九三大阅兵：科技兴国是时代的呼唤

文︱关品方

五四精神的核心是爱国，进步，民主，科学。科学是指反对迷信和轻信，追求知识和真理。内地近期兴起读书会热潮，其中一个重要方面是普及科学知识。九三大阅兵是军事的王道主义，将道义、智慧与武力结合起来的战略思想，反对霸权侵略，通过正义行动实现国家的长治久安。科技兴国是时代的呼唤。强军建设是应有之义。

由于近年中国空间站建设取得突破、登陆月球计划不断推进，民间掀起对天体物理学的广泛兴趣。自然科学的数理化生，以数学和物理最为艰深。物理学的重大发现，需要以数学方程式和常数表述，而且需要通过科学实验认证。民间近年对杨振宁教授在物理学方面的成就广泛关注。有评论认为，人类“千年物理学家”头20位，与牛顿、爱因斯坦等并列、榜单上唯一在世的世界级巨人只有杨振宁。他35岁（1957年）就与李政道合作颠覆了物理学有关宇宙对称守恒的铁律（在弱核力相互作用之下宇宙对称并不守恒），成为首位华人诺贝尔奖得主。他从提出理论到获奖仅用了2年（因为得到吴健雄教授马上做相关实验佐证），创下了诺奖史上的奇迹。他完成了爱因斯坦未竟之业，提出的“杨-米尔斯理论”，统一了自然界除了万有引力之外的其他三大基本力（电磁力、弱核力、强核力），将“大统一理论”往前推进了一大步。爱因斯坦穷尽晚年未解的难题，被杨振宁凿开了突破口。

杨振宁去国26年后首次回到北京，是在1971年；周总理接见并请他吃饭，深入交谈，勉励有加。其后的半个世纪，杨振宁兢兢业业为国家的科学事业发展默默耕耘，工作重点之一是普及科学知识，诱发一代又一代的年轻人对物理学基础理论、科学实验和转化应用的兴趣，功不可没。

笔者近年在这方面读书略有心得，不嫌浅陋，简单介绍物理学的基础知识（撇开数学方程式和常数不谈），高考物理合格已可以理解，谨供参考。

现代物理学的整个底层框架由相对论、量子力学、量子场论和粒子物理学构成，包括物质，能量和信息。物质由51种“粒子”（particle）和“场”（field）组成。能量在空间之中存在四大力量（引力、强核力、弱核力、电磁力）。信息是时间和熵的互动，在宇宙之中对称守恒。

物质是物理世界的客观存在。物质具有质量、形态和结构，分为粒子体（有限、离散、可观测）和场（无限、连续、不可观测）。物质是能量的载体，也是信息的基础。例如，原子和分子的排列方式决定了物质的化学性质，这本身就是一种信息。

能量是物质运动的量度。能量反映了物质运动的能力，有多种形式（如动能、势能、光能、热能等）。爱因斯坦的质能方程 E=mc²，论证物质和能量可以相互转化；c 是常数、光的绝对速度。能量也是信息的载体，信息的传递和处理需要能量的介入。例如，信息的传输需要电能或光能，智能手机每分每秒都在利用它。

信息描述物质系统的状态，反映了事物的内部属性、状态、结构及其与外部环境的互动关系；信息的掌握，排除（或减少）了事物的不确定性。信息既不是物质也不是能量，而是物质或能量的状态和属性。例如，DNA 中的遗传信息指导蛋白质的合成，这一过程涉及物质和能量的转化，体现在思想和行为。

知道一个概念和真正懂得这个概念有很大区别，笔者很早就知道这一点。但起码我们需要首先知道，然后懂得。物理知识相当深奥，笔者经常告诫自己，先要虚心理解，不要随便挑战，避免浅薄争论。

物质，能量和信息三者的相互关系，根据笔者的理解 : 物质是能量和信息的载体，能量驱动物质的运动和信息的传递，信息指导物质和能量的组织与转化。例如，光合作用中，植物通过吸收光能（能量），将二氧化碳和水（物质）转化为有机物和氧气，同时储存化学能、传递生长发育的信息。总而言之，能量、物质和信息是物理学的三大基石，它们相互依存、相互作用，共同构成了我们理解的自然界。

相对论、量子力学和粒子物理学已经有很多科普文章介绍过，笔者在这里不再重复。量子场论的发展是众多物理学家共同努力的结果，没有单一的提出者，但这里面有杨振宁的巨大贡献。量子场论的发展过程，到今天已99年。从1926至1927年 ，3位科学家提出了将电磁场作为无穷维自由度系统进行量子化的方案。Paul Dirac 论证了电磁场量子化，将其视为无穷多个谐振子的系统，每个谐振子对应一个本征振动模式，激发态表现为光子（photon，第一次提出）。质子、中子、电子之外，还有光子；光是光子的移动；这是重大突破。1928 年，2位科学家提出了电子场量子化方案，被称为“二次量子化”。1929 年，2位科学家建立了量子场论的普遍形式，引入场量和正则动量的计算符号。从1946至1949年，3位科学家发展了新的微扰论计算方法，费曼引入了图形表示法，简化了计算。然后到1954年，杨振宁和 Robert Mills提出了“杨-米尔斯理论”，为描述强核力、弱核力和电磁力三种相互作用的《规范场论》奠定了基础。从1961至1968年，3位科学家建立了弱电统一的量子规范理论，即 GWS 模型（GWS是他们的姓氏头文字）。

百年回顾，一般公认杨振宁1954年提出的《规范场论》是量子场论的重大突破。当年他只有32岁。过去几十年来，他在不同场合经常提到他在西南联大读书时的几位恩师。当年虽然中国处在抗日战争兵荒马乱的艰难环境，杨振宁、邓稼先等学到的是绝对扎实的、最尖端的物理学理论；杨振宁对老师们充满感恩之情。

