化的研究中,想给达尔文的异常壮阔的理论——进化论提供数理基础。这种研究方法的引入在研究上以描述为主的生物学领域是有开创意义的。同样物理学家罗伯特·梅在70年代将当时正在形成的混沌理论的思想带入了生态学,成功地解释了生态系统中的种群密度涨落的现象。虽然将数理方法引入生物科学(包括生态学)已经取得了一定的成绩,但这种方法还远不是生物科学领域研究的主流方法,这与物理学研究的对比是很鲜明的。 

    科学中的定量化研究 

    方程式堂而皇之地进入科学体系是从牛顿建立他的力学三定律和万有引力定律开始的,这种定量研究的方法立即成为了物理学工作的传统。最辉煌的例子是在1845年,通过用牛顿方程的计算发现天王星的实际运动与计算结果有差别,从而推测天王星轨道之外可能存在另一颗行星,导致了1846年海王星的发现。而在狄拉克方程基础上发展出来的量子场论,通过计算给出的电子磁矩的理论值和实验值居然可以符合到小数点后11位。 

    而科学中的其他分支,如地质学、生物学以及生态学是没法或很难被定量化来研究的。地质科学中著名的“板块漂移学说”,给出了地壳运动的伟大猜想,并且也得到实验的证实,但是却没法(也许也不需要)表述成定量的公式形式。而20世纪生物学中的一个伟大发现——DNA分子的双螺旋结构也没有办法表述成方程的形式(也不需要写成方程的形式)。 

    产生这种差别的根本原因是什么?物理学相对说来研究的是较简单的系统,如电子的运动、行星的运动。而像地质学、生物学以及生态学等研究的是较复杂的系统行为,如地质学研究地壳的运动,生态学研究大量的不同的生物有机体之间及其它们与环境之间的复杂作用。对这类系统,研究时必然要忽略大量不重要的细节,也许这就导致了系统行为不能定量预测。值得指出的是,即使现在的凝聚态物理学领域内,涉及到非常复杂的晶体研究时,理论上也只能给出定性的预测。 

    数学作为一种浓缩化的语言进入到科学中,使得理论家有了一个犀利的武器,可以把科学的思想更有效地交流与发展。当然,数学引入到科学中的另一个后果是使得科学变得很形式化,使科学变得越来越“冷漠”。一个写满方程的科学领域(如理论物理学)开始拒普通人于千里之外,就是受过专门训练的科学家,如果超出自己的领域,也很难理解别的学科的内容。那种古希腊的哲人们在阳光下探讨智慧、寻求真理的景象是一去不复返了。 

    听唱新翻杨柳枝 

    20世纪是物理学的世纪,在这个世纪初开始的相对论和量子力学革命对整个科学领域都有深远的影响。这场革命的辉煌成果大部分已经如达·芬奇的名画一样被悬挂在人类思想的殿堂上供人欣赏,正如本书前半部分列出的那一个个里程碑式的方程。

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