19世纪物理学最重要的两个贡献，一个是电磁学，一个是统计力学。统计力学最主要的创 建人有三位，一个是麦克斯韦，一个叫玻尔兹曼，一个叫做吉布斯。玻尔兹曼写过很多通俗 的文章，他曾说，“一个音乐家在听到几个音节以后，就能辨别出来莫扎特、贝多芬或者舒 伯特的音乐，同样，一个数学家或物理学家，也能在念了几页文字以后就辨别出柯西、高斯 、雅可比、亥姆霍兹或者克尔期豪夫的大作”。为了解释这段话，我曾经跟几个朋友讲，“ 大家知道，每一个画家、音乐家、作家都有他自己独特的风格，也许有人会以为，科学与文 艺不同，科学是研究事实的，事实就是事实，什么叫做风格？要讨论这一点，让我们拿物理 学来讲。物理学原理是有结构的，各个结构皆有它美与妙的地方，而各个物理学工作者对于 结构的不同美与妙，有不同的了解和感受。因为有不同的感受，所以就会发展他自己独特的 研究方向与研究方法，也就是说他会形成他自己的风格”。 20世纪有两位大物理学家。第一位叫做狄拉克，英国人，1902年出生。1928年，他写了一 篇文章，文章中一个很简单的方程式可谓了不得的贡献，它奠定了今天原子、分子结构的基 础，解释了为什么电子有自旋。在那以前几年，已经有人提出来电子一定有一个自旋，可就 是不知道为什么要有自旋。与电子自旋相关的是磁矩，磁矩与电子轨道运行关系，也是一个 人们知其然不知其所以然的问题，同样被狄拉克解释了。所以，他的解释震惊了当时的物理 学界。 这是一个神来之笔，可这个神来之笔并不这么简单。因为它提出了一个新的问题，叫做负 能问题，Negtive energy。这在当时是不可思议的一件事情，所以很多人弄懂了这项工作的 第一步后都觉得妙不可言，可又觉得非常奇怪、难以理解。以后几年，就有种种人批评狄拉 克，说他这项工作对了是碰巧，其实是不对的。可是狄拉克坚持，到了1931年，他更进一步 说“不但负能是应该有的，而且有了负能以后就会发现一个新的重要的现象”。就是说任何 一个粒子，都会与生俱来的有一个反粒子，anti—particle，每个粒子都有一个反粒子，这 个 反粒子与粒子完全一样，电荷是相反的。这在当时又是大家所不能接受的，说你从来没有看 见，怎么随便就讲有个反粒子呢？一年以后，加州理工大学有个年轻的博士生叫卡尔·安德 森的，在实验室里证实了反粒子的存在，这样一来，大家才相信狄拉克的方程式不但是成立 的，而且完全正确，他预言了一个从前大家所不知晓的新的现象。 想一想狄拉克，他话讲得很少，可是他的话里有简单的、直接的、原始的逻辑性，明白了 他的想法以后，你会拍案叫绝。我想用中国传统的诗句描述他的文章，叹服他工作的重要性 ——“秋水文章不染尘”，因为他的文章里头确实是一点渣滓都没有，清楚极了。 我发现，用唐朝的诗人高适《答侯少府》中两句“性灵出万象，风骨超常伦”来形容狄拉 克的风格是最恰当的。“性灵出万象”，这个“万象”用来描述狄拉克方程式的影响也是再 恰当不过了，它解释了无数的物理、化学的现象，它是今天的原子、分子结构的最重要的一 个方程式。为什么说“风骨超常伦”呢？因为在1928年到1932年四年之间，不顾当时最有名 的几个物理学家的冷嘲热讽，确实是“风骨超常伦”。那么，什么叫“性灵”呢？据我所知 ，是明朝公安派的文学批评家“三袁”最早提出来的。其中袁宏道讲他的弟弟袁中道，“独 抒性灵，不拘格套，非从自己胸臆流出，不肯下笔”。这几句话拿来形容狄拉克的风格是最 恰当的。 另一位大物理学家叫海森伯，德国人，1901年出生。他所做的工作是开始了量子力学的第 一步，而量子学是20世纪物理学最重要的几大发展之一。在20世纪以前，物理学里的数目、 数据都是连续的，不是跳跃的，可到了20世纪的头20年，才发现这不符合原子、分子物理， 因而产生出量子这个概念。可量子化是一件非常困难的事情，因为要把从牛顿开始建立起来 的 物理系统整个改观，这种革命性的发展不是一朝一夕所能做到的。所以，20世纪头25年有种 种纷扰。在困难的时候，年仅24岁的海森伯写了一篇文章，这篇文章向一个新的方向迈了一 步，这个方向现在叫做量子力学，而这个方向后来发扬光大，变成了20世纪以来全部物理学 最最重要的几个原则之一。年轻的海森伯怎么忽然能够走了这条前人没有走过的路呢？他 在晚年曾经谈过这段经历。他说，“爬山的时候，你想登上某个山峰，但到处是雾，你有地 图，知道你的目的地，但是堕入雾中，不知道该往什么方向走，忽然你自雾中模糊地看到一 些形象，哦，这就是我要找的大石头，整个情形从而发生了突变。虽然你仍然不知道能不能 登上那座山峰，但是在那一瞬间，你知道在什么地方，爬近那块大石头就可能知道该如何前 进了”。他这几句话确实描述了他早年文章里所讲的事情，当时那的确是一个尝试，是一个 很模糊的印象。他把那篇文章写出来后要去度假，就把它留给导师玻恩，玻恩比他年长十几 岁，有数学修养。玻恩看了文章后，方知海森伯所讲的数学是一个从前物理学家没有用过的 ，叫做矩阵，海森伯因为数学修养不够，所以不知道他所做的东西是矩阵。玻恩就与另外一 位物理学家写了一篇文章，待海森伯回来后，他们三人又合写了一篇文章，这三篇文章奠定 了量子力学的基础。
