近日，搜狐創始人、董事局主席兼首席執行官、物理學博士張朝陽，和著名物理學家、德國洪堡研究獎獲得者、美國藝術與科學院院士徐一鴻（Anthony Zee）展開了一場物理對談。兩人一同梳理了物理學追求“統一”的核心發展脈絡，揭示了關鍵歷史理論背后的深刻洞見與經驗教訓，更著重強調了物理直覺與實踐探索在研究中的核心地位。

兩人向青年物理學子傳遞了明確信息：物理學的未來掌握在年輕一代手中，要勇于創新和簡化現有理論。徐一鴻強調，物理學的每一次重大突破都依賴新一代學者發展新的符號體系和數學工具，“這取決于你們（年輕人）”。 張朝陽分享了自己在理解廣義相對論張量符號時，通過動手計算獲得突破的經歷，也鼓勵年輕人大膽嘗試，邊學邊做，動手實踐才是關鍵。

以下為對話全文（有刪減）：

經典物理學的統一之路

張朝陽：我們從牛頓力學到相對論、量子力學和量子場論，可以說這個發展歷程充滿了統一的過程，比如牛頓萬有引力定律統一了開普勒的天文觀測數據，麥克斯韋統一了電和磁，相對論解決了電磁學與牛頓時空觀的矛盾，而量子場論是在相對論時空觀上建立的量子理論。你可以講講這些理論發展史中的統一之路嗎？

徐一鴻：可以說，統一的理念在物理學很早期就有了，并不是到近代才有。在某種意義上可以說，物理學起源于牛頓統一了天上的力學和地上的力學。

在牛頓之前，人們認為天上和地上遵循兩套不同的運轉機制。牛頓的偉大成就之一，就是意識到月亮其實在下墜。他通過觀察蘋果的下落，聯想到月亮的運動，從而將促使這些運動的“力”統一為萬有引力。這是物理學上的第一次偉大統一。人們也因此不得不放棄地平說——否則月亮會撞到地面上。

張朝陽：所以在牛頓時代，人們就已經確定地球是球狀的了？

徐一鴻：是的。我認為一些古希臘人早就認識到了這一點，他們甚至還估算出了地球的半徑。一旦意識到地球是球形的，宗教徒們就會擔心一個問題——地獄在哪里呢？因為在地平說的世界里，可以簡單地聲稱天堂在天上，地獄在地下?，F在只能說，地獄可能在地心。人們看到火山噴發或者地震，也會說這是從地獄泄露出來的怒火。

當時還有件有趣的事情，人們對地球密度和月球密度做了測量，測量過程出了些問題，導致人們發現地球的密度遠小于月球，就稱地心可能是空心的，也就是“地球空洞說”。所以這也算給我們上了一課，即實驗結果總是有可能出錯的，拿實驗檢驗理論的時候要小心。

張朝陽：看來有些時候也要堅持自己的理論。另外我一直在想，電和磁是硬幣的兩面，沒錯吧？它們都是狹義相對論的結果。

徐一鴻：沒錯。我們現在知道磁場來自移動的電荷。

張朝陽：還有個很有意思的事，19世紀人們就寫下了麥克斯韋方程組，這時候就已經揭示了電磁學和牛頓時空觀是矛盾的了。

徐一鴻：是的。這兩者的沖突最終導致愛因斯坦提出新的時空觀。當然其實有人在愛因斯坦之前就提出了新的時空觀，但真正從這個沖突中發現新物理的還是愛因斯坦。

張朝陽：我認為麥克斯韋本人就有可能完成這件事?？上畹貌婚L。

徐一鴻：是的，他只活了48歲。牛頓和愛因斯坦的壽命都比他長。

張朝陽：還有一件事。麥克斯韋時代沒有成熟的矢量微積分，所以他寫下的方程組并不是4條，而是20多條。

徐一鴻：是的，這也是我的另一個觀點。麥克斯韋當時沒有意識到電磁學與牛頓時空觀的沖突，很可能是當時的符號太復雜了。現在我們學麥克斯韋方程組只有4條，這得多虧赫維賽德（Heaviside），他是第一個以現代形式寫下麥克斯韋方程組的人，大概是1884年，比麥克斯韋晚了約20年。值得跟大家講的是，赫維賽德的成長環境很貧困，他沒有上過大學，他都是自學的。

