张首晟 · 2025-01-14

纪念张首晟教授：牛顿《自然哲学的数学原理》的影响与启示

摘要

本文记录了张首晟教授在2016年初收到一份珍贵的圣诞礼物——1729年出版的英文首版《自然哲学的数学原理》（Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica）。张教授回顾了牛顿这部伟大著作的历史意义与科学贡献，阐述了牛顿力学对后世科学发展的深远影响，并表达了个人对大统一理论的不懈追求。文章将中国古代易经八卦与现代物理学的三大基本常数相结合，展现了对万物理论的独特思考。

内容框架与概述

文章以张首晟教授收到一份珍贵礼物为引子，这份礼物是由黄晓捷先生从英国伦敦著名古藏书店Peter Harrington购得的1729年英文首版《自然哲学的数学原理》。这部著作是牛顿于1687年发表的科学巨著，奠定了现代科学的基础。张教授深情地回忆了收到这份礼物时的激动心情，称其为"至高无上的礼物"。

牛顿的《自然哲学的数学原理》是一部划时代的科学著作。它不仅奠定了牛顿力学的运动方程，提出了万有引力定律，还发明了微积分这一强大的数学工具。更重要的是，牛顿提出了"天地合一"的宇宙观——地上的苹果和天上的行星都遵循着同样简单而普世的科学原理。这种思想彻底改变了人类对宇宙的认知方式。

牛顿的思想深远地影响了启蒙运动的发展。伏尔泰在英国期间参加了牛顿的葬礼，并首次向世人讲述了那个著名的苹果故事。他的灵感女神Emilie du Châtelet侯爵夫人翻译了Principia的法文首版。伏尔泰从牛顿的"天地合一"联想到"天人合一"，从自然定律延伸到社会法律，从而点燃了启蒙运动的火种，影响了整个欧洲大陆。美国建国的理念也是启蒙运动的产物，因此Principia被誉为"人类文明的第一书"。

张首晟教授在文章中分享了自己的科研经历与追求。他是狄拉克的忠实粉丝，于2012年荣获了以狄拉克命名的狄拉克奖。他的本科和博士论文都致力于量子引力研究，追寻大统一（G, ħ, c）的梦想。虽然后来因该领域缺乏实验支持而转向凝聚态物理研究，并成功预言了拓扑绝缘体，但他始终没有放弃对大统一理论的追求。

核心概念及解读

自然哲学的数学原理（Principia）：牛顿于1687年发表的划时代著作，奠定了现代物理学的基础。该书系统阐述了牛顿三大运动定律和万有引力定律，发明了微积分作为数学工具。其核心思想是"天地合一"——宇宙万物遵循统一的自然规律。这部著作不仅改变了科学，还通过启蒙运动深刻影响了人类文明的发展进程，被誉为"人类文明的第一书"。

三大宇宙基本常数：基础科学的三大发现可以用三个宇宙基本常数来描述：G（牛顿万有引力常数）、ħ（量子力学的普朗克常数）和c（爱因斯坦相对论中的光速）。将这三个常数作为坐标轴，可以构建一个理论框架，包含了从经典力学到量子力学、从微观世界到宏观世界、再到相对论时空的完整物理图景。大统一理论的目标就是将这三个常数完美统一。

八卦与物理学的对应：张首晟教授创造性地将中国古代易经八卦与现代物理学相结合。通过将阴阳与三爻对应于（G, ħ, c）三个常数，可以构建一个与理论框架八个顶角相对应的八卦图。在这个对应关系中，大统一万物理论对应于（有G，有ħ，有c）的乾象——这是物理学界的终极追求。莱布尼兹在发明二进制时正是受到了易经八卦图的启发，展现了东西方思想的奇妙交融。

狄拉克的科学美学：狄拉克是20世纪最伟大的物理学家之一，他坚持"从至美的数学概念出发"的科学方法论。这种美学追求使他预言了反粒子的存在，后来被实验证实。张首晟教授深受狄拉克影响，认为数学之美是探索宇宙真理的重要指南。他因在拓扑绝缘体领域的杰出贡献荣获2012年狄拉克奖，这是他一生至高的荣誉。

大统一理论的追求：张首晟教授将大统一理论视为自己毕生的科学追求。他虽然因实验条件限制转向凝聚态物理研究，但从未放弃对大统一（G, ħ, c）的梦想。他认为，填补先贤留下的空白是他们这一代学子的神圣使命，也是全人类的崇高梦想。为了实现这一梦想，必须穿越时空，潜入普朗克长度的深渊，攀上普朗克能量的顶峰。