1.2 等闲识得春风面 万紫千红总是春
宋代学者朱熹的这两句咏春诗，若用来赞喻现代物理学在百余年间造就了科学春天的绚丽景色，倒还贴切。显然，相对论和量子理论的构建，为现代科技“百花园”里“万紫千红”的竞相斗艳，创造了必备的氛围和根柢；这卓尔理论或可就喻作引发“万紫千红”的和煦春风。
相对论作为最高水准的经典场理论，将经典力学所培植的科学美学旨意，在经典物理范畴里推到了顶峰。爱因斯坦秉承有别于牛顿力学纲领的麦克斯韦场论纲领，在构建相对论体系的同时，创立了富有革命性意义的相对论时空观。从狭义相对论到广义相对论，时间与空间的对称性被揭示：二者组成四维时空统一体，跟物体的运动相关联；进则，四维时空统一体又被赋予动力学机制，即由其弯曲特征用来标示引力场的动力学性质。
20世纪，人们对物质世界的探索已抵达高速和高能标度、微观层面、太空的强引力场区域，甚至还考察了宇宙整体运动。因此，势必以相对论动力学取代牛顿的经典力学、将麦克斯韦（J.C. Maxwell）的电动力学（即电磁场理论）衍化为相对论电动力学，进而建立相对论量子力学、并以量子场论取代经典场论；势必以相对论引力论取代牛顿引力论、并试图使其量子化，还建立了相对论宇宙学。那就是说，相对论或直接、或间接地引导并参与了这一系列的理论转变。
事实上，时空观的变革至为关键，即唯有将牛顿绝对时空观代以相对论时空观，将伽利略相对性原理延拓为爱因斯坦相对性原理以至广义相对性原理，则便使构建相对论体系本身以及相对论量子力学和种种量子场论有了一个限制性的逻辑前提，从而使得预言反粒子存在、确认时空可变结论乃至推导质能相当公式、领会时空弯曲特征乃至确立几何动力学观念等等，都成为可能。格外重要的是，质能相当关系式E=mc2，似可称作“改变世界面貌的公式”；而凭借几何动力学观念即推演得出规范协变原理，甚至于就成为量子场论构建并拓展所倚重的方法论原则。杨振宁很欣赏物理现象之美以及物理学中的理论描述之美和理论结构之美。我们认为，相对论或许在理论结构之美方面最为突出；其结构简练、严密、对称、完备，是富含演绎、推理之高度逻辑性的精粹之作。
图1-5 E=mc2的最新验证。 2006年，法国和美国的实验物理学家通过精致实验验证了质能相当公式精确成立，误差仅为0.00004%。他们进行硅衰变实验：29Si→28Si+n+γ，即29Si核发射γ射线，则衰变成28Si，同时释放一个中子。利用磁原子秤，称出29Si与28Si+n的质量之差（质量亏损），同时利用精密干涉仪测定γ射线的能量（γ射线通过超纯硅晶体而发生偏转，由偏转角大小可确定能量数值）。
许多物理实验披露了物理现象之美。本图中以极高精度验证质能相当公式的实验，再现了这个堪称“最美的”物理现象，而且对于进一步支持爱因斯坦相对性原理颇为重要，尤其在目前有人怀疑其正确性的时候。的确，正如爱因斯坦所称赞的，凡进行十分精致实验的实验科学家，从其思想方法到仪器设置来看，大多称得上是“科学中的艺术家”。
量子力学的创建，使物理学内蕴的科学美学旨意飞跃地升华；它纵然也有严密、完备的理论结构，但其理论描述之美更具别样风骚，表现于以玻尔（N.Bohr）为首的哥本哈根学派对其所作出的、人们尚能接受的物理诠释。此诠释的要点有三：玻恩（M. Born）的几率解释表明对微观物质系统的理论描述是统计性的；海森伯（W.K. Heisenberg）的不确定性原理表明借用经典物理概念描述对微观系统的观测结果时所受到的限制；玻尔的互补原理则取代经典物理中的因果性原理而使量子力学成为对微观系统的机巧而和谐的描述形式。一般说来，理论描述之美还是发轫于理论结构之美。而量子力学所取之理论结构（借助于希耳伯特空间）以及基本概念的表示方式（诸如波函数、力学量算符等），乃适应其概念基础的伟大变革；即量子概念毕竟是量子物理的灵魂（见第五篇），亦即量子物理及其对于现代科技的应用所放出的全部光芒，俱都源发于这个20世纪最灿烂的革命性概念。
