目录
Content
Chapter_1
Chapter_2
Chapter_3
Chapter_4
Chapter_5
Chapter_6
Chapter_7
Chapter_8
Chapter_1
----------------------- Page 1-----------------------
----------------------- Page 2-----------------------
可怕的对称
我想知道上帝是怎样创造这个世界的，我对诸种现象并不感兴趣，我
想知道上帝的思想其它均属细节。
——阿尔伯特·爱因斯坦 《可怕的对称》把当代物理学的惊人发现写
成通俗文学，人人能懂。阿·热是一位杰出的科学家和出色的评论家，他
在该书中讲叙了当代理论物理学家们是怎样效法爱因斯坦对大自然的美和
质朴进行探索的故事。
《可怕的对称》引导我们把物理学不仅视为一组理论的事实，而且要
把物理学视为宇宙运动进行勇敢探索的学问。这是阐释 “对称”如何奠定
现代物理学上的思想和美学的基础第一本书。通过该书我们可以从身边左
右对称的活生生的形式深入到大自然基本规律的深刻而抽象的对称。热先
生从星球寿命、光的魔力、浩瀚的宇宙、粒子的生死等诸种不同现象中展
现对称是如何规划大自然的宏伟构造的。
----------------------- Page 3-----------------------
老虎！老虎！燃烧的火焰，
游荡在那黑夜的林莽，
什么样超凡的手和眼
才能铸造你这可怕的匀称？
——威廉·布莱克
----------------------- Page 4-----------------------
总序
科学，特别是自然科学，最重要的目标之一，就是追寻科学本身的原
动力，或曰追寻其第一推动。同时，科学的这种追求精神本身，又成为社
会发展和人类进步的一种最基本的推动。
科学总是寻求发现和了解客观世界的新现象，研究和掌握新规律，总
是在不懈地追求真理。科学是认真的、严谨的、实事求是的，同时，科学
又是创造的。科学的最基本态度之一就是疑问，科学的最基本精神之一就
是批判。
的确，科学活动，特别是自然科学活动，比较起其他的人类活动来，
其最基本特征就是不断进步。哪怕在其他方面倒退的时候，科学却总是进
步着，即使是缓慢而艰难的进步。这表明，自然科学活动中包含着人类的
最进步因素。
正是在这个意义上，科学堪称为人类进步的 “第一推动”。
科学教育，特别是自然科学的教育，是提高人们素质的重要因素，是
现代教育的一个核心。科学教育不仅使人获得生活和工作所需的知识和技
能，更重要的是使人获得科学思想、科学精神、科学态度以及科学方法的
熏陶和培养，使人获得非生物本能的智慧，获得非与生俱来的灵魂。可以
这样说，没有科学的 “教育”，只是培养信仰，而不是教育。没有受过科
学教育的人，只能称为受过训练，而非受过教育。
正是在这个意义上，科学堪称为使人进化为现代人的 “第一推动”。
近百年来，无数仁人智士意识到，强国富民再造中国离不开科学技
术，他们为摆脱愚昧与无知作了艰苦卓绝的奋斗，中国的科学先贤们代代
相传，不遗余力地为中国的进步献身于科学启蒙运动，以图完成国人的强
国梦。然而应该说，这个目标远未达到。今日的中国需要新的科学启蒙，
需要现代科学教育。只有全社会的人具备较高的科学素质，以科学的精神
和思想、科学的态度和方法作为探讨和解决各类问题的共同基础和出发
点，社会才能更好地向前发展和进步。因此，中国的进步离不开科学，是
毋庸置疑的。
正是在这个意义上，似乎可以说，科学已被公认是中国进步所必不可
少的推动。
然而，这并不意味着，科学的精神也同样地被公认和接受。虽然，科
学已渗透到社会的各个领域和层面，科学的价值和地位也更高了。但是，
