[历史] 物理学之美：杨振宁的13项重要科学贡献（转）[第4页]

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[历史]物理学之美：杨振宁的13项重要科学贡献（转）[第4页]

作者:音翻海浪

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1950年，杨振宁关于π0衰变的论文以及他和Tiomno关于β衰变中相位因子的论文奠定了他在此领域中的领先地位。1956年，θ—τ之谜是粒子物理学中最重要的难题，当时普遍讨论宇称是否可以不守恒。杨振宁和李政道从θ—τ之谜这个具体的物理问题走到一个更普遍的问题，提出“宇称在强相互作用与电磁相互作用中守恒，但在弱相互作用中也许不守恒”的可能，将弱相互作用主宰的衰变过程独立出来，然后经具体计算，发现以前并没有实验证明在弱相互作用中宇称是否守恒。他们更指出了好几类弱相互作用关键性实验，以测试弱相互作用中宇称是否守恒。吴健雄于1956年夏决定做他们指出的几类实验中的一项关于60Co β衰变的实验。次年1 月，她领导的实验组通过该实验证明在弱相互作用中宇称确实不守恒，引起全物理学界的大震荡。因为这项工作，杨振宁和李政道获得1957年的诺贝尔物理学奖。

2.8 时间反演、电荷共轭和宇称三种分立对称性
质疑弱相互作用中宇称是否守恒的论文预印本引起Oehme于1956年8 月致信杨振宁提出弱相互作用中宇称(P)、电荷共轭(C )、时间反演(T)三个分立对称性之间的关系的问题。这导致杨振宁、李政道和Oehme 发表论文57e，讨论P、C、T 各自不守恒之间的关系。此文对1964年CP 不守恒的理论分析有决定性的作用。

2.9 高能中微子实验的理论探讨
1960年，为了得到更多弱相互作用实验信息，利用实验物理学家Schwartz 的想法，李政道和杨振宁在理论上探讨了高能中微子实验的重要性。这是关于中微子实验的第一个理论分析，引导出后来许多重要研究工作。

2.10 CP 不守恒的唯象框架
1964年，实验上发现CP不守恒后，引发出众多乱猜其根源的文章。杨振宁和吴大峻没有理会那些脱离实际的理论猜测，而作了CP 不守恒的唯象分析，建立了后来分析此类现象的唯象框架。这反映了杨振宁脚踏实地的作风，也明显显示出他受到的Fermi的影响[11]。

2.11 杨—Mills 规范场论
1954年，杨—Mills 规范场论(即非阿贝尔规范场论)发表。这个当时没有被物理学界看重的理论，通过后来许多学者于1960 到1970年代引入的自发对称破缺观念，发展成今天的标准模型。这被普遍认为是20 世纪后半叶基础物理学的总成就。
杨振宁和Mills 的论文，从数学观点讲，是从描述电磁学的阿贝尔规范场论到非阿贝尔规范场论的推广。而从物理观点上讲，是用此种推广发展出新的相互作用的基础规则。
今天知道，在主宰世界的4 种基本相互作用中，弱电相互作用和强相互作用都由杨—Mills 理论描述，而描述引力的爱因斯坦的广义相对论也与杨—Mills 理论有类似之处。杨振宁称此为“对称支配力量”[3，7，9]。杨—Mills理论是20世纪后半叶伟大的物理成就，杨—Mills 方程与Maxwell 方程、Einstein方程共同具有极其重要的历史地位。
杨—Mills 理论有“开天辟地”的崇高地位，它的成功是物理学史上的一场革命。但是杨振宁的出发点并不是要搞革命，而是要在复杂的物理现象背后寻找一个原理，建立一个秩序。这种秩序的建立是杨振宁追求物理学之美的一个主要表现。作为保守的革命者，他引起的革命是不得已而为之，是建设性的，而非破坏性的。但当革命性的思想确实需要时，他又果断地采纳。虽然最初得到杨—Mills 规范理论时，规范粒子的质量问题不能解决，但物理直觉、理论的美以及对规范对称性的重视使得杨振宁相信这个理论一定是正确的一步。

2.12 规范场论的积分形式
杨—Mills 理论还把物理与数学的关系推进到一个新的水准。1970年左右，杨振宁致力于研究规范场论的积分形式，发现了不可积相位因子的重要性，从而意识到规范场有深刻的几何意义。几年后，在评述这篇论文时，杨振宁感怀：
“我的大多数物理同事对数学采取实用主义的态度。也许因为我父亲的影响，我对数学有更多的欣赏。我欣赏数学家的价值判断，我崇尚数学的美和力量：既有战术操纵上的机智和复杂，也有战略行动上的激动人心的扫荡。而且，当然，奇迹中的奇迹，数学中一些概念竟提供了主宰物理宇宙的基本结构！”[12]

