天地有大美——现代科学之伟大方程

前 言 •
天地有大美
科学为习者而存，诗歌为知音而作。 ——约瑟夫·鲁（Joseph Roux），《教区教士冥思录》，
部，第71页（1886）
1974年5月，拉金（Philip Larkin）*为了促销被他取名为《高窗》的诗歌集，作了一次无线电访谈，在其中他指出一首好的诗歌就像一个洋葱。从外表上来看，诗歌和洋葱都平滑流畅，使人愉悦、令人着迷。随着一层一层的意义被揭开，它们愈显如此。而他的目标就是要写出“完美的洋葱”来。
科学的诗意，在某种意义上讲，是体现在它的伟大方程之中的。正如本书中各篇短文所表明的，这些方程也可以被一层一层地剥开。不过它们中的每一层都体现了它们的属性特征和因果关系，而不是它们的意义。
尽管有诗人和文艺评论家的极大努力，仍然没有人能对诗提出一个毫无争议的定义。但是，数学家去定义“方程”这一词时，他们是不会有这样的困惑的。一个方程，根本上是一个完美平衡的表达式。对于纯数学家而言——他们往往对科学漠不关心——方程是一个抽象的表述，与真实世界的具体实在没有任何关系。所以当数学家们看到一个方程，比如说y = x 1，他们会把y和x当作完全抽象的符号，而不是把它们当作表述了真实存在的事物。
完全可以想象一个宇宙，在那里数学方程与大自然的运作方式毫无关联。然而绝妙的是，它们之间确实有联系。科学家们惯常以方程的形式把他们的定律表达出来，而使其中的每个符号都具有表示一个实验工作者可以测量的量的特征。正是通过这种符号表达的方法，才使得数学方程成为科学家们手中强有力的武器之一。

    科学在我们的文化中具有非凡的影响。许多*为杰出成功的科学理论，其核心部分就是方程。但是，对于我们中的许多人来说，这些方程是一本合上了的书。它们那些难以理解的形式常常会成为一道障碍，使我们无法理解它们的意义，它们甚至开始成为现代科学之神秘和恐怖的体现。《天地有大美》一书纠正了这一点，它为不精通数学的读者介绍了现代科学中的一些伟大方程，力图展示方程中的力量和优美。
    《天地有大美》汇集了世界上一些著名的科学家，以及关于科学方面的重要历史学家和作家，他们每个人都具有解释的天赋。其中每位作者揭示一个方程，使之通俗易懂；通过认识怎样获得这个方程、方程能够做什么，以及方程在当代文化中的重要性，我们心悦诚服、眼界大开。
    这些作者包括：哈佛大学的彼得·加利森(关于E=mc^2)、罗杰·彭罗斯(关于爱因斯坦的广义相对论方程)、皇家学会主席罗伯特·梅(关于逻辑斯谛映射)、约翰·梅纳德·史密斯(关于进化的数学)、获奖记者艾斯琳·欧文(关于预言将出现臭氧层空洞的方程)、诺贝尔物理学奖得主弗兰克·维尔切克(关于电子的狄拉克方程)、《连线》杂志特约编辑奥利弗·莫顿(关于德雷克方程，这个方程阐明了外太空生命存在可能性的思考)，还有诺贝尔物理学奖得主斯蒂文·温伯格(给了我们一篇发人深思的后记)。

格雷厄姆·法米罗(Graham Farmelo)，英国著名科学作家，曾任伦敦科学博物馆科学传播主任。
彼得·加利森(Peter Galison)，美国著名科学哲学家，哈佛大学科学史和物理学史教授。
罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)，英国著名物理学家、数学家和科学哲学家。
阿瑟·I.米勒(ArthurI. Miller)，著名思想家，曾任美国物理学会物理学史分会主任
弗兰克·维尔切克(Frank Wilczek)，2004年诺贝尔物理学奖得主。
伊戈尔·亚历山大(Igor Aleksander)，伦敦帝国学院神经系统工程学教授。
克里斯蒂娜·萨顿(Christine Sutton)，粒子物理学家，曾任《欧洲原子核研究中心快报》主编。
奥利弗·莫顿(Oliver Morton)，英国著名科学作家和编辑。
约翰·梅纳德·史密斯(John Maynard Smith)，英国著名进化生物学家。
罗伯特·梅(Robert May)，著名理论生态学家，牛津大学动物学教授。
艾斯琳·欧文(Aisling Irwin)，著名自由记者和新闻编辑。
斯蒂文·温伯格(Steven Weinberg)，1979年诺贝尔物理学奖得主。

