由香港求是科技基金会主办、清华大学承办的“2019年度求是奖颁奖典礼”在清华大学举行。典礼上,今年的重磅奖项“求是终身成就奖”授予杨振宁,奖金三百万元人民币。在基金会此前历史上,“求是终身成就奖”得主仅有一位,即基金会元老顾问、“两弹一星”元勋周光召先生。

杨振宁当今物理学地位(世界物理发展将倒退60年)(1)

杨振宁被誉为当今在世最伟大的物理学家,《Nature》杂志在2000年更是把他评为影响世界千年的TOP20物理学家,那么杨振宁究竟有多牛呢?

1926 年,物理学家提出了宇称守恒定律,并且把对称和守恒定律的关系由经典力学进一步推广到微观世界。在微观世界“宇称守恒”就是指一个基本粒子与它的“镜像”粒子完全对称。

物理学家发现在四大基本相互作用力里,电磁力、引力、强力的物理规律都具有宇称不变性,由它们支配的过程都宇称守恒。

宇称守恒都符合粒子的三个基本的对称方式:

1、一个是粒子和反粒子互相对称,即对于粒子和反粒子,定律是相同的,这被称为电荷(C)对称。

2、一个是空间反射对称,即同一种粒子之间互为镜像,它们的运动规律是相同的,这叫宇称(P)。

3、一个是时间反演对称,即如果我们颠倒粒子的运动方向,粒子的运动是相同的,这被称为时间(T)对称。

而为了描述这种对称性质,物理上把微观粒子分成两类,一类宇称为正( 1),一类宇称为负(-1),也可称作奇偶,一个系统的总宇称,就等于系统内所有粒子宇称的乘积。而一个系统无论如何变化,不管是分裂出新粒子,还是结合成新粒子,系统变化前后的总宇称保持不变。

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由此科学家们都坚信弱力也对称守恒,科学家在1956年之前发现了θ和τ两种介子的自旋,质量,电荷完全相同,一度以为是同一种粒子。

而澳大利亚的物理学家达利兹仔细的研究了这两个粒子,利用当时普遍被接受的物理定律去做了一个计算分析,结果表明θ和τ的宇称数不一样,因此不可能是同一种粒子。θ衰变时产生两个π介子,τ衰变时产生3个π介子,奇数个π介子的总宇称是负的,而偶数个π介子的总宇称是正的,如此看来又似乎不是同一种粒子。

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1956年4月第六届罗彻斯特高能核物理年会在纽约州北部罗彻斯特大学举行,会议上讨论了θ-τ的衰变中,有科学家提出宇称是否有可能不守恒。然而当时大家都坚信宇称守恒,所以这样的质疑在当时被否定了。

而这个时候,杨振宁和李政道关于"τ-θ之谜”的研究已经取得了进展,杨振宁和李政道在这两种介子的时候,就首先巧妙地提出了我刚才讲到的介子是传递强力的,但是介子在发生衰变时是弱力在产生作用。

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而对于弱相互作用的研究,杨振宁并没有直接入手,而是从β衰变展开,杨振宁和李政道发现,:在过去所有的β衰变实验里,实验结果跟β衰变中宇称是否守恒完全没有关系。

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β衰变

什么意思呢,就是宇称守恒不守恒都不会影响β衰变实验,而当时的科学家因为被固有印象影响,都自动带入了宇称守恒。杨振宁和李政道得出结论:和一般人确信的相反,虽然在强相互作用和电磁相互作用中宇称守恒以为实验所证实,但是在弱相互作用过程中宇称守恒定律仅仅是一个被推广的 “假设”而已,并没有被实验证实过。

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所以杨振宁和李政道就重新设计了几个可以检验宇称是否守恒的实验,并把具体的实验方法和之前的分析都写进那篇非常著名的论文《在弱相互作用中,宇称是否守恒?》中去了,然后投给了《物理评论》。但是,等论文发表的时候,论文题目却被杂志的编辑改成了《对于弱相互作用中宇称守恒的质疑》,原因是编辑认为一篇论文的标题不应该是一个问句。

