文︱關(guān)品方

五四精神的核心是愛國，進步，民主，科學(xué)?？茖W(xué)是指反對迷信和輕信，追求知識和真理。內(nèi)地近期興起讀書會熱潮，其中一個重要方面是普及科學(xué)知識。九三大閱兵是軍事的王道主義，將道義、智慧與武力結(jié)合起來的戰(zhàn)略思想，反對霸權(quán)侵略，通過正義行動實現(xiàn)國家的長治久安。科技興國是時代的呼喚。強軍建設(shè)是應(yīng)有之義。

由于近年中國空間站建設(shè)取得突破、登陸月球計劃不斷推進，民間掀起對天體物理學(xué)的廣泛興趣。自然科學(xué)的數(shù)理化生，以數(shù)學(xué)和物理最為艱深。物理學(xué)的重大發(fā)現(xiàn)，需要以數(shù)學(xué)方程式和常數(shù)表述，而且需要通過科學(xué)實驗認(rèn)證。民間近年對楊振寧教授在物理學(xué)方面的成就廣泛關(guān)注。有評論認(rèn)為，人類“千年物理學(xué)家”頭20位，與牛頓、愛因斯坦等并列、榜單上唯一在世的世界級巨人只有楊振寧。他35歲（1957年）就與李政道合作顛覆了物理學(xué)有關(guān)宇宙對稱守恒的鐵律（在弱核力相互作用之下宇宙對稱并不守恒），成為首位華人諾貝爾獎得主。他從提出理論到獲獎僅用了2年（因為得到吳健雄教授馬上做相關(guān)實驗佐證），創(chuàng)下了諾獎史上的奇跡。他完成了愛因斯坦未竟之業(yè)，提出的“楊-米爾斯理論”，統(tǒng)一了自然界除了萬有引力之外的其他三大基本力（電磁力、弱核力、強核力），將“大統(tǒng)一理論”往前推進了一大步。愛因斯坦窮盡晚年未解的難題，被楊振寧鑿開了突破口。

楊振寧去國26年后首次回到北京，是在1971年；周總理接見并請他吃飯，深入交談，勉勵有加。其后的半個世紀(jì)，楊振寧兢兢業(yè)業(yè)為國家的科學(xué)事業(yè)發(fā)展默默耕耘，工作重點之一是普及科學(xué)知識，誘發(fā)一代又一代的年輕人對物理學(xué)基礎(chǔ)理論、科學(xué)實驗和轉(zhuǎn)化應(yīng)用的興趣，功不可沒。

筆者近年在這方面讀書略有心得，不嫌淺陋，簡單介紹物理學(xué)的基礎(chǔ)知識（撇開數(shù)學(xué)方程式和常數(shù)不談），高考物理合格已可以理解，謹(jǐn)供參考。

現(xiàn)代物理學(xué)的整個底層框架由相對論、量子力學(xué)、量子場論和粒子物理學(xué)構(gòu)成，包括物質(zhì)，能量和信息。物質(zhì)由51種“粒子”（particle）和“場”（field）組成。能量在空間之中存在四大力量（引力、強核力、弱核力、電磁力）。信息是時間和熵的互動，在宇宙之中對稱守恒。

物質(zhì)是物理世界的客觀存在。物質(zhì)具有質(zhì)量、形態(tài)和結(jié)構(gòu)，分為粒子體（有限、離散、可觀測）和場（無限、連續(xù)、不可觀測）。物質(zhì)是能量的載體，也是信息的基礎(chǔ)。例如，原子和分子的排列方式?jīng)Q定了物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)，這本身就是一種信息。

能量是物質(zhì)運動的量度。能量反映了物質(zhì)運動的能力，有多種形式（如動能、勢能、光能、熱能等）。愛因斯坦的質(zhì)能方程 E=mc2，論證物質(zhì)和能量可以相互轉(zhuǎn)化；c 是常數(shù)、光的絕對速度。能量也是信息的載體，信息的傳遞和處理需要能量的介入。例如，信息的傳輸需要電能或光能，智能手機每分每秒都在利用它。

信息描述物質(zhì)系統(tǒng)的狀態(tài)，反映了事物的內(nèi)部屬性、狀態(tài)、結(jié)構(gòu)及其與外部環(huán)境的互動關(guān)系；信息的掌握，排除（或減少）了事物的不確定性。信息既不是物質(zhì)也不是能量，而是物質(zhì)或能量的狀態(tài)和屬性。例如，DNA 中的遺傳信息指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成，這一過程涉及物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)化，體現(xiàn)在思想和行為。

知道一個概念和真正懂得這個概念有很大區(qū)別，筆者很早就知道這一點。但起碼我們需要首先知道，然后懂得。物理知識相當(dāng)深奧，筆者經(jīng)常告誡自己，先要虛心理解，不要隨便挑戰(zhàn)，避免淺薄爭論。