量子场论的发展是一个逐步完善的过程，涉及众多物理学家的贡献。笔者认为，把成绩归功于个别科学家，只是为了方便叙述。例如有关李政道和杨振宁之间的所谓个人恩怨，谁功劳较大，排名孰先孰后，在科学实验的长河之中其实微不足道。

信息是熵和时间的综合，有其恒常的对称性；信息是时间、熵和对称的三合为一。如果宇宙没有基本的对称守恒，没有恒常（长期不变）的运作规律，那就不会有我们现时认识的客观世界，空间站和太空船的精准对接绝对做不出来。没有“宇宙对称守恒”（弱核力除外）的假设、只存在于科幻小说之内（例如“三体”或“地球末日拯救队”）。

时间和对称，我们大概知道了；什么是“熵”（entropy）？ 熵是一个描述系统状态的物理量，具有多种含义和应用。热力学的定义是系统中不能用于做功（work）的热能量度，可逆过程中吸收的热量，表现为温度。熵增定律（热力学第二定律）指出，孤立系统的熵总是趋向于增加，即系统从有序走向无序。统计物理学的解释是熵与系统的微观状态的数量有关（公式内有玻尔兹曼常数）。熵越高，系统的混乱程度越大。熵在信息论中应用广泛。信息熵与热力学熵在数学形式上相似，反映了系统的无序性。芯片设计、人工智能和脑机接口，和它有关（统计物理学在熵增方面的应用）。

熵增定律解释了许多自然现象，例如热量传递和生命系统的维持，无时无刻不在人体内发生。在工程、生态、社会治理等领域，熵的概念可用于分析系统的稳定性和演化方向。熵是一个跨学科的概念，核心在于描述系统的无序性和演化方向。作为一个描述系统混乱和无序程度的物理量，熵的概念最早由德国物理学家克劳修斯于 1865 年提出，用于研究热循环中的能量转换。笔者的理解，一杯热水在空气中，热量向四周散发是无序的。冰块慢慢溶解变为水，分子从有序排列变成无序的、没有系统性的排列，是固体变液体的过程。

熵被认为是物理学中最“可怕”的概念（之一），是因为熵增定律指出在孤立系统中，热量总是从高温流向低温，从有序走向无序，过程不可逆转。这意味着宇宙中的一切都在逐渐走向混乱和无序，生命也无法逃脱这一规律，最终不管是太阳系还是银河系，整个宇宙都会走向老化死亡。熵增定律揭示了宇宙的终极演化方向。如果宇宙是一个孤立系统，其混乱程度将不断增加，最终可能达到 “热寂” 状态，所有能源枯竭，再没有任何可以作功的能源。

最后，熵增的方向被定义为时间流逝的方向，即时间箭头（time vector）。熵的概念对于理解时间的本质和宇宙的演化具有重要意义，让人感受到时间流向的不可逆转性和宇宙命运的不可避免性，帮助我们更深刻地理解宇宙的运行规律。

熵和时间加起来等同信息的观点，源于热力学、信息论和宇宙学的交叉研究，揭示了自然界的深层规律。

归纳起来，笔者的理解是 : 时间的流向伴随着信息的增加，二而一，一而二。每过一秒，宇宙就有新的事件发生，这些事件从不确定的未来变为确定的过去，从而增加了宇宙的总信息量。时间的不可逆性（时间之箭）与熵增密切相关，因为熵的增加赋予了时间一个不可逆反的方向。我们的记忆只能够记录低熵到高熵的方向，因此感到时间在流动。熵的增加推动时间的流动，而时间的流动又导致信息的积累。从量子态到经典态的转变（例如量子实验成为确定事件），产生了新的信息，同时增加了熵。因此，熵和时间共同构成了信息的基础，三者相互关联而且互动，缺一不可。

熵和时间的结合等同信息。熵是信息的不确定性，时间是信息的积累过程，信息是两者共同作用的结果。这一观点不仅在物理学中具有重要意义，也为理解宇宙的演化和生命的现象提供了新的视角。

能量、物质和信息三者之间可以相互转化，这一观点在现代科学已经得到了广泛支持。爱因斯坦的质能方程 E=mc² 表明质量可以转化为能量，能量也可以转化为质量。核反应中，微小的质量损失会释放出巨大的能量，正是核弹和氢弹的原理。能量与信息可以互相转化，信息的传输和处理需要能量的支持。例如我们在手机上发送电子邮件、写文章，需要弱电能驱动设备。

物质可以承载信息（例如 DNA 通过化学结构传递遗传信息），信息也可以影响物质的状态（例如通过激光冷却技术，光子携带的信息可以改变原子的运动状态）。三者的统一关系，可以将物质、信息和能量统一到守恒框架，表明三者的总量加起来守恒不变。当然，三者之间的转化只在特定条件下发生（例如导弹爆炸），日常生活中近乎不可能。

最后，国务院下属有工业和信息化部（简称工信部），主要职责包括提出新型工业化发展战略和政策，协调解决新型工业化进程中的重大问题，制订并组织实施工业和通信业信息化的发展规划，推进产业结构的战略性调整和优化升级。例如所谓大数据处理，是信息化的简化表述。中国现时需要大量信息工程师，今天中国科学技术的跃进如井喷，估计任谁也阻挡不了。

笔者认为，我们在观察国际形势变化的时候，远方的战火纷飞，需要提升我们对基础物理的认知，强化科学精神，避免被虚假信息误导，聚焦和平发展及民族复兴。九三大阅兵，不是耀武扬威，而是向全世界显示中华民族以王道抗衡霸道的力量、今天中国的科学水平已经发展到一个什么程度。