爱因斯坦曾高度评价量子物理之理论成就的非凡和超越，称其为“思想领域的最高音乐神韵”；但他对哥本哈根学派的诠释并不赞同，与玻尔等人展开了旷日持久的激烈论争。所幸这两位科学大师之间的思想争端带来了出乎意料的久远影响：不仅使人们加深了对量子概念及其升华形式――量子场概念、微观实物粒子及其相互作用场的波粒二重性、量子场的内禀对称性、微观运动非为时空过程、奇特的量子相干叠加和量子纠缠效应、以及哥本哈根学派诠释等的理解，而且竟在当代引发出一个崭新学科――量子信息论；这犹如一簇尚未绽开的奇异花蕾，招惹得人们浮想联翩。
相对论和量子理论是20世纪物理学革命的两大标志性硕果，亦为现代科技文明发祥之渊薮。无论是对学科的理论支持抑或宽广的技术应用、无论是导致学科的不断扩展抑或触及人类思想之概念结构的深刻变革，都表明这两个伟大理论、以及二者的结合体系，蕴藏着无限的精神力量和物质力量。人们认识到这一点，则便连连地挖掘二者丰富的真理底蕴，才得以铸就了20世纪文明建设的辉煌功业。比上述说得更具体些，狭义相对论使高速物体运动规律的表述趋于精确；让电磁场理论立足于相对时空框架，以至于对静体电动力学和动体电动力学可予简便地统一处理。而广义相对论用于确切地描述强引力场系统；导出宇宙整体演化的动力学进程；预言其引力场极强的黑洞和白洞乃特殊的时空区域。
其实，发生膨胀和加速膨胀、存在暗物质和暗能量，正是求解相对论宇宙动力学方程的直接推论。至于相对性原理，乃物理学中具有普适意义的限制性原理，实系经典动力学理论和量子动力学理论的逻辑前提之一，故该原理往往作为构建一些动力学理论的必要阶梯，藉以推导、建立的动力学方程必然具有时空对称性。所以，相对论及其基本原理被及宏观、微观、宇观各个物质层面，它进一步阐发了牛顿力学的运动观，又藉以确立了新的时空观和宇宙观，更从前提上提供整个现代物理各理论体系以逻辑一致的限制和坚强支撑。
量子力学起先作为原子物理的动力学理论而登上科学舞台，不久就推广用于微观层面各层次，致使原子核物理和粒子物理相继问世；量子力学则拓展为量子场论，成为粒子物理的理论基础，亦用于高能核物理等学科领域。各量子场论中以表述电磁作用场的量子电动力学最为精确，表述强作用场的量子色动力学也取得很大成功，而弱-电统一（或曰小统一）理论和弱、电、强作用的大统一理论亦先后告捷。并且，量子力学对于探索形形色色的凝聚态物质（固体和液体）系统的性状，可谓更大有用武之地。
非常精彩之一例乃是，它用于研究晶体内电子的运动规律，从而建立了能带理论。能带理论是固体物理――以及由其延拓出来的相当优异的半导体物理――的基础，还是目前十分红火的材料科技的理论依据。凭借低温设施而进行其研究的超导物理也是一个由固体物理延拓出来的活跃学科，其阐释超导机制的BCS理论亦乃量子力学、固体量子理论、量子统计理论的应用成果。可与半导体物理角逐和媲美的另一个优异学科乃非激光物理所莫属，其理论体系起源于爱因斯坦的量子辐射理论，而后来得以蓬勃发展当然还倚靠于量子力学、量子电动力学、非线性光学等。
量子统计理论是利用量子力学原理构建的统计理论；超导、超流、气体原子的爱因斯坦-玻色凝聚、中子星内高密度中子的简并等，其实都是可凭藉玻色-爱因斯坦量子统计理论解释的宏观量子现象，呈现的均为十分奇异的特殊物质形态（见第十三篇）。就是说，量子效应也可在宏观尺度上显示。固体当然是宏观物体，但利用量子力学、固体量子理论探讨的是内部的微观粒子运动。而介于宏观尺度和微观尺度之间还有一个介观层次，此乃量子力学的新应用领域，与其相应的纳米科技正如火如荼、日益兴盛。此外，量子理论还被用于探索天体演变、宇宙极早期和较早期的演化细节以及宇观和太空大尺度区域的真空背景的微观机制。
