物理学是研究物质及运动规律的科学. 其研究内容可以概括为两大方面: 1)在更高的能量标度和更小的时空尺度上, 探索物质世界的深层次结构及其演化规律; 2)面对由大量个体组元构成的复杂体系, 探索超越个体的、“演生”出来的有序和合作现象. 上述两方面的追求体现了两种基本的科学观—还原论(reductionism)和演生论(emergence)。

        “还原论”物理把物质性质归结为最基础组元间的基本相互作用(电、弱、强相互作用和引力). 基于杨-米尔斯(Yang-Mills)规范场理论发展起来的标准模型, 通过局域对称性统一了电-弱相互作用, 也描述了强相互作用. 人们期待进一步把引力也统一到更大的对称性模型之中, 实现一代又一代物理学家期待的终极大统一理论的科学梦想. “演生论”物理主要研究多体复杂系统的整体有序和合作效应, 把较高层次“演生”出来的规律当成基本定律加以探索。

        围绕着“还原论”和“演生论”, 物理学形成了不同的学科分支. 前者有粒子物理、核物理和原子分子物理等, 而后者包含凝聚态物理、等离子体物理和激光物理等. 物理的理论基础是“四大力学”, 但它们又各自发展出相关的理论, 如激光理论、固体理论等. 作为物理学的分支学科, 理论物理常常被质疑: 既然物理学不同的学科分支有各自的物理理论, 为什么还需要有理论物理? 理论物理的典型学科特征是什么?

        事实上, 物理学基于“还原论”和“演生论”描述物质世界, 其科学手段是利用实验进行主动的观测. 它通过建立理论模型或哲学思考, 提出初步的科学理论假设, 然后借助新的实验进行判定性检验, 并用严格的数学语言精确、定量地表达其一般的科学规律—物理定律, 由此可以进一步预言新的物理效应, 并应用到新的领域. 物理学研究方法的这些内禀特征, 决定了理论物理学作为一门独立学科存在的必要性, 也预示着它在物质科学中具有核心的地位. 王竹溪和郝柏林明确定义什么是理论物理：“理论物理是物理学的一个分支. 理论物理学把物理学各个分支领域对物质运动规律的研究成果, 作出高度概括, 表述为基本的定量的关系, 建立起统一的深刻的理论体系, 说明和预见新的物理现象. 许多实验和理论的集体, 既分工又配合, 在理性认识和感性认识的多次循环往复中, 使物理研究工作步步深入, 揭示和应用自然界的客观规律……”. 他们还进一步强调, “一方面, 物理学的各个分支都有相应的理论, 另一方面贯穿于各个方面的理论又形成体系, 构成理论物理学科. 理论物理又起到沟通各个分支学科的桥梁作用”. 由此看来, 理论物理学是一门跨越物理学各个分支领域乃至其它物质科学领域的综合交叉学科。

        按照还原论的观点, 凝聚态物理学之所以能发展成当代物理学最大的分支学科, 是因为它把量子力学和统计物理成功地运用到固体和液体等凝聚态系统, 奠定了材料、信息、生物科学和能源技术的科学基础. 然而, 从演生论角度看, 凝聚态的相互作用多体理论对基础物理也有本质的贡献: 从凝聚态体系的研究提炼出来的普适概念和方法, 对包括高能物理等其它物理学科的发展也会起到根本性的推动作用. 大家知道, 满足局域规范对称性的要求, 原初的杨-米尔斯场是没有质量的. 泡利曾经据此对当时杨振宁关于规范场的报告提出质疑. 后来, 受BCS超导理论启发, 南部(Yoichiro Nambu)把其中蕴含的对称自发破缺机制应用到基本粒子物理, 通过Higgs-Anderson机制使得规范场获得质量, 由此建立了杨-米尔斯规范场论描述的电弱统一标准模型和关于强相互作用的量子色动力学(QCD). 因此, 对称自发破缺机制的发现是物理学发展历史上的一个重要里程碑, 它已经成为当代理论物理必不可少的基础理论。