2.13 规范场论与纤维丛理论的对应
1975年，杨振宁和吴大峻发表了论文75c，用不可积相位因子的概念给出了电磁学以及杨—Mills场论的整体描述，讨论了Aharonov—Bohm效应和磁单极问题，揭示了规范场在几何上对应于纤维丛上的联络。这篇文章里面附有一个“字典”，把物理学中规范场论的基本概念准确地“翻译”成数学中纤维丛理论的基本概念。这个字典引起数学界的广泛兴趣，大大促进了数学与物理学以后几十年的成功合作。

3 讨论
杨振宁是20 世纪后半叶理论物理大师，具有极其鲜明独特的研究风格和品味。无论是场论和粒子物理，还是统计力学与凝聚态物理，杨振宁的研究工作都体现了他对物理学理论的美的追求。这种追求贯穿了他的整个研究生涯。从学生时代直到现在，杨振宁做研究不赶时髦，不随大流，不落俗套，而是从物理现象和从自己的物理思想出发，作出深刻的发现，展示物理之美。有些工作的重要性因为得到实验支持很快被承认，最著名的例子是关于弱相互作用中宇称不守恒的工作；而有些工作的重要性经过很多年以后才被其他物理学家认识到，并成为相关领域的奠基石，最著名的例子就是杨—Mills 规范场论。因为醉心于自己的追求，他会把一时还不能完善或尚未显示出其重要性的想法放在一边，等待时机成熟[13]。正所谓“文章千古事，得失寸心知”。

1954年，杨振宁和Mills从物理结构出发提出杨—Mills 理论时，虽然知道这是一个极美的理论，但当时并没有意识到它如此重要，更不了解规范场的几何意义。杨振宁是物理学家，不是数学家，是从物理现象归纳基本理论，而这些基本理论的结构需要用数学表达。在追寻物理理论的美的过程中，他扎根于物理现实。但他又具有高超的数学能力，能够欣赏数学之美。
杨振宁着重追寻“物”之“理”，设计物理学的基本理论结构。但他又深刻地认识到实验现象是物理学之根本，十分关注新的实验发现，富有成效地同实验物理学家互动，对物理学各个领域保持兴趣，包括一些看似较“小”但反映了物理学精神的问题，从中提炼出美妙的物理，而对一些研究“大”问题但猜测性太强的领域不感兴趣。1970年代后，凝聚态物理的实验新发现层出不穷，而高能物理的进步则倚赖于加速器的发展，因此他对凝聚态物理和加速器物理这两个领域特别关注，并鼓励青年人进入这些领域[2，6，7]。

杨振宁的风格和品味中很多成分出自多年前埋下的“小的种子(seedling)”[13，14]。他对对称性的爱好与他天生的气质和幼时的经历不无关系，又与他本科生阶段在吴大猷的引导下对分子光谱对称性的学习以及在他父亲引导下对群论的学习密切相关。而统计力学方面的研究则起源于他硕士生阶段受到的王竹溪的引导。在很多工作中表现出的数学能力和对数学美的欣赏，与他少年时期在其父亲的影响下对数学的接触分不开[7，12—14]。受Fermi 的影响，杨振宁又对很多领域保持兴趣。
科学家在科研上的风格与其作为一个人的个性往往很难分开。从杨振宁身上可以看到中西文化的交融，对社会进步的积极态度，天才与常人的结合，勤奋与智慧的结合，真诚实在，等等。这些都与他的学术风格有相通之处。

