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张首晟:人类文明第一书

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  出版于1729年的第一英文版牛顿名著《自然哲学的数学原理》

  前  言

  1687年,牛顿发表了千年伟著《自然哲学的数学原理》(Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica,简称Principia),点燃了人类科学认识宇宙的曙光。Principia奠基了牛顿力学的运动方程,提出了万有引力,发明了微积分。

  2016年初,著名物理学家、斯坦福大学物理系终身教授张首晟收到了一份姗姗来迟的、特殊的圣诞礼物——1729年出版的英文首版Principia。这是迄今在古藏书市面上唯见的一本,收藏在英国伦敦的著名古藏书店Peter Harrington。

  是夜,张首晟亲手翻开牛顿首版Principia的千年伟著,深感斯人已去,英魂长存,每句每辞,都在唤醒自己少年时代的梦想。他手按Principia庄严立志,一生将为追求大统一的万物理论而贡献。

  文 | 张首晟(斯坦福大学物理系教授、美国科学院院士、中国科学院外籍院士)

  了解我的朋友都知道我最不欢喜礼品,总觉得物质生活越简单越好。所以每逢圣诞佳节,天伦之乐,却面对一大堆礼品而深感困惑。但2015年的圣诞礼物,却使我喜出望外,梦寐以求。期待到今天,这份厚礼终于送到了家。

  1687年,牛顿发表了千年伟著《自然哲学的数学原理》(Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica,简称Principia),点燃了人类科学认识宇宙的曙光。Principia奠基了牛顿力学的运动方程,提出了万有引力,发明了微积分。

  在牛顿的宇宙观中,天地合一。地上的苹果,天上的行星,都满足简单而普世的科学原理。对宇宙理性的认识,启发了人们对人类社会理性的渴望。

  伏尔泰从法国被流放到英国期间,参加了牛顿的葬礼,他首次告诉了世人牛顿苹果的故事。伏尔泰的灵感女神是Emilie du Châtelet 侯爵夫人,是启蒙时期的一代才女, 天生丽质。她亲笔翻译了Principia的法文首版, 直用至今。

  伏尔泰深受牛顿Principia的启发,从天地合一到天人合一,从自然定律到社会法律,点燃了启蒙运动火种,燃烧着整个欧洲大陆。美国建国的理念,乃是启蒙运动的产物。所以牛顿的Principia不愧是人类文明的第一书!

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  灵感女神圣镜印照牛顿在天之灵于伏尔泰,启发他的启蒙著作。

  1687年出版的Principia是拉丁文首版,目前早已在古藏书市上难寻踪迹了。Principia的英文首版于1729年出版,仍保持原版装订的,在古藏书市面上也唯见一本了,收藏在英国伦敦的著名古藏书店Peter Harrington。2015年的圣诞节,黄晓捷先生放弃了与家人的天伦之乐,千里迢迢,来到斯坦福大学赠予我这份厚礼,使我喜出望外。牛顿出生于圣诞节,加深了这份厚礼的历史意义。一代企业家的科学情怀,使我深深感动!经过与Peter Harrington古藏书店的多次联络,Principia的英文原装首版终于送到了我家。轻轻打开了287年前Principia的精装版,字体犹新,精图释意,仿佛牛顿的亲笔,正用灵魂在召唤着我,不知不觉地已经读到了深夜。

  Principia中牛顿发现的万有引力,开创了人类科学启蒙的起点。但它至今依然是深藏不测的大谜,引力本质的认识,也许是万物理论(Theory of Everything)的终点。我们可以将基础科学的三大发现,万有引力、相对论与量子力学用三个宇宙基本常数(Fundamental Constant of Nature)来描写,分别就是:G,牛顿万有引力常数;ħ,量子力学的普朗克常数;与c,爱因斯坦相对论提出永恒不变的光速。

  G出现在牛顿万有引力公式中:

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  ħ出现在粒子能量与波动频率的普朗克公式中:

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  而光速c出现在爱因斯坦质能等价公式中:

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  把这三个基本常数 (G,ħ, c) 定为三个坐标轴,我们可以得到一个神秘的魔方:

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  坐标原点是用经典力学描写的原子微观世界。在原子的尺度,引力不重要,可设G=0。电子的速度远小于光速,可设c=0。经典力学没有量子效应可设ħ=0。 从原点出发沿G轴前进,我们来到牛顿万有引力的宏观世界。沿ħ轴往上,我们步入量子物理描写的微观世界。沿c轴追近光速,我们进入了爱因斯坦相对论的时空。