張朝陽：那么矢量微積分是誰發明的呢？

徐一鴻：這里面有很多人的貢獻，肯定有牛頓。

張朝陽：應該還有斯托克斯（Stokes）。

徐一鴻：還有吉布斯（Gibbs），他在耶魯大學期間做了這方面的研究。另外說一句，很多人說第一個在物理學有杰出貢獻的美國人是約瑟夫·亨利（Joseph Henry），但他是在歐洲發現電感的。相比之下，吉布斯是真正在美國做出那些工作的，包括統計物理學和熱力學。

張朝陽：是的，吉布斯自由能。但我沒想到他對矢量微積分還有貢獻。說回電磁學，可以說麥克斯韋方程組里就藏著洛倫茲不變性，這與牛頓力學完全矛盾了。

徐一鴻：我也經常說麥克斯韋方程組里藏著兩個奧秘，它們都推動了20世紀物理學的發展。遺憾的是，由于當時符號系統的不完善，這些奧秘被長時間忽視了。第一個就是你剛剛提到的洛倫茲不變性，另一個就是規范不變性。

規范不變性在本科教學階段經常被省略。但如果稍加注意你就會發現，麥克斯韋方程組中的兩條是無源的，另外兩條是有源的，包含了電荷和電流。其實無源的那兩條方程就藏著規范不變性。在19世紀，人們意識到電場E和磁場B可以用標勢φ和矢勢A表達出來，但那時候人們只是將它當成輔助量來用，甚至有人認為它是“數學垃圾”，其中就包括赫維賽德。當然我不是歷史學家，我沒有親自做過調研，不過我認為學生們應該多了解這些歷史。

歷史上很少有人注意到無源的電磁場方程有多奇怪。正是“▽·B=0”啟發了我們引入矢勢，“▽×E+?B/?t=0”啟發我們引入標勢。這與電荷怎樣分布以及電荷怎樣運動無關，是電磁場本身的內稟約束。赫維賽德認為，這意味著E和B才是更根本的，φ和A應當被掃進歷史的垃圾堆里。實驗學家們也更青睞E和B，因為這是能直接測得的量。理論學家當然不關心這個，他們喜歡引入新的概念，而不在乎能不能直接測量。不過在量子力學中，電磁場只能以φ和A的形式考慮進薛定諤方程中，你沒法用E和B寫下等價的方程，量子場論也是如此，所以現在人們更關心φ和A應該具有怎樣的性質，也就是規范不變性。

張朝陽：是啊，這太重要了，我剛剛才從你這學到了這個知識。

徐一鴻：沒錯。如果你能在1954年理解這些，你就可以自己寫出楊-米爾斯規范場論了。

從量子力學到量子場論

張朝陽：量子力學早期還是建立在牛頓時空觀上的，比如薛定諤方程就是波函數對時間的一階偏導數，這其實還是牛頓力學式的框架。當然薛定諤一開始也想寫下相對論性的波動方程。

徐一鴻：薛定諤一開始就寫下了克萊因-戈登（Klein-Gordon）方程。事實上，當時有八九個人寫下了一模一樣的方程。但薛定諤意識到，當時要緊的問題是求解氫原子光譜，而在氫原子中，電子的運動速度應當是很慢的，所以非相對論性的波動方程就足夠了。海森堡聽說薛定諤寫下波動方程后非常失落，因為人們只熟悉偏微分方程，而不熟悉矩陣運算。海森堡擔心自己的矩陣力學無人問津，從而找不到工作。然而事實上，矩陣力學被廣泛接受，他也成了20世紀最偉大的物理學家之一。

關于海森堡有一個故事。有一次他得了流感去黑爾戈蘭島隔離休養?？祻突貋砗?，他就對人說，如果你想尋找些靈感的話，你可以看看海，海代表著無限。這就是為什么加州大學圣塔芭芭拉分校的理論物理系是靠海而建的。我的辦公室和我的家都是朝著大海的。

張朝陽：海森堡的理論后來也被證明和薛定諤的波動力學等價。

徐一鴻：是的，被狄拉克證明了。

張朝陽：關于量子力學，我認為它和經典力學最大的不同就是它是離散的，比如束縛態有分立的能級。你是怎么認為的呢？

徐一鴻：你說得很對。最開始我們就是為了解釋氫原子的分立光譜才去發展量子力學。

張朝陽：有了量子力學和相對論，接下來就該進入量子場論了。跟我們介紹一下量子場論吧。

徐一鴻：量子場論是我們目前最成功的理論之一，用它算出的電子反常磁矩和實驗值在小數點后9位都是相吻合的。量子場論的發展速度很快，還在量子力學和弦論之間架起了一座橋梁。從狹義相對論到廣義相對論隔了十年，而從量子力學到量子場論也就五年時間，比如1928年狄拉克就提出了描述電子的相對論性運動方程。不過后來研究被二戰打斷了，費曼和施溫格都稱，自己最高產的年齡被用在了研究核物理和雷達上。

