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杨振宁究竟有多了不起?35岁拿诺奖并不是他的巅峰

加新网CACnews.ca| 2021-9-26 12:03 |来自: 毕导

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前几天在学校主干道上看到一块大展板,要在大礼堂召开杨振宁先生学术思想研讨会。昨天才知道,原来这是杨振宁先生的一百岁生日!


我票圈很多人都在转发杨老以“但愿人长久,千里共同途”为题的讲话。仔细品读一番,让人非常感动与敬佩!

我一直很佩服杨振宁先生,一是因为他是当今世界物理学的巅峰,二是他作为当今世界物理学的巅峰,一直在不遗余力地输出他作为巅峰的能量。

我曾有幸跟杨振宁先生有过几次交集。2010年我清华入学时,就是88岁高龄的杨老做的新生报告。读本科时,还在选课系统里看到过杨老的大学物理课。2019年参加腾讯科学探索奖和未来科学大奖的颁奖典礼,两次都见到了杨老。


还有合影一张!

当时我发了篇推送跟大家分享我的激动心情。但没想到有个别读者对杨老不屑一顾,甚至充满了误解!


这肯定不行啊!我们了解杨振宁先生的成就还是很有必要的!今天我就尽我可能给大家科普一下杨老的学术成就,以及他对中国的贡献到底是什么。

一、杨振宁的科学地位

很多人不清楚杨先生是世界最顶级的物理大师之一。听到爱因斯坦、费曼、霍金这些名字,都知道是牛逼的物理学家。但提及杨振宁,却觉得只是隔壁厉害的物理老师。在许多人眼中:


虽然杨老确实是北大隔壁的物理老师……

这也能理解,毕竟我们大部分人对物理学的了解主要来源于高中物理课本。然而高中物理不学他的具体成果,物理书上也几乎没有中国人的名字。

杨振宁最为著名的学术成果有两个:1954年的杨-米尔斯理论和1956年的宇称不守恒定律。他凭前者跻身顶级物理学家之列,凭后者与李政道先生共获1957年诺奖。

诺奖颁奖典礼上评委这样评价他们的贡献:

你们不懈的努力打破了基本粒子物理学中最令人困惑的僵局,也由于你们辉煌的成就,导致了现在的理论和实验工作的蓬勃向前。

诺奖奖章及证书

诺贝尔物理学奖的平均获奖年龄56岁,而杨振宁先生获奖时年仅35岁!可谓年少有为。


(我发现物理学奖获得者大都很长寿,60岁都算小的,绝大部分都活了80岁以上。建议大家努力拿个诺贝尔物理学奖,延年益寿。)

从提出宇称不守恒理论到获奖,仅仅花了一年半的时间。1956年6月中旬杨、李两人向物理顶刊PRL投稿,1956年10月1号正式发表论文,1957年10月31号他们就获诺奖了。

这要是给我一年半的时间,写个paper被编辑退回来修修补补好几轮可能都发不出来...

另一个成果杨-米尔斯理论,是20世纪下半叶极其重要的物理突破,为物理学的发展提供了全新的数学武器。它是粒子物理学标准模型的基础,也是大一统理论的先驱。四种基本相互作用,除引力外的三种都是由杨-米尔斯理论描述的。

杨-米尔斯理论在50年代还只是一个有趣的物理创意,但很快它就成为了物理学的基础设施,多位物理学家因为从事与杨-米尔斯理论有关的研究,收获了诺奖

1979年,格拉肖、萨拉姆和温伯格完成了电磁力和弱力的统一,拿诺奖;

1999年,胡夫特和韦尔特曼阐明物理学中弱电相互作用的量子结构,拿诺奖;

2004年,格罗斯、维尔切克和波利策发现强相互作用理论中的渐近自由,拿诺奖。(太会玩了,这是在诺奖接龙吗)

1994年杨振宁因杨-米尔斯理论获得了由美国富兰克林学会颁发的鲍尔奖。颁奖文告是这样写的:

作为20世纪理性的杰作之一,这个理论解释了亚原子粒子的相互作用,深远地重新规划最近40年物理学和现代几何学的发展。这个理论模型,已经排列在牛顿、麦克斯韦和爱因斯坦的工作之列,这肯定会对未来几代人产生相类似的影响。

牛、爱、麦三人基本是公认的物理学家前三名,杨都能和他们排一块。如果硬要像武侠小说一样给物理学家排座次的话,保守一点排进top15不过分吧!