毋庸讳言，在一定的范围内，或某些特定时候，人们只是承认 “科学是有
用的”，只停留在对科学所带来的后果的接受和承认，而不是对科学的原
动力，科学的精神的接受和承认。此种现象的存在也是不能忽视的。
科学的精神之一，是它自身就是自身的 “第一推动”。也就是说，科
学活动在原则上是不隶属于服务于神学的，不隶属于服务于儒学的，科学
活动在原则上也不隶属于服务于任何哲学的。科学是超越宗教差别的，超
越民族差别的，超越党派差别的，超越文化的地域差别的，科学是普适的、
独立的，它自身就是自身的主宰。
湖南科学技术出版社精选了一批关于科学思想和科学精神的世界名
著，请有关学者译成中文出版，其目的就是为了传播科学的精神，科学的
思想，特别是自然科学的精神和思想，从而起到倡导科学精神，推动科技
----------------------- Page 5-----------------------
发展，对全民进行新的科学启蒙和科学教育的作用，为中国的进步作一点
推动。丛书定名为 《第一推动》，当然并非说其中每一册都是第一推动，
但是可以肯定，蕴含在每一册中的科学的内容、观点、思想和精神，都会
使你或多或少地更接近第一推动，或多或少地发现，自身如何成为自身的
主宰。
《第一推动》丛书编委会
----------------------- Page 6-----------------------
前言
在 《可怕的对称》中，我想讨论的是给20 世纪物理学带来活力的美
学动机。我的兴趣不在于解释现代物理的实际内容，而是要带给读者一种
理性框架的概念，基础物理正是运行于此框架中。
阿尔伯特·爱因斯坦曾经说过，“我想知道上帝是如何创造这个世界
的。对这个或那个现象、这个或那个元素的谱我并不感兴趣。我想知道的
是他的思想，其它的都只是细节问题。”
作为一名物理学家，我非常醉心于爱因斯坦所表述的这种感受。正当
当代绝大多数物理学家忙于解释特定现象之际，少数爱因斯坦的理性的后
继者却变得更加雄心勃勃了。他们进入了夜幕笼罩着的森林，探寻着自然
的基本设计，并且狂傲不羁地宣称，已经发现了一些蛛丝蚂迹。
引导这一探索工作的是这两大原理：对称性和重整化。重整化是关于
具有不同特征长度的物理过程间的相互联系的。尽管也会谈到重整化，但
我的重点将放在基础物理学家用以审视大自然的统一美学观点——对称性
上。
在过去几年中，人们对现代物理学的兴趣不断增长，介绍 “新”物理
学的著述甚丰。现在，我们大都知道存在着数以百亿计的星系，每个星系
中又包含有数以百亿计的恒星。我们被告知，世界可用亚核粒子的说法去
解释，大多数这种粒子的寿命只有百亿亿分之一秒。知道了这些的读者会
觉得惊讶和迷惑，是的，现代物理的世界古怪得让人赞叹！那些用希腊字
母命名的粒子无视经典的决定论，合着量子的音乐跳起了吉特巴舞。但最
终，读者可能还是会带着一种只被简单地灌输事实的感受离去，这些事实
本该是让人惊叹的，但却变得让人厌倦了。
本书是为那些并不满足于了解事实而在理性上也有好奇心的读者写
的。我想象中的读者可能是：某个我年轻时认识的人，某个建筑师、艺术
家、舞蹈家、股票经纪人、生物学家或律师，某个对基础物理学家所置身
的理性和美学框架感兴趣的人。
这并不意味着本书不解释现代物理的惊人发现。在能够对现代物理学
的理性框架作有意义的讨论之前，我必须对这些发现作出解释。然而，我
希望读者不要仅仅满足于与某种令人吃惊的事实做点头之交，也要有框架
的观念，离开这种框架，事实也只不过是事实。
我并不试图详尽地、面面俱到地描述对称性在物理学中的历史。任何
把主要进展归功于少数个人的看法都不能称之为历史，任何夸大个人作用
的断言都绝对不能接受。在谈到现代粒子物理的某些进展时，杰出的物理