張朝陽：我聽說海森堡當時想從美國回到德國工作，費米就去勸他別回去了，留在美國躲避戰亂更好。但海森堡還是回去了。費米也是個偉大的物理學家，既精通理論又擅長實驗。

徐一鴻：是的。不過我想說明一點，現在大家在學校學習量子躍遷，計算躍遷概率會用到“費米黃金規則”。不過費米的原始論文是關于弱相互作用的，在那里引入了一個所謂的“黃金規則”，所以我覺得“費米黃金規則”這個名字是被誤用了。事實上，關于量子躍遷的公式最早是由狄拉克給出的。我曾經和一個博士后聊到“費米黃金規則”，他告訴我他也有一個“黃金規則”，就是“誰有黃金，誰就是規則”。

張朝陽：提到費米，我就想到你寫過《物理夜航船》，專門講猜算的。費米在第一顆原子彈爆炸時，在沖擊波到來的那一刻灑下一把紙片，通過紙片的水平位移估算了爆炸當量。你還在二十年前寫過《Quantum Field Theory in a Nutshell》，它和最近出版的《Quantum Field Theory, as Simple as Possible》有什么區別嗎？

徐一鴻：二十年前那本是教科書。普林斯頓大學出版社的主編告訴我，你也許應該給介于大眾和學生之間的那一撥人再寫一本書。這些人已經閱讀了一定的科普書，但又沒有足夠的基礎去讀教科書。在科普書和教科書之間確實存在一個空檔。

張朝陽：沒錯，這也是我對《張朝陽的物理課》的定位。

愛因斯坦的“相對論”

和“不變論”

徐一鴻：我還寫過一本教科書《Einstein gravity in a Nutshell》。為什么我不在書名上寫relativity呢？因為愛因斯坦其實不喜歡“相對論”這個名字。在愛因斯坦的原始論文中并沒有出現這個名字。

張朝陽：是的。原始論文是《On the Electrodynamics of Moving Bodies（論動體的電動力學）》。

徐一鴻：相對論這個名字其實是德國人Alfred Bucherer發明的，他當時只是想模仿愛因斯坦的原文來嘲諷這個理論。事實上，愛因斯坦的本意應該是強調不同參考系下什么量才是不變的，這樣來看叫“不變論”也許更合適。愛因斯坦晚年就很后悔，因為“相對論”這個名字帶來了太多的誤會，以至于引得很多哲學家也找上了門。

我自己也曾被哲學家找上來，說我們物理學家證明了真理是相對的，沒有絕對真理。但事實恰恰相反！這個名字太容易引發誤解了，要真正理解它，你得先想象有兩個相對運動的觀測者，他們在觀察相同的事件時，盡管看起來可能不一樣，但他們是能達成共識的。物理學家們追尋的正是不同觀測者所能看到的不變量。

張朝陽：這就是為什么廣義相對論中需要用張量表達物理量，它的分量在不同參考系下是協變的。

徐一鴻：愛因斯坦還預言了光線會被太陽偏折。有些人就聲稱愛因斯坦偷了一個德國人索爾納（Soldner）的點子。不過搞笑的是，索爾納是把光線當成有質量的粒子束用牛頓引力來算的，而牛頓早就做過這個計算了，他只不過是重復了一遍而已。而愛因斯坦計算出的偏折角比牛頓理論給出的結果多了一倍。

所以我在我的書里寫道，如果德國人是對的，那么愛因斯坦就好像是一個盜賊進入了博物館，沒有把名畫偷走，而是進入了禮品店把名畫的復制品偷走了。可見這有多荒謬。

張朝陽：沒錯，我即將出版的《張朝陽的物理課（第四卷）》就計算了這個偏折角，它是經典理論的兩倍。

徐一鴻：愛因斯坦當初計算時犯了個錯誤，漏掉了因子2，得到了和牛頓一樣的結果。1914年本來有一支探測隊要通過日全食檢驗光線偏折，結果因為一戰爆發，俄國人將他們視為間諜關押了起來。幸好這一次的實驗沒有順利進行。后來愛因斯坦修正了自己的計算，得到了2倍于經典理論的偏折角。再之后1919年愛丁頓觀測了日全食，驗證了廣義相對論。