图1-6 蝴蝶与光子晶体。 上图右为显微镜下蝴蝶翼膜里的细微结构。下图为一种人工光子晶体的周期性结构。蝴蝶双翼斑斓多彩，惹人喜爱；这是因为翼膜就是一种天然的光子晶体。与普通晶体里电子能态形成能带一样，在光子晶体里的光子运动也有相应之能带形式。能带包括满带和导带，二者之间为能隙。光子的频率以至能量（E=hν）若落在能隙里，便不能在晶体内传播，即被全反射；那末，不同颜色（即不同频率）的光在不同方向上被反射。这就是导致蝴蝶双翼呈现彩色花纹的原因。1987年，雅伯洛诺维奇（E. Yablonovitch）提出光子晶体概念，并预言可人工设计制造纳米尺寸周期的光子晶体材料。二十几年来已制成一些这样的材料，还用来制作具有各种功能的光子器件，且其能耗极低。故光子晶体是一种优良的纳米材料，对于发展光子技术甚为重要；雅氏认为，光子晶体的应用前景无限广阔，“其限制或许只来之于人们自身的想象力”。蝴蝶美丽，人造光子晶体更美。
那末，天体物理（包括量子黑洞理论）、量子宇宙学、量子真空理论、介观量子理论等，都是凭借量子理论、有待延拓和深入研究的新学科。再者，量子力学还向化学、生物学延拓和渗透，量子化学、分子生物学、量子生物学等交叉学科，亦都日趋成熟和兴旺（见第十六篇）。显见，量子理论也被及微观、宏观、宇观各个物质层面。量子物理是自然科学中最宽阔、分支学科最多、成果最丰硕的一个疆域，而且其诸多成果还扩大用于物理学之外的其他物质科学领域，以致崭露出非物理系统中的物理美。泰勒（B. Taylor）说得颇精当：“宇宙在基本的平台上遵循量子力学的规则”。因此，量子力学堪称现代物质科学的主心骨。
依仗量子理论、又兼凭相对论，现代物质观得以树立，它是以现代物理乃至现代物质科学的宏伟成就为根基的。这现代物质观，连同新运动观、相对论时空观和相对论宇宙观，一并组成内涵充盈的现代自然观；它取代了基于近代自然科学及其机械唯物论的近代自然观，由以就改变了人类思想的概念结构。就相对性原理和互补原理而言，二者都可作为基本的认识论原理，有助于对近代自然观之机械论色彩的洗涤，致使现代自然观沁以浓郁的辩证法神韵。而这一新颖自然哲学观念的唯物论涵义也愈加丰满。其实，它突破了20世纪之前种种自然哲学观念，标志着人类对大自然的认识因现代物质科学的突飞猛进而发生了大幅度的飞跃，达到了空前高深的程度。可以说，量子理论和相对论以及由以树立的现代自然观，确系精神文明的奇丽瑰宝，其精神力量是无可比拟的。
量子理论和相对论的技术应用则带来了物质文明的空前繁荣，突出地表现在能源科技、信息科技、材料科技等领域。质能相当公式之所谓“改变世界面貌”者，其主要缘由是藉以揭开了原子核能蕴藏的奥秘；人们还凭借核物理和核技术的蒸蒸日上，有控制地实现了核裂变和核聚变，从而去开发这一蕴藏无限的亚原子能源。而半导体物理和激光物理的阔步前进，促成信息科技浪潮汹涌澎湃。以电子技术革新为主角的现代技术革命，导致20世纪社会生产和社会生活的面貌截然改观，兴许比核技术造成的变化更鲜明、更普遍、也更贴近公众的日常需求；近二三十年来光子技术亦欣欣向荣，一定会引起社会面貌更大的改观。当然，信息科技的发展离不开材料科技的进步，后者――特别是纳米（材料）科技――的研究还有赖于化学和生物学的进展。所以，这些科技领域的兴旺发达，都能造福人类；在为人类谋福利的同时，显示了从量子理论和相对论、以及现代物理各学科所含之真理转化而来的巨大物质力量。所以，这两个伟大理论又是托起物质文明的坚强柱石。其实，造福人类，正是科学美学旨意的真诠。
（未完待续）