1.   理论物理多元价值观基于“美”的统一

        杨振宁先生多次强调的“美”的价值判断可以作为统一其多元化价值观更高层次的标准. 而爱因斯坦、狄拉克和杨振宁本人的具体科学实践可以佐证“美”的标准的合理性。

       “美”看上去是主观的东西, 它怎么可以作为理论物理学价值标准呢? 杨振宁没有直接定义物理学中的美是什么, 但他先复述了玻尔兹曼的说法: 物理理论有美妙的地方, 每一位物理学家对这种美妙有不同感受, 形成自己的风格,这种不同的感受就是杨先生所说的“taste”(品味). 杨先生比较了狄拉克和海森堡, 他更欣赏狄拉克数学上“唯美”的风格: “性灵出万象, 风骨超常伦”(引自高适《答侯少府》). 有了这种风格, 狄拉克可以不惧玻尔、海森堡和泡利等权威, 以有深刻物理考量的“数学之美”写下狄拉克方程, 预言反物质世界. 杨振宁也正是在这种“美”的价值观驱动下, 基于对称性的考虑, 和米尔斯一道, 勇敢地提出了杨-米尔斯规范场论, 而不“介意”泡利基于规范场尚无质量的反对。

       需要指出的是, 泛泛地谈“品味”和“风格”并不能给出“美为什么能够统一理论物理多元价值观”的理由, 但其基本的部分可能包含在数学的价值观当中. 王元先生认为好的数学和艺术一样, 美学是第一标准, 数学美在于大道至简. “理当则简, 品贵则简”. 物理理论之美在于自然物质有结构之美, 而描述它的理论框架必有数学之美. 这种美有与艺术之美相同的地方, 也有不同的地方. 数学美可能是不可言说的艺术之美和(物理)科学美的理性分野: 数学美不是人造的, 是天道自然的基本属性, 亘古有之。

        杨振宁在Physical Review系列杂志发表的第一篇文章是关于时空量子化如何满足平移对称性要求的研究, 这个工作导致了不可对易几何的发展, 但开始却长时间不被物理学界注意. 当然, 细分之下, 数学美和物理美有同根的地方, 也有差别. 杨振宁对数学家在不知道物理背景的情况下发明了“规范场”-纤维丛上的联络感到惊讶, 认为数学家“凭空梦想出了这些概念”. 数学大师陈省身先生的回答并非如此, 他认为“它们是自然的, 也是实在的”. 因此, 虽然数学和物理学关系密切, 但它们各有各的价值观和传统, “有着不同的发展方向”。

        综上分析, 数学不仅为理论物理发展提供了必不可少的工具, 而且为理论物理多元价值观的统一提供了一个重要视角—数学和逻辑之美。

2.理论物理与实验关系

        在阐述爱因斯坦关于理论物理思想方法时, 杨振宁认为: “爱因斯坦从自己的经验及20世纪初物理学的几次大革命中认识到, 虽然实验定律一直是(而且继续是)物理学的根基, 然而, 数学的简和美对于基础物理概念的形成起着越来越大的作用”. 他进一步引述了爱因斯坦的观点: “如果一个理论的基本概念和假设接近于经验, 它就具有一种重要的优越性, 人们对这样的一种理论自然就有更大的信心. …然而, 随着认识的深入, 我们要寻求物理理论基础的逻辑简单性和一致性, 因而我们要放弃上述的这种优越性”。

