19世纪物理学家海因里希·赫兹曾描述过他的一种感受：詹姆斯·克拉克·麦克斯韦描述电与磁基本原理的方程“拥有独立的存在和它们自身的智慧，它们比发现者更智慧……我们从中获得的，远多于当初注入其中的”。不久之后，阿尔伯特·爱因斯坦称尼尔斯·玻尔的原子模型是“思想领域中音乐性的最高形式”。近年来，已故诺贝尔奖得主理查德·费曼在描述其发现物理学新定律的过程时宣称：“你可以通过美与简洁来辨认真理。”现代物理学家对此几乎普遍持有类似的看法。
凭空的愿望绝不可能造出可用的iPhone、冥王星照片或原子弹。物理学以少数几条数学上精确的定律加以概括，无可争辩地行之有效。然而，许多“行之有效”的事物，并不能激起人们对自然基本定律那种钦佩之情。
其美感首先根植于定律的对称性，这里指的是 不变之变 的可能性——一个精确而又近乎神秘的概念。正如圆可以绕其圆心旋转任意角度，使其每个点的位置发生改变而形状保持不变，对称的定律同样适用于变化了的情境，且不会改变或失去其有效性。例如，狭义相对论断言，当我们从以恒定速度运动的平台观察世界时，物理学的基本定律保持不变。类似地，所谓的时间平移对称性体现了物理定律在时间上的一致性：即便宇宙不断演化，定律依然保持不变。
第二个美的来源在于物理定律的生产性，我称之为其丰沛性。仅仅几条基本原理，就能衍生出令人惊叹的丰富结果——整个物理世界中的一切！你甚至可以把物理学核心理论的方程（即所谓的标准模型）相当舒适地写在一件T恤上。套用赫兹的话来说，它们回馈的远比我们投入的要多。
需要指出的是，物理定律不一定 必然 具有如此奇妙的性质。试设想这样一种假设情形：计算机能力、虚拟现实和人工智能的发展，使得创造出具有自我意识的存在成为可能，而它们的“世界”在我们看来是一个编程模拟的世界。如果一个具有自我意识的超级马里奥开始分析其世界的定律，他会发现其中几乎没有对称性，也没有生产性。相反，他会发现一大堆松散关联、古怪的规则，反映出程序员的一时兴起。
物理定律之美太过令人印象深刻，不可能是偶然的。它曾使历代人相信，某位品味高雅的更高存在创造了我们，而我们生活在一个经过有意设计的世界中，就像我们设想中的超级马里奥那样。但这是一种过于铺张的假说，它远远超出了其本意要解释的事实。在接受它之前，我们应当探索更为经济的替代方案。
答案很可能就在我们自身之中。美的事物是那些使我们感到愉悦、并主动去追寻的事物。从神经生物学的角度看，它们是能够刺激我们奖赏系统的事物。这解释了为什么父母往往觉得自己年幼的孩子很美，成年人也会被年轻迷人的模特及其影像所吸引。奖励这类感受，在进化上是说得通的。
物理定律之美的进化效用不那么显而易见，但同样真实。鉴于准确评估行动后果的重要性，我们的奖赏系统已经进化到使我们能从成功的预测中获得快乐。理解定义我们世界的各种力量与模式，尤其是那些能够在各种情境中保持不变地适用的原理，有助于提升我们的预测能力。我们常常能够从部分的知识推断复杂对象或系统的行为，也就是说，我们得到的远多于投入的，这一事实可以进一步帮助我们磨练预测能力。
简而言之，由于进化使我们倾向于觉得那些能帮助我们正确理解世界的事物是美的，因此我们觉得正确的自然定律是美的，这并非偶然。从这一视角看，物理定律表面上的美（即我们对其对称性与丰沛性的倾慕）并不令人意外。
仍然神秘的是，它们为何是可以被理解的。美与可理解性之间的深刻联系，正日益成为科学进步的重要源泉。当今基础物理学的前沿已远离日常经验。它们在实验上难以触及且代价高昂，而我们也无法依靠直觉来填补空白。弗朗西斯·培根、艾萨克·牛顿和夏洛克·福尔摩斯所推崇的耐心积累事实的方法，因此已不再可行。
取而代之的是，我们将这一过程倒转过来：以猜测推动实验。我们首先构造出美的方程，然后推导出其结论，最后设计实验来检验它们。近几十年来，这一策略已被证明极为成功。它催生了量子色动力学，该理论解决了核物理的核心难题，还预言了希格斯粒子以及许多其他成果。
我们不再只是去识别通过其他途径发现的定律之美，而是运用美的原则（即庞大的对称性以及高产出与高投入之比）来推动发现。当这一方法奏效时，我们便获得了对定律之美的一种“人择”解释：如果它们不美，我们就不会找到它们。
本文与 Project Syndicate合作发表。刊发不代表世界经济论坛认同文中观点。
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作者：弗兰克·维尔切克是麻省理工学院物理学教授，并于2004年获得诺贝尔物理学奖。
图片：德国哥廷根格奥尔格-奥古斯特大学旧大会堂外观，这里曾为世界带来阿司匹林、火箭科学、量子物理学和柴油发动机。REUTERS/Christian Charisius。