真正的物理学C位

以前我想不通,为啥杨振宁的学术成就如此之高,大家却对他知之甚少呢?后来我明白了


02 试图解释杨先生的成就

杨先生在物理学界的成就丰富而深刻,我们仅为大家简要解读。以下内容主要来自《杨振宁传》、我粗浅的物理学知识和一位学物理的哥们。如果有错,我就把哥们打一顿。

杨振宁最为大家熟知的成就可能是荣获诺贝尔奖的宇称不守恒。这可以说是整个科学史上最令人惊奇的发现之一。


首先要声明的是,“宇称”是一个量子力学里的概念,指的是粒子在空间反演变换下的对称性,不是我们平常认知中的东西。


宇称守恒定律通俗地讲可以理解为,一个粒子和“镜子中的这个粒子”遵循相同的规律,或者说,左右是一组相对的概念,世界上没有绝对的左和右。


这没啥好怀疑的。你扔个东西,它遵循自由落体定律,那镜子里的它肯定也遵循自由落体定律;你对着镜子招手,镜子里的你也招手。不招手的那是恐怖片。不信你去照照镜子


宇称守恒定律太显然了,所以物理学家们把它当作最基础的定律之一。

但1954年,θ-τ之谜的出现,使得宇称守恒产生了问题

简单说就是,人们发现有θ和τ这两种奇异的粒子,在衰变过程中宇称不同:θ粒子衰变会产生2个π介子,宇称为偶;而τ粒子衰变会产生3个π介子,宇称为奇。


可人们又发现,θ和τ这两种粒子实在太像了,在质量、电荷、自旋等其他方面的性质完全一样,这哥俩咋看都是同一种粒子啊!

对于这一矛盾,合理解释就两种:

这俩不是一种粒子,但我们太辣鸡了,除了宇称之外完全分辨不出它们的区别;

这俩就是一种粒子,可是在弱相互作用支配下的衰变过程中,宇称不守恒。

绝大多数物理学家都选择相信前者。没有人会怀疑宇称守恒,因为它实在是太显然了。

就好比最近你吃得很少但依然长胖了,你肯定会从自己身上找原因,而不会激动地宣布自己推翻了质量守恒定律。

凡是质疑底层物理规律的人,要么是民科,要么是绝顶天才。宣布推翻质量守恒定律的你可能是民科,但宣布推翻宇称守恒的杨振宁是绝顶天才。

杨振宁先生的物理观念深受爱因斯坦影响,相信物理的美学,对“对称”的概念极其信奉。宇称不守恒不符合物理学的对称美感。按理说,他不会相信镜子内外不对称这种荒诞的事。

但他超越同时代物理学家的地方正在于此。他没有让所谓的基础定律限制自己的思想,而是探究所有的可能性,哪怕现实是最不可能的那个。

为了确定弱相互作用中的宇称是否守恒,杨振宁和李政道从熟悉的β衰变入手进行考查,大概可以理解为一个中子衰变成一个质子和一个电子。

人们做过的β衰变实验有上千种,俩人对这些实验统统进行了重新研究。


结果他们发现在过去所有的β衰变实验里,没有任何实验能表明,弱相互作用满足宇称守恒定律!

这是一个令人惊愕的发现,但也不怪物理学家心大,谁没事往这想呢……

于是杨李二人很快重新设计了几个实验用于检验宇称不守恒。但哥俩都是实验渣,尤其杨振宁,动手能力极差。《杨振宁传》里说,小时候手工课老师让他用泥巴捏只鸡,结果他捏出来的像藕...


古人云,鸡变藕不变,符号看象限。引导杨振宁思考宇称不守恒的恰恰是θ和τ粒子的宇称奇偶性。如此看来,这一切也许是命中注定吧(这是一段强行命运升华)。

除了动手能力差外,两人对当时实验技术的了解也有所欠缺。于是他们选择把实验方法和理论分析写成了论文《在弱相互作用中宇称是守恒的吗?,投给《物理评论》


编辑不喜欢题目中有问号,于是改成了句号...