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当时杨振宁和李政道邀请吴健雄帮他们证明弱相互作用下宇称不守恒,吴健雄实验的目的是检验钴60原子衰变时的物理过程是否具有镜像对称性,如图15-3a所示。实验需要在极低温(0.01K)的条件下进行,使用强磁场把钴60原子核的自旋方向转向左旋或右旋。图15-3a中将右旋原子核的b衰变叫做“原来实验”,左旋原子核的b衰变叫做“镜像实验”。如果b衰变中的宇称守恒的话,预料的b射线方向在图中应该向上。在吴健雄的真实实验设计中,“原来”和“镜像”两个实验同时进行,并将宇称守恒预言的两个b射线方向左右对称安置。也就是说,如果宇称守恒成立的话,实验结果应该有左右方向相等的角分布,否则便违背了宇称守恒。最后的实验结果显示角分布的明显不对称,因而证实了弱相互作用中的宇称不守恒。1957年1月15日,《物理评论》杂志收到了吴健雄等人实验证明宇称不守恒的论文

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弱相互作用下宇称不守恒的消息轰动了整个物理学界,这项发现的重要性达到了什么样的程度呢?1957年1月发布论文,1957年杨振宁和李政道就获得了诺贝尔奖,创造了成果发布获诺将最快纪录。

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这个结论意义重大,在物理学中,时间T、宇称P和电荷C,被认为是现代物理学的基础,三者的守恒一直是物理学关注的对象,宇称不守恒让物理学家开始思考,我们理解世界的方式或许出了问题。而后来物理学家詹姆斯·克罗宁和瓦尔·菲奇,再次发现弱相互作用下宇称和电荷的联合对称不守恒(CP破坏),获得1980年的物理学诺贝尔奖。

而杨振宁先生最伟大的成就不是发现了宇称不守恒,而是杨·米尔斯理论。

1916年,爱因斯坦创立广义相对论之后,便一直专心致志想要完成物理学的大一统,他的目标是统一引力和电磁力这宇宙两大力,宇宙其实存在强力、弱力、电磁力、引力等四大力,而爱因斯坦那个时候,强力、弱力的概念还没有完善,所以因为时代的关系,爱因斯坦最终没有完成这个目标。

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爱因斯坦是从电磁力和引力进行下手,到了 50 年代,杨振宁虽然也起源于对电磁相互作用的分析,但是杨振宁却没有执着于引力和电磁力的统一,而是构建了弱相互作用和电磁相互作用的统一理论,被称为杨·米尔斯理论。

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1954年初,杨振宁和罗伯特·米尔斯将量子电动力学(电磁理论进一步发展而来)的概念推广到非阿贝尔规范群,非阿贝尔群在数学和物理中广泛存在,又称为为非交换群。

规范场论原本是是基于对称变换可以局部也可以全局地施行这一思想的一类物理理论。但杨振宁和米尔斯却极大地推广了场和荷的含义。他们设想了一种更为复杂的荷(当然不能再叫电荷了)和它们所产生的场以解释强相互作用。这些荷和场都不是普通的实数能表示的,它们是一些矩阵。矩阵的乘法是不能交换的,这种乘法的不交换性叫“非阿贝尔”的。因此也叫非阿贝尔规范场。

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量子理论里力学变量可以表示成矩阵。但这里说的场和荷表示成矩阵不是由于量子化的结果,而是在经典物理的意义上它们就是矩阵。

后来以杨振宁的杨·米尔斯理论为基础的规范场论发展成为基本粒子的标准模型,在粒子物理学里,标准模型是一套描述强力、弱力及电磁力这三种基本力及组成所有物质的基本粒子的理论。即使是尚未统一到标准模型中的引力,也有可能包括进规范场的理论之中。由此实现了三大力的统一。

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杨·米尔斯理论可以说是20世纪后半叶最伟大的物理成绩之一,量子力学、相对论、规范场论公投构成了现代物理学体系,

由杨·米尔斯理论发展的标准模型准确地预言了在世界各地实验室中观察到的事实,其应用已经深入在物理学的其他分支中,诸如统计物理、凝聚态物理和非线性系统等等。

总结来说,杨振宁拥有13项“诺奖级别”的成果,1957年的获奖只是他早期的一个“次等成就”,并不是他所有成果中最突出的一项。

杨振宁十三项 “诺奖级别” 的成果分别是:

(A)统计力学

A1. 1952 Phase Transition(相变理论)。论文序号: 52a,52b, 52c。

A2. 1957 Bosons(玻色子多体问题)。 论文序号:57h, 57i,57q。

A3. 1967 Yang-Baxter Equation(杨-Baxter方程)。论文序号: 67e。

A4. 1969 Finite Temperature(1维δ函数排斥势中的玻色子在有限温度的严格解)。论文序号: 69a。

(B)凝聚态物理

B1. 1961 Flux Quantization(超导体磁通量子化的理论解释)。论文序号: 61c。

B2. 1962 ODLRO(非对角长程序)。论文序号: 62j。

(C)粒子物理

C1. 1956 Parity Nonconservation (弱相互作用中宇称不受恒)。论文序号: 56h。

C2. 1957 T,C andP (时间反演、电荷共轭和宇称三种分立对称性)。论文序号:57e。

C3. 1960 Neutrino Experiment(高能中微子实验的理论探讨)。论文序号: 60d。

C4. 1964 CP Nonconservation(CP不守恒的唯象框架)。论文序号: 64f。

(D)场论

D1. 1954 Gauge Theory(杨-Mills规范场论)。论文序号: 54b, 54c。

D2. 1974 Integral Formalism(规范场论的积分形式)。论文序号: 74c。

D3. 1975 Fiber Bundle(规范场论与纤维丛理论的对应)。论文序号:75c。

以上引用自:Beauty and Physics: 13 importantcontributions of Chen Ning Yang, Int. J. Mod. Phys. A 29, No. 17, 1475001(2014)[1]

可以看出,杨振宁在统计力学、凝聚态物理、粒子物理、场论等物理学4个领域的世界级贡献,可以媲美“朗道十诫”。

杨振宁的学说影响了20世纪后半叶以及现在的整个理论物理学的发展,由规范场论构建的标准模型更是被认为将实现宇宙的第二次大一统。7个诺奖是因为找到杨振宁的标准理论所预测的粒子而获奖的,例如丁肇中、希格斯。研究标准理论获得诺奖的有几十个,杨振宁带领徒子徒孙几乎垄断了60年来的诺奖物理奖的理论物理和粒子物理部分。可以说没有杨振宁的规范场论,世界物理将倒退60年!

另外有6个菲尔兹奖是研究杨振宁的方程而来(3个和杨米尔斯方程相关,3个和杨巴克斯特方程相关)。没有错,杨·米尔斯理论所遗留下来的问题是世界七大数学难题之一!

杨振宁在物理史上具有多崇高的地位呢?1997年日本《かがくしゃ》将杨振宁列为第11位;1999年millennium poll physicist将杨振宁列为古今最重要的18位科学家之一;英国学者Albert在科普随笔《弦论能否在低能态验证》里,认为杨振宁最高排第10!

2000年Nature评选过去1000年影响世界的物理学家,杨振宁是健在的唯一一个影响世界千年的物理学家。Nature是全球最顶级的科学期刊,具有极高的权威性!

不到22岁拿麻省理工博士学位、35岁建立夸克模型的公认天才盖尔曼多次表示“自己不过是将杨振宁标准模型的su(2)对称性扩展到su(3)而已”。要知道,盖尔曼几乎可以说是当代泡利,怼人毫不留情,几乎很少服人。

量子电动力学大牛弗里曼.戴森在纪念爱因斯坦的著名演讲《鸟和青蛙》里这样评价杨振宁:他高高地飞翔在诸多小问题构成的热带雨林之上,我们中的绝大多数在这些小问题耗尽了一生的时光。

丁肇中先生评价杨振宁: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2.量子力学3.杨振宁。规范场...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。 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。

1994年 富兰克林奖章和鲍威尔奖颁奖典礼上的颁奖词。上“这一理论模型已经与牛顿、麦克斯韦、爱因斯坦的成就比肩,并必然将对未来产生可相提并论的影响。(This theoretical model, already ranked alongside the works of Newton,Maxwell, and Einstein, will surely have a comparable influence on future generations.)"

杨振宁回到中国之后,其实也为中国做出了很多的贡献!

1972年,杨振宁向周恩来提出,拟向诺贝尔奖委员会推荐我国人工合成胰岛素研究成果。

杨振宁为中国协助或者直接建立一流物理实验室60余座,为清华大学和南开大学一共筹集约20亿美金的科研经费。他以清华大学的名义发表SCI论文30多篇,将冷原子、凝聚态物理科研水平一下子提高了几十年,为我国在世界科学界争得了巨大荣誉。

杨振宁利用自己的影响,推荐1200多名青年学者出国访问、深造,绝大多数都归国成为科学界的栋梁之才。

据朱邦芬院士在南开大学讲:杨振宁在清华大学的年薪为人民币100万元,但他分文不取,捐给了他1997年亲自创办的清华大学高等研究中心。

他变卖掉了自己在美国纽约的一处豪华住宅,向清华捐了100万美元。在清华大学,他设立了“杨振宁讲座”,“杨振宁奖学金”,“杨振宁基金会”,并亲自担任高等研究中心名誉主任,基金会主席。

另外,杨振宁先生的国籍也改回来了中国国籍,并且劝说了姚期智等一大批顶尖科学家回国!

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