我們一般人要如何理解楊振寧的科學成就

楊振寧走了，我們要記住他。

作為一個在物理學史上畫下濃墨重彩一筆的大家，很多人只知道他曾得到過諾貝爾獎，或聽說他和李政道是因為宇稱不守恒獲得的諾貝爾獎。但實際上除了宇稱不守恒外，楊振寧還有兩個足以改變物理學的重要工作：楊-米爾斯場論和楊-巴克斯特方程。

對于我們一般人而言，我們當然希望理解這些高深的物理學究竟在講什么，這也能讓我們更清晰地認識到楊振寧為什么是我們中國物理學的驕傲，并值得我們去緬懷。

01 宇稱不守恒

物理學中有一個重要概念——“守恒”，意思是自然界雖然表面紛繁復雜，但背后有些基本的量是恒定不變的。比如16-17世紀之間，萊布尼茲認為自然界中“活力”，也就是類似我們現在說的動能，是守恒的。笛卡爾則認為自然界中動量是守恒的。

19世紀，德國醫生馮·邁耶在臨床觀察中總結出了發熱和機械（力）做功之間的關系，并提出二者本質上是同一種東西的不同形式，那就是能量。

不久之后，物理學家焦耳證明了重力勢能可以和摩擦生出的熱能相互轉化，再次支持了邁耶關于“能量有不同形式”的論斷，為能量守恒進一步提供證據。

1847 年，赫爾姆霍茲發表論文《論力的守恒》，系統闡述了能量既不能被創造，也不能被消滅，只能從一種形式轉化為另一種形式，明確指出在自然界中能量守恒的普適性。

19世紀20世紀之交，各類守恒如動量、能量、電荷等守恒定律被提出后，科學家們發現它們背后有一個更基本的概念，那就是對稱。這一概念由艾米·諾特提出，可以表達為連續對稱性和守恒定律間存在一一對應關系。就比如能量守恒就代表著時間平移不變性，也就是不管過去、現在還是未來，這一物理定律是不變的。

簡單來講，物理定律其實就是自然界的數學規律，有了這些數學規律，科學家不僅能預言未來，還可以回推過去。

直到有一天，一個另類出現了，它就是“k介子”。物理學家剛發現它時，認為存在兩種“k介子”，一種會衰變成兩個粒子，另一種會衰變成三個粒子，于是就給這兩種“k介子”分別起名為θ粒子和τ粒子。

但與此同時，科學家感到大事不妙，對θ和τ粒子進行測量后發現，它們倆無論是質量、壽命還是電荷都完全一樣。

也就是說我雖然可以從它們的衰變物回推出衰變前是θ還是τ粒子，但是我無法直接判斷一個“k介子”在未來究竟是會衰變成兩個粒子還是三個粒子。這也意味著“k介子”在空間上并非是對稱的，這顯然違反了當時科學家所堅信的宇稱守恒。

當幾乎所有科學家都將物理學中各類守恒看作是鐵律之時，楊振寧和李政道在1956年10月初發表他們弱相互作用下宇稱不守恒的觀點。并得到了實驗物理學家吳健雄女士的實驗驗證，最終在1957年站在了諾貝爾物理學獎的領獎臺上。這也是人類歷史上第一次發現，宇宙似乎并非完美無缺。

02 楊-米爾斯場論

為了理解楊-米爾斯場論，我們首先需要知道什么是“場”。

牛頓作為科學巨人當然解釋了非常多的物理現象，但有一件事一直沒能得到解釋，那就是物體之間的吸引力究竟是靠什么媒介傳播的呢？難不成它是超距作用？

這一問題為日后“場”的發展埋下了伏筆。

18世紀末19世紀初，物理學家開始通過電力和磁力來研究超距作用，直到法拉第的出現，提出了我們現在所熟知的電磁場概念。也就是說，這些看似隔空產生的力并非是超距作用，而是這些看不到的“場”在起作用。

與電磁場相對應的，那究竟什么是“量子場”呢？你可以想象現在有一個平靜的水面，它就如同是一個場。當你扔一個石頭下去，就會產生波，根據粒子具有波粒二象性，也就相當于產生了粒子。因此，我們可以說場是比粒子更基本的存在。