论文发表后遭到了大牛们的一致嘲笑。费曼、泡利等大牛都打赌宇称一定是守恒的。也不知道物理学家为啥这么爱打赌……泡利表示:“我不相信上帝是个弱的左撇子。”

天才物理学家朗道的学生沙皮罗也向导师提出过宇称不守恒的想法,论文被朗道直接扔一边去了。

值得庆幸的是,有一位实验物理学家表示


吴健雄,美籍华裔物理学家,被称为“东方居里夫人”、“核物理女王”。她设计了极其精妙的实验,让两个初态一致的钴60装置,产生方向相反的极化,就相当于一个在镜子里、一个在镜子外。然后观察β衰变时电子的飞出方向。


如果宇称是守恒的,镜子里外是一样的,那它俩的电子都应该往上飞。然而实际测出来的是,它俩的电子一个往上飞、一个往下飞。

虽然就这么简单几句话,但这个实验已经成功证明了,在弱相互作用中,守称不守恒,世界上可以有绝对的左和右。

以前人们相信,公正的上帝并不偏爱前或后、上或下、左或右、过去或未来。杨振宁和李政道二人打破了这种传统的认知和常识!

他们告诉了全世界,上帝喜欢对称,但在细节上他也会埋不对称的彩蛋。

不知当年那些打赌的物理学大牛们给钱了没……

试想一下,如果最初的宇宙是绝对对称的,所有的粒子都完全一样,物质和反物质数量相等,没有四大相互作用的区分,那这个宇宙也就是一锅均匀的粥了,我和我家狗子也就没有区别了。

正是细节上的对称破缺,才演化出了更多的可能性。左撇子的上帝,让世界焕发出更蓬勃的生机。

杨振宁曾经就θ-τ之谜发表过一番言论:

那时候,物理学家发现他们所处的情况,就好像一个人在一间黑屋子里摸索出路一样,他知道在某个方向上必定有一个能使他们脱离困境的门。然而这扇门究竟在哪个方向上呢?

他终于亲自找到了那扇正确的门。

03 继续试图解释杨先生的成就

得诺奖当然很开心,但杨振宁学术成就的巅峰是杨-米尔斯理论。为了理解杨老的伟大,我们得首先把大家的知识水平拉回杨老的年代。

我们都说“物理是一门实验学科”,过去物理的研究方法是从实验推理论的过程。比如开普勒观察星星得到各种天文数据,总结成开普勒三定律,牛顿再用这些定律加上微积分得到万有引力定律。看起来不错吼!

但在爱因斯坦看来,这种方法也就只能猜一些简单的公式。像下面这种方程,你告诉我这踏马咋从实验数据里凑出来?

于是爱因斯坦将上面那套方法颠倒了一下,变成了提出理论再用实验验证。我先在脑子里想出相对论,你们去观察星星帮我验证一下,哇都符合了,我真牛逼。

那怎么才能拍脑瓜想出一个新理论呢?答案是对称性

比如空间的平移对称性,就蕴含着动量守恒定律。时间的平移对称性,蕴含着能量守恒定律。如果我们能找到其它的一些对称性,也许能指导我们发现新的规律。

这是一种全新的模式,虽然并不被主流物理学家们所接纳,但杨振宁对此深信不疑,这种研究思想深刻影响着他未来的学术道路。

1929年,数学家外尔利用数学中的群论知识,对物理学的对称性做了一些研究。他发现把一个系统的对称性推广之后,能得出更为全面的理论。比如波函数的整体对称性只对应电荷守恒定律,但将其推广到局域对称性时,能直接得到整个电磁理论!

赫尔曼·外尔 代表作:《群论与量子力学》

这个结论在现在看来非常漂亮。但当时的物理学家们瞧不上这个搞数学的,觉得花里胡哨,但只是一种数学语言,根本没创造任何新知识。

就好比你发现站得越高,尿得越远。我提出高处的尿液具有更大的“重力势能”,因此能尿得更远。在你眼中,“重力势能”对你尿得更远这件事可能只是换了个表达方式,多了个mgh的公式,没啥特别的。

但敏锐的杨振宁察觉到了结论蕴含的延伸价值如果我把它发散到强力、弱力领域,是不是意味着,只要我们要求某种整体对称性在局域成立,就能直接得到强力、弱力的相关理论呢?