致谢感谢杨振宁先生的讨论并提供照片。
参考文献
[1] Dyson F. Int. J. Mod. Phys. A，1999，14：1455；Dyson F. Notices of AMS，2009，56：212
[2] Goldhaber A，Shrock R，Smith J，Sterman G，van NiuwenhuizenP， Weisberger W. (Ed.) Symmetry andModern Physics.World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd.，2003. (文章作者：F.Dyson，J. Zinn-Justin，张首晟，W. Ketterle，G. E. Brown 等，M.Veltman，L. Alvarez-Gaumé等，丘成桐，B.Sutherland，A. Tonomura，E. D. Courant，余理华，吴大峻，G. 't Hooft，M. Goldhaber，G. Sterman)
[3] Yang C N. Selected Papers 1945—1980 with Commentary. W. H.Freeman and Company Publishers，1983；2005 Edition，World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd.，2005
[4] Yang C N. Selected Papers Ⅱ with Commentary. World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd.，2013
[5] 杨振宁著作目录. 见http://www.phy.cuhk.edu.hk/people/Yang_pub_list.pdf
[6] Liu S H，Yau S T. (Ed.). Chen Ning Yang：A Great Physicist of the Twentieth Century. International Press，1997 (文章作者：沈君山，R. J. Baxter，G. E. Brown，A. H. Chamseddine和J. Fr?lich，赵午，乔玲丽，郑洪，郑国顺，陈省身，邹祖德，朱经武，J. W.Cronin，B. S. Deaver Jr，M. Dresden，F. Dyson，D. Gross，黄克孙，M. Jimbo，高锟，李炳安和邓越凡，R. Mills，聂华桐，J.Smoller、A. G. Wasserman 和丘成桐，B. Sutherland，E. Teller，丁肇中，J. S. Toll，A. Tonomura，P. van Niewenhuizen，E. Witten，吴健雄，吴大峻，颜东茂，张奠宙)
[7] 张奠宙. 杨振宁文集. 华东师范大学出版社，1998 (除杨振宁的文章和访谈外，该文集也收入一些参考文献[6]中的文章的中文版以及刘秉均、杨振平、杨振汉、杨振玉、聂华桐等人的有关文章)
[8] 1958年，苏联物理学家朗道50岁时收到的一个生日礼物是两块大理石板，上面模仿摩西十诫(Ten Commandments) 刻着朗道的10 项贡献. 参阅Kikoin I K. Landau's ten commandments.In：Khalatnikov I M. (Ed.). Sykes J B. (Trans.). Landau，the Physicist and the Man：Recollections of L.D. Landau. Pergamon Press，1989. 284. 可以用“杨振宁十三诫”与“朗道十诫”相对应. 但是“诫”字在语义上并不恰当
[9] Yang C N. Int. J. Mod. Phys. A，2003，18：3263；已收入文献[4]中
[10] Jarlslog C. Speech at Chen Ning Yang Retirement Symposium，21-22 May 1999，未发表
[11] Pais A. Inward Bound. Oxford University Press，1986. 533
[12] Yang C N. 参考文献[3]第74 页，笔者翻译
[13] 杨振宁. 物理，2012，41 (1)：1
[14] 施郁，戴越. 物理，2011，40 (8)：491 【科学网博客链接；pdf链接】
转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自施郁科学网博客。
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杨米尔斯场已经使建立一种关于所有物质的无所不包理论成为可能。事实上，我们如此坚信这一理论，以至于满不在乎地称它为标准模型。
标准模型能解释关于亚原子粒子的所有实验数据，直到能量大约高达一万亿电子伏（用一万亿伏的电压加速一个电子而产生的能量）。这大约是现在运行中的原子对撞机的极限能量。因此说标准模型是科学史上最成功的理论也并不为过。
……到了８０年代，经过半个世纪几乎不断的成功之后，“木头的量子理论”开始衰竭。我能清清楚楚地记得劳累过度的年轻物理学家们在这其间的受挫感。每个人都感觉到，标准模型已被它本身的成功所葬送。他太成功了，以至于每一次国际物理学会议似乎只是批准它的一枚橡皮图章而已。所有的报告都谈到又找到另一种成功地支持了标准模型的冗烦的实验。在一次物理学会议上，我向后看了一下听众，发现有半数人正昏昏欲睡，而讲演者却一边一张张地显示图片，一边喃喃细语，以证明这些最新数据如何符合于标准模型。

著名的诺奖物理学家加来道雄谈标准理论和杨振宁。
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我请教丁肇中诺贝尔奖自1901年至今一百多年，物理学得奖者也有百馀人，当然水平高低不同，杨的规范塲论可排在什麽位置，丁肇中说应排在最前几名，又问如从三百年前牛顿开始，他排在什麽位置，丁答覆：也排在很前的位置。不仅在私下谈话中，杨70寿辰，在美国的一个祝寿会上，丁肇中接受邀请发言，丁说杨振宁是20世纪伟大科学家之一, 当人们回顾20世纪物理发展主要里程碑时马上就想到 1. 相对论 (爱因斯坦的广义相对论) 2. 量子力学 (狄拉克量子力学) 3. 杨振宁 (规范场)。

规范场论正确的提法是杨─米尔斯规场论，是在1955年撰写的一篇论文，当年并没认识到其重大意义，直到以后才被逐步认识，米尔斯当时是杨振宁的博士研究生，此人一生并无其他重要着作，
我曾和杨振宁开玩笑说，如果我早知有此奇遇，我在你周围随便当个小角色，进进出出你的办公室，你一高兴也许我名字就挂上，那就成为杨―刘规范场论, 我也跟着你 “名垂青史”。在公开场合，杨很少特别提到米尔斯是他学生，在他传记等文学记载似乎他不想令人感到贬低他的学生米尔斯在此论文的作用，在他传记多次提到米尔斯当时和他共同工作情况。
实际上，不少着名物理学家以及1995美国历史最悠久的富兰克林学会授于那一年的地位崇高，鲍尔科学成就奖的颂词中都提到杨—米尔斯规范场论，只有牛顿的重力理论，麦斯威尔的电磁理论和爱因斯坦的广义相对论，可以与之相提并论。

荣归故里，万人膜拜。。。可惜了当年的那群回国科学家

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