学家谢利·格拉肖(Shelly Glashow)曾经评论说： “花毯是许多工匠共同
织出的，每个工人的贡献都不能从整个作品中分辨出来，那些松散、错乱
的织线已经被掩盖住了。粒子物理中的情况也是如此…… ‘标准理论’并不
是完美地出现在一个，甚至也不是三个物理学家头脑中的，它同样是许多
实验和理论物理学家共同努力的结果。”然而，在象本书这样的通俗读物
中我只得简化历史。我相信读者能够理解。
——于圣塔·巴巴拉
1986年4 月
----------------------- Page 7-----------------------
致谢
首先，我要感谢我的妻子格里琴(Gretchen)。她的尖锐批评以及她的
爱所给予的支持是我能完成此书的基本保证。她是我的第一个读者和严格
的批评者，只要她说： “这我看不懂！”，我就得回去重写。
我的朋友基蒙·比勒 (Kim Beeler)，克里斯·格罗斯贝克 (Chris
Groesbeck)，马萨(Martha)，弗兰克·里特曼(Frank Retman)，迪安·舒
福特(Diane Shuford)——一个心理学家，一个学艺术史的学生，一个律师
和两个建筑师，分别读了手稿的各个部分，以确保外行人也能读懂此书。
已经发表过物理方面通俗读物的两个有名望的同事赫恩茨·帕杰斯
(Heinz Pagels)和史蒂夫·温伯格(SteveWeinberg)，都鼓励我不要放弃写
一本关于对称性的书的想法。在写作和发表的各个方面他们都给了我不少
的忠告，并将我引荐给了他们在出版界的朋友。
我要感谢李政道、赫恩茨·帕杰斯和史蒂夫·温伯格。他们阅读了本
书的手稿并提出了有益的和鼓励性的意见。我还要感谢西德尼·科尔曼
(Sidney Coleman)、弗兰克·威尔茨克(Frank Wilezek)读了本书第十二章，
默里·盖尔曼(Murray Gell－Mann)读了第十一章，比尔·别勒克(Bill
Bialek)读了长条校样。
我有幸能有查尔斯·利文(Chasles Levine)作本书的编辑，他的支持
对本书的出版是必不可少的。在我需要保证时他使我放心，在我需要批评
时他便向我提意见。渐渐地，我就把他当成了自己的朋友。
编辑凯瑟琳·肖(Catherine Shaw)显然也干得不错，因为为了解答她
所提出的问题，我不得不花近2 个月的时间来作改写。在读不懂时她就叫
到： “这我不懂！”结果是，这本书变得越来越容易读了。抄誊编辑罗伯
塔·弗罗斯特(Robesta Frost)对手稿作了进一步的加工和润色。
在该工作的早期，马丁·克斯勒(MastinKessler)提过很有益的建议。
我的代理人约翰·布洛克曼(John Brockman)和卡汀卡·马聪(Katinka
Matson)的劝告也使我受益匪浅。
后面所列出的艺术家们使本书在视觉上更有吸引力，在表达上也更清
楚。
我非常高兴有海伦·米尔斯(Helen Mills)来作本书的设计指导。我
们在第十二章将会遇见他的兄弟罗伯特(Robert)。看来在一个家庭中也会
倾向于有某种平衡和对称。
最后，我要感谢德布拉·维特莫娅( DebraWitmoyer)，丽莎·洛佩兹
(Lisa Lopez)，格温·卡特农(Gwen Cattron)、凯蒂·多里穆丝(Katie
Doremus)、卡伦·墨菲(Karen Murphy)和克雷夏·沃诺克(Kresha Warnock)
打印了手稿的各个部分。
插图作者
波尼·布莱特(Bonnie Bright)，图3.4、5.2、6.3、7.2、7.3、7.4、
10.2、10.3、11.1、11.3、12.1、12.2、12.3、14.2、15.2。