这个疯狂而伟大的想法让杨振宁非常兴奋。尽管当时容易出成绩的研究课题是色散、公理化场论等等,他也不管不顾,一门心思扎进了对称性研究。

以外尔的经验来看,群论是研究对称性的最佳工具。可惜当时的物理学家对这种抽象的数学语言知之甚少,非常抵制,怼神泡利甚至直接把群论嘲讽为“群祸”。

但杨振宁不一样,他是个群二代。杨振宁的父亲是一位擅长群论的数学家,因此他的数学贼好,尤其掌握了非常深刻的群论知识。杨振宁研究阿贝尔群的时候,你还只会玩QQ群。有个好爹真是太重要了!

1947年,在芝加哥大学读研究生的杨振宁开始了初步研究。想法是美好的,付诸实践却难上加难。他的每一次尝试,带来的都是冗长、丑陋的公式,得不到任何有用的结果。

“是不是我的方向出错了?我根本不可能从中得出什么好结论?”

任何人都会这般想,但绝不包括杨振宁。杨振宁对对称性情有独钟,对这份研究饱含期待与热情,面对困难也是越挫越勇。

1953年,杨振宁在普林斯顿高等研究所工作。在与米尔斯的偶然交流中,他的思路进一步开阔,完全没有像从前那样卡壳。沉寂已久的研究迎来了希望。两人开始合作。

杨振宁与米尔斯

接下来的一年,两人完成了绝大部分的研究。他们在众多学术会上分享自己的研究成果,受到的关注却少得可怜。由于建立的理论模型并不十分完善,唯一感兴趣的泡利对此也尽是否定与批评。

1954年2月,两人的论文写完了。但之前的经验告诉他们,即使发表也溅不起什么水花。到底该不该发表呢?

杨振宁坚决选择了发表。在他看来,这个理论的数学结构非常漂亮。正如狄拉克所说:“在致力于用数学形式表示自然界规律时,主要应该追求数学美。他十分认同这一点。

况且他们的理论将“对称性支配相互作用”这一思想体现地淋漓尽致,他坚信这种思想是物理学中极为重要的东西。即使有一些问题存在,拿出来给大家讨论不是更好吗?

1954年6月28日,杨振宁与米尔斯向《物理评论》寄出了两篇论文,向世人展示杨-米尔斯理论。10月1日论文刊出。

部分论文内容

杨-米尔斯理论提供了一个能把整体对称性推广到局域对称性的数学框架只要你能找到某种合适的对称性,按照这种数学框架进行推广,就能推出它背后的相互作用理论。

正如杨振宁所预想,这个理论像曾经的外尔结论一样,起初并没有受到大家的重视。由于理论中的质量问题得不到解决,人们只把它当作一个有趣但无用的“理论珍品”。

直到1965年,彼特·希格斯发现的“希格斯机制”表明,杨-米尔斯场规范粒子可以在自发对称破缺时获得质量。


质量问题被一举攻破,自此杨-米尔斯理论开启了开挂之路!

1967年,格拉肖、萨拉姆和温伯格,利用杨-米尔斯理论完成了电磁相互作用和弱力相互作用的统一,并成功预言了一批规范粒子的存在。

1973年,格罗斯、维尔切克和波利策,研究夸克之间的“渐近自由”规则,证实了强相互作用也照样遵守杨-米尔斯理论。

从曾经的默默无闻,到今天粒子理论的基石,杨-米尔斯理论实现了三大相互作用的统一。

杨振宁所做的工作无疑是极具前瞻性的。

他将“对称性决定相互作用”这一自己深信的东西,变成了物理学家们最基本的指导思想,极大推动了物理学的发展。

从美学观念上看,物理的终极目标,应当是寻求一个尽可能简洁的终极的理论来解释世间的万物。如果真的有这么一个理论,现在看来它的地基应该是杨-米尔斯理论。

04 杨振宁对中国的贡献是什么?

我的天,多了去了!

学术圈的基本身份,就是导师和学生。这种拜师学艺的学术规矩决定了,学术圈非常依赖传承。大牛带小牛,小牛带博士,博士带着自己的一帮菜鸡师弟师妹。

在中国,最顶级的学术称号是院士。一个院士自己课题组能创造的科研成就是一方面,但院士的影响力带来的隐形贡献是不可估量的。

在过去很长一段时间里,国际上都认为中国又穷又没饭吃,科研也很辣鸡,人家都不来这儿搞学术。换位思考想想,你是一个研究材料的,现在把你扔在一个没有SEM没有XRD的地方,你能做些啥呢?

但直到1971年中美关系一缓和,杨振宁马上回国,才搭起了中国与外界进行科学交流的桥梁。说白了,就是给祖国薅回来了大量人才!