  在这三个伟大发现之后,人类求知的焦点,就是把这三个宏观宇宙,微观世界与光速时空统一起来。爱因斯坦统一了万有引力与狭义相对论(G,c),发现了广义相对论并预言了引力波。狄拉克统一了狭义相对论与量子力学(ħ,c),并预言了反粒子。

  牛顿与莱布尼兹独立发明了微积分。莱布尼兹在发明二进制时,深受中国古代文明易经八卦图的启发。由于23=8,我们可以把阴阳对应于无有,把三爻对应于(G, ħ, c),三爻阴阳交叉便得八卦,正好相对于神秘魔方的八个顶角。魔方原点对应于(无G,无ħ,无c)的坤象,狭义相对论对应于(无G,无ħ,有c)的震象,等等。这样大统一万物理论就对应于(有G,有ħ,有c)的乾象,包容了乾坤万物。

  牛顿是剑桥大学的讲座教授,他的讲座席位称为Lucasian Chair。这著名的讲座席位一脉相承于盛名千秋的理论物理学家麦克斯韦(James Clerk Maxwell),狄拉克(Paul Dirac)与霍金(Stephen Hawking)。我是狄拉克的忠实粉丝,他是寻美而求真的风格大师。

  别的理论物理学家从大量的实验现象中总结出优美的数学方程。而狄拉克却从至美的数学概念出发,大胆地预言新的实验现象。他为了统一狭义相对论与量子力学(ħ, c),从优美的数学结构出发,引进了著名的狄拉克方程,预言自然界中任何粒子都有反粒子。不久后,正电子就被实验发现。

  英国伦敦的著名教堂Westminster Abbey埋葬的不仅是列代的帝王将相,还有伟大的科学家牛顿与狄拉克,地碑上铭刻了著名的狄拉克方程。我于2012年荣获了狄拉克奖,以我偶像而命名奖章,是我一生至高的荣誉。

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  张首晟教授荣获2012年狄拉克奖

  回到 (G, ħ, c)组成的神秘魔方,我们可以看到基础科学的空白与目标,正在神秘魔方的顶角。(G, ħ, c) 的大统一,将创造人类梦寐以求的万物理论(Theory of Everything)。这万物理论是什么,我们尚不知道,但我们能估计在怎样的长度和能量的量级上才能完成大统一。从以上定义(G, ħ, c)的三个公式出发,我们很容易得到它们的量纲。根据简单的量纲分析,我们得到唯一可能的普朗克长度与能量,分别是:

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  普朗克长度之短,比原子的尺度还小25个数量级!普朗克能量之高,比现代最高能的加速器还高了15个数量级!由此可见,要寻找大统一(G, ħ, c)的万物理论是多么的困难,用已知的实验方法几乎不可能!

  我本科的毕业论文与博士论文都致力于量子引力,追寻大统一(G, ħ, c)的梦想。由于这领域没有实验,所以改方向进入了凝聚态物理的研究。深受牛顿、爱因斯坦、狄拉克的数学原理启发,寻美而求真,从理论上首先预言了拓扑绝缘体这个神奇的材料,后被实验证实。

  今夜亲手翻开牛顿首版Principia的千年伟著,深感斯人已去,英魂长存,每句每辞,都在唤醒我少年时代的梦想。今夜手按Principia庄严而立志,为追求大统一(G, ħ, c)的万物理论而贡献。填补先贤们留下的空白,是我们这辈学子们的最神圣使命,也是全人类最崇高的梦想。为实现这个美丽的梦想,我们必须穿越时空,量子纠缠,潜入普朗克长度的万丈深渊,高攀普朗克能量的奇险顶峰。路漫漫其求修远兮,吾将上下而求索!

  夜半钟声,皓月当空。百年孤独的求知旅程,今有千年Principia的步步相伴。黎明既启,征途既始,此时此刻,按书立志,赋诗为证:

  既然无法抵挡她万有的吸引,

  为何不遨游星际而时时相伴?

  既然为量子因果而纠缠绵绵,

  为何不心心相印寄在水一方?

  既然追不上她永恒不变的步伐,

  为何不对镜赏花以光传因缘?

  既今见英魂长存于行行字迹,

  又何惧漫漫征途中渊深峰险?


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