       实验物理学家对“理论”有时会盲目地深信不疑, 从而导致实验数据使用主观倾向错误理论预言的严重科学问题. 其实, 实验物理学家看到的“理论”预言有可能只是某种“有效理论”的结果, 或只是近似简化模型对实际系统的描述, 可能忘记了近似成立的条件有时会十分苛刻。一些人不能正确地理解理论和实验关系: 1)有理论上的严重误解—错把有效模型当实际系统; 2)有理论上的跟风—没人细致地考察理论预言成立的条件; 3)实验上的结论盲从“理论”—过分相信实验发现重要性依赖“理论”; 4)实验数据使用不客观—有取向地处理数据以拟合已有的“理论”. 由此看来, 谈及理论预言的实验验证, 我们必须追问到底实验“验证”了什么? 一个真实的物理系统, 一个实际的实验, 跟理想模型都是有距离的, 理论结果到模型给出的预言也是有距离的(图5). 很多时候验证的只是近似化后模型的预言, 而非关于真实系统的理论结果.还需要强调的是, 能够基于已经被证明的理论精确计算出来的东西也无需模拟。证实“理论”实验的分级(实际物理-模型-实验的“距离”决定了“实验证实”工作的好坏)　(a)模型预言覆盖了实际系统的全部物理, 实验正好证实了模型预言; (b)虽然模型预言覆盖了实际系统理论结果的全部, 但实验只是证实了基于模型预言的一部分; (c)模型预言覆盖了关于实际系统理论结果的一部分, 实验也只是证实了“模型预言”; (d)模型预言不能覆盖实际系统物理的全部, 实验也只是符合模型部分不准确预言, 证实与否甚至与实际系统无关。

Ranking of experiments that confirm “theory” (the “distances” between the actual physics and model (experiments) determine how well the “experimental verification” works): (a) The model based prediction covers all the physics of the actual system, and the experiment just confirms the model based prediction; (b) Although the model based prediction covers all the theoretical results about the actual systems, the experiment only confirms part of the model based predictions; (c) The model based prediction covers part of theoretical results about the actual system, and the experiment only confirms “model based predictions”; (d) The model based prediction cannot cover all the physics of the actual system, and the experiment only conforms some inaccurate predictions from the model, and even whether it is confirmed or not even has nothing to do with the actual system.
一个好的理论-实验的结合工作, 必须是双盲的、背靠背的, 否则的话就会出现互相人为拟合趋同的科学诚信问题。评价实验验证理论工作的优劣, 可以根据理论-模型-实际物理三者关系分为4个级次. 很明显, 到了第3、4级很可能就走进了学术诚信的灰色地带. 著名化学家Irving Langmuir[21]曾经指出: “可能科学家完全是诚实的, 十分热衷于自己的研究······但完全自己欺骗了自己”, “这些事件中没有任何弄虚作假, 但由于作者不了解作为一个人完全可以被主观的因素、一厢情愿的想象, 而引入歧途, 以致完全陷入错误的泥塘之中”。

        物理学本身是一门基于实验的科学. 既然理论物理是物理学的学科分支, 其正确与否最终就必须回归到实验检验. 然而, 作为一个综合交叉的核心学科, 理论物理发展必须立足于遍历整个发展过程、足够多的实验总和之上、发现共性规律, 一时一地的处理个别实验现象不是理论物理的核心任务. 因此, 在物理学发展过程中间, 有的阶段性理论研究, 开始可能看不到实验检验的可能, 但其进一步拓展和改进却可以导致重大突破和科学革命, 广义相对论和规范场论是这方面的典型例证。

        虽然理论必须联系实际、实验必须基于理论, 但实验的目的也不只是去证实理论, 理论的目的不只是去解释实验. 实验应该去发现新现象、新效应和新物质, 理论要找到新规律、建立新方法。杨先生讲, “虽然实验定律一直是物理学的根基, 但物理学的简单和美对于基础物理的影响起到越来越大的作用”。在这种情况下, 他继续追问道, “21世纪理论物理学的主旋律是什么呢? ”, “在充分明白其中可能涉及的风险后”, 他做了如下的“猜测”: “由于人类面临大量的问题, 21世界物理学很可能被各种应用问题主导. 这些当然非常非常重要, 但是与20世纪的主旋律相比较, 它将缺乏诗意和哲学的品质”。除了对“缺乏诗意”的提法稍有保留, 我基本同意杨先生的总体看法, 并进一步强调理论物理未来的发展趋势是“应用理论物理(Applied Theoretical Physics)”: 借助理论物理的思想、模型和数学工具, 以应用为目的，研究主要包括人工复杂系统在内的客观系统, 探索其物质-能量、时间-空间和信息-结构及其相互作用和运动演化规律, 从中概括和归纳出具有普遍意义的基本理论, 大大拓展传统理论物理只是关于自然物质系统的探究。