物質(zhì)，能量和信息三者的相互關(guān)系，根據(jù)筆者的理解 : 物質(zhì)是能量和信息的載體，能量驅(qū)動物質(zhì)的運動和信息的傳遞，信息指導(dǎo)物質(zhì)和能量的組織與轉(zhuǎn)化。例如，光合作用中，植物通過吸收光能（能量），將二氧化碳和水（物質(zhì)）轉(zhuǎn)化為有機物和氧氣，同時儲存化學(xué)能、傳遞生長發(fā)育的信息?？偠灾?，能量、物質(zhì)和信息是物理學(xué)的三大基石，它們相互依存、相互作用，共同構(gòu)成了我們理解的自然界。

相對論、量子力學(xué)和粒子物理學(xué)已經(jīng)有很多科普文章介紹過，筆者在這里不再重復(fù)。量子場論的發(fā)展是眾多物理學(xué)家共同努力的結(jié)果，沒有單一的提出者，但這里面有楊振寧的巨大貢獻。量子場論的發(fā)展過程，到今天已99年。從1926至1927年 ，3位科學(xué)家提出了將電磁場作為無窮維自由度系統(tǒng)進行量子化的方案。Paul Dirac 論證了電磁場量子化，將其視為無窮多個諧振子的系統(tǒng)，每個諧振子對應(yīng)一個本征振動模式，激發(fā)態(tài)表現(xiàn)為光子（photon，第一次提出）。質(zhì)子、中子、電子之外，還有光子；光是光子的移動；這是重大突破。1928 年，2位科學(xué)家提出了電子場量子化方案，被稱為“二次量子化”。1929 年，2位科學(xué)家建立了量子場論的普遍形式，引入場量和正則動量的計算符號。從1946至1949年，3位科學(xué)家發(fā)展了新的微擾論計算方法，費曼引入了圖形表示法，簡化了計算。然后到1954年，楊振寧和 Robert Mills提出了“楊-米爾斯理論”，為描述強核力、弱核力和電磁力三種相互作用的《規(guī)范場論》奠定了基礎(chǔ)。從1961至1968年，3位科學(xué)家建立了弱電統(tǒng)一的量子規(guī)范理論，即 GWS 模型（GWS是他們的姓氏頭文字）。

百年回顧，一般公認(rèn)楊振寧1954年提出的《規(guī)范場論》是量子場論的重大突破。當(dāng)年他只有32歲。過去幾十年來，他在不同場合經(jīng)常提到他在西南聯(lián)大讀書時的幾位恩師。當(dāng)年雖然中國處在抗日戰(zhàn)爭兵荒馬亂的艱難環(huán)境，楊振寧、鄧稼先等學(xué)到的是絕對扎實的、最尖端的物理學(xué)理論；楊振寧對老師們充滿感恩之情。

量子場論的發(fā)展是一個逐步完善的過程，涉及眾多物理學(xué)家的貢獻。筆者認(rèn)為，把成績歸功于個別科學(xué)家，只是為了方便敘述。例如有關(guān)李政道和楊振寧之間的所謂個人恩怨，誰功勞較大，排名孰先孰后，在科學(xué)實驗的長河之中其實微不足道。

信息是熵和時間的綜合，有其恒常的對稱性；信息是時間、熵和對稱的三合為一。如果宇宙沒有基本的對稱守恒，沒有恒常（長期不變）的運作規(guī)律，那就不會有我們現(xiàn)時認(rèn)識的客觀世界，空間站和太空船的精準(zhǔn)對接絕對做不出來。沒有“宇宙對稱守恒”（弱核力除外）的假設(shè)、只存在于科幻小說之內(nèi)（例如“三體”或“地球末日拯救隊”）。

時間和對稱，我們大概知道了；什么是“熵”（entropy）？ 熵是一個描述系統(tǒng)狀態(tài)的物理量，具有多種含義和應(yīng)用。熱力學(xué)的定義是系統(tǒng)中不能用于做功（work）的熱能量度，可逆過程中吸收的熱量，表現(xiàn)為溫度。熵增定律（熱力學(xué)第二定律）指出，孤立系統(tǒng)的熵總是趨向于增加，即系統(tǒng)從有序走向無序。統(tǒng)計物理學(xué)的解釋是熵與系統(tǒng)的微觀狀態(tài)的數(shù)量有關(guān)（公式內(nèi)有玻爾茲曼常數(shù)）。熵越高，系統(tǒng)的混亂程度越大。熵在信息論中應(yīng)用廣泛。信息熵與熱力學(xué)熵在數(shù)學(xué)形式上相似，反映了系統(tǒng)的無序性。芯片設(shè)計、人工智能和腦機接口，和它有關(guān)（統(tǒng)計物理學(xué)在熵增方面的應(yīng)用）。

熵增定律解釋了許多自然現(xiàn)象，例如熱量傳遞和生命系統(tǒng)的維持，無時無刻不在人體內(nèi)發(fā)生。在工程、生態(tài)、社會治理等領(lǐng)域，熵的概念可用于分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性和演化方向。熵是一個跨學(xué)科的概念，核心在于描述系統(tǒng)的無序性和演化方向。作為一個描述系統(tǒng)混亂和無序程度的物理量，熵的概念最早由德國物理學(xué)家克勞修斯于 1865 年提出，用于研究熱循環(huán)中的能量轉(zhuǎn)換。筆者的理解，一杯熱水在空氣中，熱量向四周散發(fā)是無序的。冰塊慢慢溶解變?yōu)樗?，分子從有序排列變成無序的、沒有系統(tǒng)性的排列，是固體變液體的過程。