眾所周知，更基本的原理總是可以用來解釋更復雜的現象，就比如我們可以用萬有引力解釋行星運動和潮汐現象，而場這個比粒子更基本的東西就可以用來描述微觀粒子的物理規律。

因此，傳遞電磁力的光子、弱相互作用中的介子、強相互作用中的膠子等等，都可以用它們所對應的量子場來描述物理規律。

而描述這種物理規律的具體數學形式是群論（沒關系，你不必理解群論是什么，只用知道它是一種研究對稱的數學規則，并且與物理世界相對照就可以）。

那有沒有一種理論像牛頓統一天上和地下的運動規律，麥克斯韋統一電磁理論一樣，來統一微觀世界的量子場呢？

沒錯，就是楊-米爾斯場論。它不僅是統一電磁力、弱力、強力的理論核心，更是粒子物理標準模型的理論基礎。是能和牛頓、麥克斯韋的工作相比肩的存在。

厲害歸厲害，不得不吐槽標準模型的公式不愧是世界第二丑公式：

03 楊-巴克斯特方程

我們都聽說過一本叫做《三體》的小說，這本小說的名字來自于物理學中非常經典的三體問題，也就是研究指三個質量、初始位置和初始速度都是任意的可視為質點的天體，在相互之間萬有引力的作用下的運動規律問題。

那量子世界同樣也面臨著類似的三體問題，但因為量子力學本身就足夠復雜了，那它的求解就比經典物理要復雜得多。楊振寧正是在思考1維量子多體問題時，得到了一個可求解的矩陣方程，它后來被稱為楊-巴克斯特方程。

那要如何簡單的理解楊-巴克斯特方程的威力呢？我們知道在數學上很容易表達一條直線的方程，但假如我在紙上隨便畫條線呢？它的數學形式可能就會變得極為復雜，甚至不能精確求解，只能取近似。

而量子世界或統計物理中也一樣，會出現大量的復雜系統。而對于物理學家和數學家而言，這些復雜系統并非完全沒有規律，就比如有些復雜模型的動態行為可以被完全解析。那我們要如何找到這些模型呢？答案就是那些滿足楊-巴克斯特方程的模型，它們無論多復雜都是存在規律，并可以被我們理解。

楊-巴克斯特方程解決復雜問題的能力為之后的科學家提供了一把處理復雜問題的鑰匙，就比如量子信息、量子計算、拓撲物理、凝聚態物理等領域，都離不開楊-巴克斯特方程的發展。

04 改變物理學家的思考方式

雖然物理學關于對稱現代意義上的表達并非由楊振寧所提出，但楊振寧始終是這一思想的堅定擁護者。從某種意義上來講，宇稱不守恒和楊-米爾斯場的天才想法都是楊振寧在深入思考對稱性后的結果。而大家都認為這個宇宙非常對稱之時，楊振寧和李政道給了大家當頭一棒，揭示出了我們的宇宙在某些地方，可能是略有不對稱的。正如楊振寧曾分享的一件趣事：

她（指吳健雄）曾經說她絕對不相信宇稱不守恒，所以說她可以跟人打隨便多少錢的賭，說吳健雄的實驗一定證明宇稱是守恒的。那么等到發現不守恒了以后呢，她就講了“幸虧沒有人跟我打賭，否則今天我沒有夠多的錢可輸，現在這樣我丟了些臉，可是我還有夠多的聲譽可丟”。也因為這樣的緣故，所以在1957年、1958年到1959年這兩年之間，對稱在物理學里頭的重要性達到了極高峰，而且知道對稱不是那么簡單，是既有對稱常常又有小的不對稱。

沒錯，楊振寧的這種思考方式讓當時的物理學家真正意識到對稱在物理學中是何等重要，并讓物理學家們在日后又找到了對稱破缺，揭示了我們宇宙中更深層次的奧秘。

楊振寧走了，我很懷念他。

相比于獲得諾貝爾獎，大多數物理學家或許更追求另一項成就：以自己的名字命名一個公式或理論。

這兩者，楊振寧都實現了。

當然，作為一個從事了一輩子物理的大家，楊振寧先生的成果還有很多，我們只是對三個最具代表性、最能突出他水平的領域做了點簡單的科普工作。

在牛頓的名著《自然哲學的數學原理》第三卷前言中，有一句話：“現在我要演示世界體系的框架”，“It still remains for us to exhibit the system of the world from these same principles.”

物理學是最震撼人心的語言，它的存在意味著人類并不滿足于糊里糊涂地活在黑暗中，而是要不停探尋萬物背后的真理。

泱泱華夏五千年，楊振寧是我們中國人，是物理學上，貢獻最大的那一個！

愿楊振寧先生安息，他的智慧與風骨，將如群星般，長照人間。