科学与文化的交融

              —读关洪的《空间—从相对论到M 理论的历史》

 

                                王正行

                          (北京大学物理学院)

 

    前不久关洪教授从广州来北京,在北大科学与社会研究中心发表演说,邀我前往助兴。会后杨国桢院士设宴为他接风,席间关洪分赠我们他的新著,就是这本《空间—从相对论到M 理论的历史》。看完后他要我写篇书评,我们是年少时的同窗室友,只能从命,所以不揣浅薄,拿这些感想来与广大读者交流。

    坊间已经有一本斯蒂芬·霍金的《时间简史—从大爆炸到黑洞》,这实际上是他的宇宙论的普及版。霍金是名人,他的这本书是畅销书,我慕名买了一本,当时匆匆看了一遍,给我印象最深的是他对牛顿为人的批评,这使我改变了对牛顿的看法。他的正文最后一句话是“如果我们对此找到了答案(指为何会有我们和宇宙),则将是人类理智的最终胜利,因为那时我们将了解上帝的心智”,在这里他提到了上帝。霍金面对的是西方的读者和听众,在他作演讲时经常会有听众问他“你相信上帝吗?”这是基督教文化的核心问题。霍金的回答闪烁其辞答非所问,这就不是本文的话题了。西方的公众并不把科学看成超脱于一般文化意识之上的孤立实体,而是把科学当作他们文化观念的载体和整个文化不可分离的一个部分。只是在中国,新文化运动的先驱们在引进西方近代科学时,略去了科学的文化内涵和人性化的一面,过分强调了科学的专业化和学术性的一面,而在改革开放之前极左思潮的高压下科学家们又把文化意识视作惹祸的根源尽量避而远之。尽管至今残留的“极左派”已是屈指可数,但仍有许多人心有余悸,这才形成了我们今天对科学的一种特殊的看法和信念。

    空间与时间在相对论里是互相联系不可分割的一个整体的两个不同侧面,在霍金讲时间的书里不可避免地要谈到空间和爱因斯坦的相对论,在关洪这本谈空间的书里同样也不可避免地讲到了时间和爱因斯坦的相对论,爱因斯坦的相对论是这两本书共同的理论基础与出发点。而在我们大学的物理教学里,相对论完全是爱因斯坦根据光速不变性和相对性原理作出的逻辑推论,顶多也只是提到洛伦兹的唯象理论已经在爱因斯坦之前给出了洛伦兹变换公式,和法国著名数学家庞加莱(H. Poincare)1904年的圣路易演讲中已经提出了相对论的基本思想。按照这种讲法,相对论就完全成为爱因斯坦个人的天才创造,成为物理学发展中一个孤立的偶然事件和奇迹(miracle)

    关洪的这本新著,也可以说是一本《空间简史》,书中对于产生爱因斯坦相对论的社会文化背景,为我们展现了一幅更加广阔的视野,和进行了更加深刻的分析。在十九世纪末叶,欧洲社会风行的通灵术和心灵感应术在物理学家当中也激起了一阵热潮,这就像是前些年我们风靡一时的特异功能。当时的物理学家纷纷希望用高维空间的存在来作出解释,这吸引了像发明阴极射线管的克鲁克斯、电学理论家韦伯、发现电子的J.J.汤姆孙和德高望重的瑞利等一大批著名物理学家。这样一股探索高维空间的思潮不仅仅局限于物理学家的圈子,而是成了一种社会文化现象,其影响甚至波及到了文艺圈。关洪在书中指出,西班牙著名画家毕加索挣脱三维视野束缚探索高维空间的惊世之作《阿维尼翁的少女们》创作于1907年,迪尚(M.Duchamp)尝试把时间维度添加到一幅画作里的《下楼梯的裸女》画于1912年,这与爱因斯坦发表狭义相对论的1905年这么接近,并非偶然的巧合,而是同一种社会文化思潮的表现。关洪在分析中指出,有证据表明,爱因斯坦和毕加索在思想上都受到庞加莱的影响。爱因斯坦在瑞士伯尔尼同他的奥林比亚科学院的朋友们肯定阅读或讨论过庞加莱有关相对论的著作。而在同一时期,毕加索在巴黎也有一个经常讨论艺术、哲学和科学的圈子,其中甚至有一两位数学家,他们也肯定阅读和讨论过庞加莱的著作,特别是他在1902年出版的《科学与假设》这部名著。在这本书中,有一章专门论述空间和几何学的概念,包括非欧几里德几何学和四维空间的世界。正是在这种观念的基础上,毕加索终于绘成了惊世骇俗的《阿维尼翁的少女们》,藐视传统的透视规则,展露出在三维空间中不可能同时看到的多个不同侧面,模拟在四维空间里观察到的人体形象,改变了文艺复兴以来绘画艺术空间概念的基础。原来,改变物理学时空观念的狭义相对论,和改变传统绘画艺术空间观念的抽象派作品,竟然是互相关联的同一种文化现象。

    这就不难理解,为什么相对论和抽象派艺术在西方很快就被大众接受,而在我们的社会却一直难以融入。我们在上一世纪五十年代有过一次跟随前苏联的对于相对论的批判,在文化革命中又有过一次自上而下发动的对于相对论的流产的批判,而时至今日在我们的社会中仍然存在一个以从各个角度来批判相对论和量子力学为己任的群体。究其原因,我相信可以在我们的社会文化背景中找到根源。