熵被認(rèn)為是物理學(xué)中最“可怕”的概念（之一），是因為熵增定律指出在孤立系統(tǒng)中，熱量總是從高溫流向低溫，從有序走向無序，過程不可逆轉(zhuǎn)。這意味著宇宙中的一切都在逐漸走向混亂和無序，生命也無法逃脫這一規(guī)律，最終不管是太陽系還是銀河系，整個宇宙都會走向老化死亡。熵增定律揭示了宇宙的終極演化方向。如果宇宙是一個孤立系統(tǒng)，其混亂程度將不斷增加，最終可能達(dá)到 “熱寂” 狀態(tài)，所有能源枯竭，再沒有任何可以作功的能源。

最后，熵增的方向被定義為時間流逝的方向，即時間箭頭（time vector）。熵的概念對于理解時間的本質(zhì)和宇宙的演化具有重要意義，讓人感受到時間流向的不可逆轉(zhuǎn)性和宇宙命運的不可避免性，幫助我們更深刻地理解宇宙的運行規(guī)律。

熵和時間加起來等同信息的觀點，源于熱力學(xué)、信息論和宇宙學(xué)的交叉研究，揭示了自然界的深層規(guī)律。

歸納起來，筆者的理解是 : 時間的流向伴隨著信息的增加，二而一，一而二。每過一秒，宇宙就有新的事件發(fā)生，這些事件從不確定的未來變?yōu)榇_定的過去，從而增加了宇宙的總信息量。時間的不可逆性（時間之箭）與熵增密切相關(guān)，因為熵的增加賦予了時間一個不可逆反的方向。我們的記憶只能夠記錄低熵到高熵的方向，因此感到時間在流動。熵的增加推動時間的流動，而時間的流動又導(dǎo)致信息的積累。從量子態(tài)到經(jīng)典態(tài)的轉(zhuǎn)變（例如量子實驗成為確定事件），產(chǎn)生了新的信息，同時增加了熵。因此，熵和時間共同構(gòu)成了信息的基礎(chǔ)，三者相互關(guān)聯(lián)而且互動，缺一不可。

熵和時間的結(jié)合等同信息。熵是信息的不確定性，時間是信息的積累過程，信息是兩者共同作用的結(jié)果。這一觀點不僅在物理學(xué)中具有重要意義，也為理解宇宙的演化和生命的現(xiàn)象提供了新的視角。

能量、物質(zhì)和信息三者之間可以相互轉(zhuǎn)化，這一觀點在現(xiàn)代科學(xué)已經(jīng)得到了廣泛支持。愛因斯坦的質(zhì)能方程 E=mc2 表明質(zhì)量可以轉(zhuǎn)化為能量，能量也可以轉(zhuǎn)化為質(zhì)量。核反應(yīng)中，微小的質(zhì)量損失會釋放出巨大的能量，正是核彈和氫彈的原理。能量與信息可以互相轉(zhuǎn)化，信息的傳輸和處理需要能量的支持。例如我們在手機上發(fā)送電子郵件、寫文章，需要弱電能驅(qū)動設(shè)備。

物質(zhì)可以承載信息（例如 DNA 通過化學(xué)結(jié)構(gòu)傳遞遺傳信息），信息也可以影響物質(zhì)的狀態(tài)（例如通過激光冷卻技術(shù)，光子攜帶的信息可以改變原子的運動狀態(tài)）。三者的統(tǒng)一關(guān)系，可以將物質(zhì)、信息和能量統(tǒng)一到守恒框架，表明三者的總量加起來守恒不變。當(dāng)然，三者之間的轉(zhuǎn)化只在特定條件下發(fā)生（例如導(dǎo)彈爆炸），日常生活中近乎不可能。

最后，國務(wù)院下屬有工業(yè)和信息化部（簡稱工信部），主要職責(zé)包括提出新型工業(yè)化發(fā)展戰(zhàn)略和政策，協(xié)調(diào)解決新型工業(yè)化進程中的重大問題，制訂并組織實施工業(yè)和通信業(yè)信息化的發(fā)展規(guī)劃，推進產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的戰(zhàn)略性調(diào)整和優(yōu)化升級。例如所謂大數(shù)據(jù)處理，是信息化的簡化表述。中國現(xiàn)時需要大量信息工程師，今天中國科學(xué)技術(shù)的躍進如井噴，估計任誰也阻擋不了。

筆者認(rèn)為，我們在觀察國際形勢變化的時候，遠(yuǎn)方的戰(zhàn)火紛飛，需要提升我們對基礎(chǔ)物理的認(rèn)知，強化科學(xué)精神，避免被虛假信息誤導(dǎo)，聚焦和平發(fā)展及民族復(fù)興。九三大閱兵，不是耀武揚威，而是向全世界顯示中華民族以王道抗衡霸道的力量、今天中國的科學(xué)水平已經(jīng)發(fā)展到一個什么程度。