迈克尔·卡伦(Michael Cullen)，图3.5、3.9、9.1、11.7、13.2、
14.1、14.4。
黄纪军(Ji－jun Huang)，图15.1。
----------------------- Page 8-----------------------
埃里克·加恩克(Eric Junker)，图5.1、5.3、5.4。
乔·卡尔(Joekarl)，图2.1、2.3、4.2。
佩吉·罗伊斯脱(Peggy Royster)，图4.3、13.1。
克拉拉·韦斯(Clara Weis)，图4.1。
格里琴·热(Gretchen Zee)，图2.2、7.1、9.2、10.1。
----------------------- Page 9-----------------------
Ⅰ 对称与设计
第一章 对美的追求
我记得最清楚的是，当我提出一个自认为有道理的设想时，爱因斯坦
并不与我争辩，而只是说， “啊，多丑！”。只要觉得一个方程是丑的，
他就对之完全失去兴趣，并且不能理解为什么还会有人愿在上面花这么多
的时间。他深信，美是探求理论物理学中重要结果的一个指导原则。
——H.邦迪(Bondi)
美先于真
我和我在基础物理学界的同事们是爱因斯坦的理性的后继人，乐于自
认为我们是在探求美。有些物理方程丑得让人不愿多看一眼，更不用说把
它们写下来了。毫无疑问，终极设计者只会用美的方程来设计这个宇宙！
我们宣称，如果有两个都可用来描述自然的方程，我们总要选择能激起我
们的审美感受的那一个。 “让我们先来关心美吧，真用不着我们操心！”
这就是基础物理学家们的呼声。
读者也许会把物理看成一个具有精确预言性，而不适于审美沉思的科
学。其实，审美事实上已经成了当代物理学的驱动力。物理学家已经发现
了某些奇妙的东西：大自然在最基础的水平上是按美来设计的。我希望与
你们分享的正是这种奇妙的感受。
训练我们的双眼
什么是美？冥思苦想美学的含意的哲学家们已写出了不少大部头的
著作，但审美价值的绝对定义依然含混不清。就某一事物而言，时尚也在
变化，鲁本斯的优雅的太太们就不再能为杂志封面增辉了。审美观也因文
化而异，东西方的风景画各自受不同传统的影响。布拉门托(Bramante)和
贝聿铭的建筑各自以不同的风格体现了美。既然在人类创作界对美并没有
一个客观的标准，我们在谈论自然之美时究竟要采用的是什么美学体系
呢？我们怎样去判断自然的设计呢？
在本书中，我希望解释当代物理学的审美要求如何建立起了一个能用
公式严格表达出的美学体系。就象我的艺术史教授曾经说过的那样，一个
人必须 “训练他的双眼”。对于建筑鉴赏家来说，指导文艺复兴时期的建
筑和指导后现代派建筑的都是同一个原理。同样地，物理学家也必须训练
他们的眼力，以看出指导自然设计的普遍原理。
内在美和外在美
当我在海边(或更可能在贝壳商店)发现一个鹦鹉螺时，它的美吸引了
我。但一个生物学家可能会告诉我，这种完美的螺旋形状只不过是贝壳生
长速率不等的结果。作为一个人，知道这以后也丝毫不会减少我对美丽的
鹦鹉螺的迷恋，但作为一名物理学家，我被驱使去超越我们所能见到的外
在美。我想讨论的并不是翻卷的波浪的美，也不是弓伏在苍天的彩虹的美，
----------------------- Page 10-----------------------
而是存在于最终支配着各种形态下水的行为的物理学定律中的更深沉的
美。
如果我是设计者
对自然的考察越深入，她就越显得美，这一深刻的事实深深地震慑了
自爱因斯坦以来的物理学家。为什么会是这样呢？我们完全可以发现自己
是生活在一个丑陋的宇宙中，生活在一个正如爱因斯坦所说的 “无论如何
思考都无法领悟的混沌世界”中。
沿着这样的思路冥思，常常会唤醒物理学家心底的那种宗教情感。在