前 言 天地有大美
格雷厄姆·法米罗 ……………………… 1 第1章 一场没有革命者的革命：关于量子能量的
普朗克-爱因斯坦方程
格雷厄姆·法米罗……………………… 13
第2章 六分仪方程：E = mc2
彼得·加利森…………………………… 51
第3章 引力的重新发现：爱因斯坦的广义相对论方程
罗杰·彭罗斯…………………………… 76
第4章 情欲、审美观和薛定谔的波动方程
阿瑟·I. 米勒 ………………………… 115
第5章 一套魔法：狄拉克方程
弗兰克·维尔切克 …………………… 146
第6章 一点一点地理解信息：香农方程
伊戈尔·亚历山大 …………………… 184
第7章 隐对称性：杨-米尔斯方程
克里斯蒂娜·萨顿 …………………… 207
第8章 天空中的明镜：德雷克方程
奥利弗·莫顿 ………………………… 232
第9章 生命的方程：进化的数学
约翰·梅纳德·史密斯 ……………… 263
第10章 生逢其时：逻辑斯谛映射
罗伯特·梅 …………………………… 288
第11章 环境保护的童话：莫利纳-罗兰化学方程和CFC问题
艾斯琳·欧文 ………………………… 312
后 记 伟大的方程如何长存
斯蒂文·温伯格 ……………………… 344

    科学在我们的文化中具有非凡的影响。许多*为杰出成功的科学理论，其核心部分就是方程。但是，对于我们中的许多人来说，这些方程是一本合上了的书。它们那些难以理解的形式常常会成为一道障碍，使我们无法理解它们的意义，它们甚至开始成为现代科学之神秘和恐怖的体现。《天地有大美》一书纠正了这一点，它为不精通数学的读者介绍了现代科学中的一些伟大方程，力图展示方程中的力量和优美。
    《天地有大美》汇集了世界上一些著名的科学家，以及关于科学方面的重要历史学家和作家，他们每个人都具有解释的天赋。其中每位作者揭示一个方程，使之通俗易懂；通过认识怎样获得这个方程、方程能够做什么，以及方程在当代文化中的重要性，我们心悦诚服、眼界大开。
    这些作者包括：哈佛大学的彼得·加利森(关于E=mc^2)、罗杰·彭罗斯(关于爱因斯坦的广义相对论方程)、皇家学会主席罗伯特·梅(关于逻辑斯谛映射)、约翰·梅纳德·史密斯(关于进化的数学)、获奖记者艾斯琳·欧文(关于预言将出现臭氧层空洞的方程)、诺贝尔物理学奖得主弗兰克·维尔切克(关于电子的狄拉克方程)、《连线》杂志特约编辑奥利弗·莫顿(关于德雷克方程，这个方程阐明了外太空生命存在可能性的思考)，还有诺贝尔物理学奖得主斯蒂文·温伯格(给了我们一篇发人深思的后记)。

格雷厄姆·法米罗(Graham Farmelo)，英国著名科学作家，曾任伦敦科学博物馆科学传播主任。
彼得·加利森(Peter Galison)，美国著名科学哲学家，哈佛大学科学史和物理学史教授。
罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)，英国著名物理学家、数学家和科学哲学家。
阿瑟·I.米勒(ArthurI. Miller)，著名思想家，曾任美国物理学会物理学史分会主任
弗兰克·维尔切克(Frank Wilczek)，2004年诺贝尔物理学奖得主。
伊戈尔·亚历山大(Igor Aleksander)，伦敦帝国学院神经系统工程学教授。
克里斯蒂娜·萨顿(Christine Sutton)，粒子物理学家，曾任《欧洲原子核研究中心快报》主编。
奥利弗·莫顿(Oliver Morton)，英国著名科学作家和编辑。
约翰·梅纳德·史密斯(John Maynard Smith)，英国著名进化生物学家。
罗伯特·梅(Robert May)，著名理论生态学家，牛津大学动物学教授。
艾斯琳·欧文(Aisling Irwin)，著名自由记者和新闻编辑。
斯蒂文·温伯格(Steven Weinberg)，1979年诺贝尔物理学奖得主。