張朝陽：愛丁頓彼時是否對實驗數據有所篡改？

徐一鴻：我認為沒有，而且現在我們有了更高精度的實驗手段，也不用再去等待日全食。這些實驗都驗證了廣義相對論的正確性。

物理直覺

往往比數學工具更重要

張朝陽：很多人認為自己的數學不夠好。但數學并沒有那么難，你只要按照步驟一步步計算，就能得到正確的答案，接下來再不斷增加難度來提高自己的數學水平。不過你認為對于物理學家來說，哪一門數學最重要？

徐一鴻：我認為有三門。第一個是偏微分方程，第二個是微分幾何，這是理解引力所必要的。第三個是群論。

很多人說物理學家要學習高級的數學。但是如果看一下我們的物理學，就會發現它只用到高年級本科生數學課程前三周或者前四周的內容而已。比如微偏分方程，物理學家大部分只會用到線性的部分。對于微分幾何和群論，也都只會用到教材的前三章。

張朝陽：第三章之后的章節就沒用了嗎？它們是關于什么的？

徐一鴻：比如說我寫的群論教科書，在接下來的章節會講到，李代數的分類、共形代數等等，可能會有更高級的東西。但是我想說的是，理解物理學只需要非常簡單的數學知識。比如蓋爾曼（Gell-Mann）發現了夸克，但他其實不懂太多的數學。如果一個人精通數學，那他就能在物理學上取得成就了嗎？并不是的。否則，數學系的那些教授只需要每周五花點時間做做物理研究，就能去拿諾貝爾物理學獎了。

張朝陽：非常認同，如果你一直做非常復雜的數學計算，有時候就會迷失在其中而抓不住物理直覺。

徐一鴻：有時候直覺是相當好用的。蓋爾曼當時在法國休假，他想到泡利對電子用了2×2的矩陣，也許對于強子可以試試3×3的矩陣。對他來說他只要會算3×3矩陣的對易子就夠了，這就是最基礎的線性代數。

張朝陽：他當時不知道李代數嗎？

徐一鴻：他自稱不知道，或者不是很熟悉。我本人有時候也不全信他的說法。不過，我發現中美在科學文化上存在很大的不同，中國人更樂意說我知道哪些東西，而美國人更樂意說我不知道哪些東西。

張朝陽：是的，我總給我的觀眾講我不知道這些數學。有些時候我了解一點基礎知識后，我就自己去研究。所以你并不需要了解每一個知識，你可以盡管去嘗試，說不定就能得到一些獨特的結果。

物理學的未來

要靠年輕一代

學生A：經典物理中有很多簡潔優美的公式來概括物理定律，然而現代物理理論在變得越來越龐雜，人們似乎很難再用簡潔的公式描述物理，您是如何看待這樣的發展趨勢？我們是不是在一個錯誤的發展方向上呢？

徐一鴻：這個問題取決于你們。你們年輕人才是創造新方向的物理學者。

學生B：徐教授剛剛提到，麥克斯韋糟糕的符號阻止了他進一步去挖掘方程背后的奧秘，現在量子場論似乎也到了類似的境地。你認為有沒有可能就像赫維賽德簡化麥克斯韋方程組那樣，來簡化量子場論呢？有沒有可能需要為此發展新的數學工具？比如紛繁復雜的重整化技術等等。

徐一鴻：我認為每一代物理學家都在想方設法簡化方程。我的答案和上一個問題一樣，這都取決于你們。你們才是將會提出新的符號體系的人。我也一直感覺量子場論需要更好的符號，但我們不可能像出門購買商品那樣輕易地獲得它。你們只有坐下來，好好去發展一套新的數學工具才行。

張朝陽：我得補充一下，在《張朝陽的物理課（第四卷）》中，我是一邊學習廣義相對論一邊直播講課。有一陣子我就陷入過對于張量符號的困惑中，后來我自己搗鼓出了一套對偶基矢，一下就明白了逆變和協變。我原本并不知道那么多，但是我靠自己搗鼓出來了一套自洽的符號。我建議，在研究物理的過程中，讀書只是一部分，更多的是要邊研究邊動手算。有時候知道得少一點，也會幫你打開思維。

徐一鴻：我認為年輕人總有一種錯誤認識，總是要等自己了解了一切后再開始做研究。