    我们一直在期待在我们的社会里出现大师级的科学家,一直在努力建设世界第一流的高等学府。从关洪所描述的上述诞生爱因斯坦和相对论的欧洲社会文化背景,我们应该醒悟到,像爱因斯坦这样的大师不是给予足够投资就能“培养”出来,世界一流大学也不是用金钱就能堆砌出来的。出现大师和一流学府的土壤,是整个社会的文化背景和观念。大师与一流大学不是孤立于整个社会的偶然现象,不是任何个人主观意愿的人造产品,而是整个社会文化发展进步的自然结果。西南联大确实孕育了杨振宁和李政道这样后来在美国社会中成长为大师的种子,但是我们很难保证他们在另外的社会文化环境里也一定能获得同样的成就。科学的发展与整个社会文化的发展是紧密相关相辅相成的。科学是整个社会文化的一个有机的部分,而不是孤立于社会文化之外的独立实体。

    关洪的这本书与霍金的书一样,都是以广大社会公众为读者对象的科学普及读物。为了赢得更多的读者,霍金的做法是避免使用公式。他在全书中只用了爱因斯坦的质能关系E=mc2这一道公式,而他还“希望这个公式不会吓跑我的一半潜在读者”。关洪的做法不同。在关洪的这本书中当然也尽量避免使用专业术语和公式,我相信这是写作任何科学普及读物都必须遵循的一条基本规则。技高一筹的是,关洪不是被动地避免吓跑读者,而是主动地设法吸引读者。在他的这本书中展示了大量引人入胜的图片和照片,平均几乎每页有一幅,让我们大开眼界大饱眼福。从古希腊哲人的画像到被誉为当代爱因斯坦的威滕(E. Witten) 的近照,从科学家的照片到政治家列宁和音乐大师巴赫的肖像,与本书论题相关的古今中外名人的照片或画像应有尽有。特别让我看了倍感亲切的是,除了杨振宁、李政道和吴健雄的照片外,在讲到广义相对论的引力波时,还看到了我国著名理论物理学家胡宁的照片。胡先生是我们的业师,我听过胡先生的量子场论和广义相对论课程。他1947年用简化的计算首次定量地预言,双星系统由于发出引力波的辐射而导致周期变慢,这在三十年后被一对由中子星构成的脉冲双星周期的观测所证实,成为引力波存在的第一个证据。在对空间的科学探索中,我们中国人也不仅仅只是局外的旁观者。

    前面提到了,这本书涉及音乐和艺术这样更大众化的社会文化层面,所以也展示了许多与探索空间概念相关的美术画作。除了毕加索和迪尚的名画外,还有画坛怪杰艾舍尔(M.C. Escher)的多幅怪圈和不可能图形。这都是大大有助于开发心智和启迪思维的。书中特别还展示了几幅在中山大学校园内拍摄的植物生态图,提醒我们,就是在我们身边司空见惯的这些普通事物中,也包含了与我们的空间概念紧密相关的东西。为了搜集和准备这本书中的这些丰富多采的图片,关洪专门买了一台数码相机。我相信许多图片都是从互联网上获得的,不知道出版社注意了获得授权没有,但愿不要因此而惹上麻烦。

    作为一本关于空间概念的科学普及读物,作者写作时面对的读者当然是只有中学文化基础的广大群体。我读很多这一类读物时,往往有被当成小孩子哄的感觉,或者就是味同嚼蜡读不下去。看关洪的这本书则有大不相同的感受。正像我被本书深深吸引一样,我相信更高层次的读者,包括科学家和哲学家,同样也可以从本书获得丰富的新鲜知识,得到思想的启迪和加深的理解。比如说,为什么我们生活的空间恰恰是三维,而不是二维,也不能是四维或更高维,在这本书里就有浅显的但是物理上的讨论。又比如说,外尔(H. Weyl)在上一世纪初叶是如何尝试把电磁场与引力场统一起来的,卡鲁扎(T. Kaluza)又如何尝试在五维空间里把电磁场与引力场统一起来。参照这些历史的经验,把今天致力于在更大范围内实现统一的努力放在历史的长河中来考察,会使我们这些一般的读者对威滕的工作(即本书副题中的“M 理论”,这里M 是指“膜”Membrane,“魔幻”Magic,或“秘密”Mystery)有一个更开放和广阔的视野,也会使参与这一探索的追求者们有机会对这个问题的早期历史进行一次简短的回顾。

    总之,这是一本值得向广大读者推荐的好书,无论你是哪一个层次的读者,都会从本书获益。要说不足的话,我觉得本书缺少一个名词和人名索引,使得读者在想查找一个名词的解释或人名的出处时,不得不一页一页地翻找。这是我们的文化不同于西方文化的一个具体细节,不仅仅是这一本书的问题。

本书信息:关洪著,《空间—从相对论到M理论的历史》,清华大学出版社出版,

          20045月第一版,书号ISBN 7-302-08395-9/O·355,定价18元。

(作者是北京大学物理学院教授,本文的删节稿已刊登于2004728日《中华读书报》)