《对称与美丽宇宙》，[美]利昂·M.莱德曼、克里斯托弗·希尔著，田霞飞、严杏波、田全彦译，湖南科学技术出版社2025年12月出版，定价：89元

■瞿立建

当代基础物理学发展越发精深，远远脱离普通人的直觉体验，严重依赖超抽象的数学结构。相应的，基础物理的科普写作也越来越难，难在如何让普通读者理解，而不是流于隐喻、轶事和故作高深。利昂·M.莱德曼与克里斯托弗·希尔合著的《对称与美丽的宇宙》对此做出了回应：现代物理并非因为过度抽象而失去可理解性，而是因为抽象本身极少得到真正解释。

这本书提出的纠偏方案既简单又深刻。如果我们真想理解20世纪物理学的理论，就必须停止把抽象的数学当作意义的载体，不要试图把精深的物理理论“稀释”后投喂给读者，而是要站在一个更高的层面上，展示基础物理理论为何必须是这个样子的。

从技术到认知的转移

本书表明，理论物理不是对事实的概括，而是一项由基本原理所支配的思想事业。最重要的基本原理之一就是对称性，而它来自数学家阿马莉·埃米·诺特的洞察。

诺特是德国人，出生于1882年，1935年去世。她是历史上最杰出的女数学家之一，在抽象代数和理论物理学领域都作出了卓越贡献。

诺特为全书的叙事提供了关键“钥匙”，那就是以她名字命名的诺特定理，即每一种连续对称性都对应一种守恒定律。例如，时间平移不变性意味着能量守恒，空间平移不变性意味着动量守恒，旋转不变性意味着角动量守恒。

诺特定理并非一条技术性结论，而是一种认识论立场的转移。守恒定律不再是从经验中归纳出来、被奉为基本事实的定律，而是更深层对称性的必然结果。能量守恒，并不是因为自然界“节俭”，而是因为自然界对时间的流逝保持沉默。

对称的理论与“破缺”的宇宙

对称性成为从麦克斯韦方程组到爱因斯坦相对论，再到粒子物理标准模型的一切基石。大统一理论的努力在本质上就是对对称性的追求，超对称、弦理论等大统一理论，都是试图找到一种将所有基本相互作用联系在一起的高阶对称性。

在对称性视角下，爱因斯坦的相对论失去了许多“悖论色彩”。时间膨胀、长度收缩这些令人不安的结论，并非经验上的怪异现象，而是在对称性约束下的逻辑必然，即物理定律必须在所有参考系中保持同样的形式。

当讨论转向规范对称性——电磁力以及其他基本相互作用背后的抽象不变性时，论证更具颠覆性。这些对称性并不对应任何可直接观察的对象。它们不是实际物体的对称性，而是描述方式的对称性，即关于物理量如何被表述而不改变预测结果的约束。

正是在这里，现代物理越过了一道令人不安的门槛。现实的可能性不仅由自然事实决定，也由理论的结构一致性提前裁定。宇宙之所以如此运作，并非因为它偏好如此，而是因为其他表述方式被排除在外。

理论物理在某种意义上已经成为一门关于允许的抽象形式的学问。本书完全没有沉溺于形而上学的夸饰，而是以高超的写作技巧将理论物理的抽象传达给读者。

作者引导读者将发展物理理论理解为这样的结构性事实：自然定律并不是任意写下来的，它们必须在某些变换下保持不变，正是这些不变性决定了“什么样的定律是可能的”。这样就把抽象从“数学技术壁垒”转化为“概念秩序”。

另外，对称性是破缺的。如果对称性是绝对的，那么宇宙将是单调乏味的。正是对称性会发生破缺，世界因而产生了丰富、有趣的结构。无论是磁体、相变，还是早期宇宙本身，世界的丰富性都源于对称性破缺。

物理定律保持对称，而宇宙选择了一个不对称的状态。希格斯机制正是在对称性破缺的语境中被引入的，这不是为粒子“动物园”简单增加一个成员，而是理论自洽性的要求。这里没有故作神秘，让读者觉得非常自然。

呼吁对称性思想进课堂

本书的目的并非引导普通读者接受更现代的观点，而是回顾理论物理的来路，并从对称性原理的角度赋予其新的生命。与别的科普书刻意回避数学不同，本书没有完全回避数学，用到了一些简单的代数，还用到了理论物理学家重要的工具——费曼图。忽略这些数学方面的内容，只是将费曼图看作漫画插图，并不影响对内容的理解，但对于动机强烈的读者，一定会有兴奋的感觉。本书附录对群论知识做了非常富有启发性的讲解。物理学专业学生和学者一定不要错过。

既然作者能够用浅显易懂的方式阐述基础物理中一些最重要的概念，这种思想完全可以进入高中和大学一年级的物理课程。这是大多数物理课程和科普读物中都忽略的物理学思维方式。

作者在该书的后记中说，本书脱胎于一个教研项目，目的是推动美国高中和大学低年级理科课程纳入对称性概念和思想。但是本书对美国教育有实质性影响吗？据我检索，几乎毫无影响，这令人遗憾。究其原因，正如诸多物理学家所指出的，现代物理难教不是因为“太复杂”，而是因为太晚引入结构性原则。期待本书的教师读者能将更现代的观点融入自己的课堂教学，甚至写出一本更现代的教科书。

不过，书中有少量内容过时了。本书英文原版出版于2004年，此后物理学20多年的发展，使书中有些细节内容已经过时。比如，当时希格斯粒子还没有被发现，2012年，希格斯粒子被确认发现。书中提到，标准模型非常成功但并不完美。20年来的粒子物理实验表明，标准模型不仅没有崩塌，反而在前所未有的实验精度下屹立不倒。本书还期待看到标准模型的替代理论，现在看来，更值得思考的问题是，标准模型为何如此有效。本书虽然表达了对超对称理论的期待，但是20年来的粒子物理实验没有发现超对称理论的任何迹象。这些过时的内容占比少到可以忽略不计，并不影响本书的核心思想，反而是本书核心思想生命力的体现。

（作者系应急管理大学副教授）