当时的杨振宁已是世界的一流学者,经常在世界各国演讲。在他的每一次演讲会上,他都积极介绍新中国的成就,展示新中国的风采。

正是因为有他的多次公开表态,才会有大批华裔学者逐渐消除了疑虑,开始回国做学术。

比如数学大师林家翘先生,他的回国,推动了应用数学和流体力学在多个新领域的快速发展


比如计算机大神姚期智先生,成功被杨老拉回国,在清华创立鼎鼎有名的姚班、智班,把清华计算机专业发展到了世界一流水平。


如果没有这些顶尖人才的回国,我国科研的发展速度绝不会像今日这般迅猛。

在人才之外,搞科研还需要充足的学术资金。

实验设备动辄几百万几千万,各种物质、耗材也巨贵。像我们领域有些材料1g粉末上万块,万一粉末被风吹地上,一个博士五年的工资可能就搭进去了。每一次实验都是在烧钱。如果没钱,一切白搭。

杨振宁先生对这一点的认知比谁都清楚。他费尽心血,筹集了规模大小各不相同的基金和设立各种各样的奖金。

从1980年开始,在杨振宁的直接发起和倡导下,先后设立了“与中国教育交流委员会”、“中山大学高等学术研究中心基金会”、“清华大学高等研究中心基金会有限公司”、“北美清华教育基金会”,以及帮助和促进“邵逸夫奖”、“何梁何利基金”、“求实科技基金”等的建立。


对于那些经济效益低、缺乏经费的研究项目来说,这些资助是雪中送炭。而对于科研人员来说,这些经济回报更是给他们带来了正反馈。

人才、资金都有了,还差一个良好开放的学术环境。

一个先进优秀的研究中心对前沿科技的帮助是巨大的。像美国的普林斯顿高等研究院,学术圣地,吸引了一大批学者定居在这儿搞尖端研究。

这么好的东西我们也得有啊!于是清华也搞。杨振宁鼎力支持,卖了美国的房子,捐了100万美元,还拉来了姚期智、王小云、翁征宇一批大牛镇场子,出钱出力,最后建成了清华大学高等研究中心。


国际学术会议在这里举办,诺贝尔奖级的学者来这里演讲,每年都有科学大师和清华研究人员交流最新科研进展。清华高等研究中心,成为了中外科研交流的一大窗口。

2002年清华大学“前沿科学研讨会”部分学者合影 其中有9位诺奖得主

除此之外,杨振宁还义务参与建设了中国60多个一流的物理实验室,无数科研成果从这里诞生。

说白了,大家看到有你杨振宁在这,那就得给面子。杨老邀请了,我们就得来。杨老要我们出钱,我们就愿意给。杨老给我们搭台,我们就上去唱戏。

这么多的工作,全是个别人口中那个“对国家毫无贡献”的杨振宁干的。

杨振宁先生今年已是百岁高龄,仍然在为祖国科研的发展奔波努力着。在很多学术会议、学术奖项颁奖现场上,都会出现杨老硬朗的身影,以自己一生的经历与经验,激励更多的年轻人奋进。

这么说你可能觉得有些夸张,但就这是我现场听他讲话时真切的感觉。你要是看到他,你也想学习。


结语

网上有很多给物理学家排座次的文章,虽然看着有些中二,但说杨振宁先生是当今世界活着的物理学家中最伟大的,也不为过。

1971年两弹元勋邓稼先给杨振宁先生写了一封信,信尾以“但愿人长久,千里共同途”十字,表达了对杨老的殷切期望与祝愿。

而自1971年杨振宁第一次访问回国,到2021年的今日,回首五十年,杨振宁先生一直在穷尽自己的能力招揽学术人才、筹集学术资金、打造学术环境。最重要的是,或许正如杨老自己所言,他一生最大的贡献,就是改变了中国人自己觉得不如人的心理。

曾经的邓稼先先生,今时的杨振宁先生,都共同奔赴在推动我国科研快速发展的光明道路上。这就是真正的“千里共同途”吧!


衷心希望更多人能了解杨先生卓越的学术成就和为国家发展做出的贡献。

祝愿杨先生身体健康,能一直继续他所推崇的事业,发挥自己最大的光和热。

也祝各位科研工作者像杨老这般坚守初心,努力科研,共同进步。但愿人长久,千里共同途!


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