科學家故事——楊振寧
作者：劉同舟 時間：2022-12-07 瀏覽量：51,331楊振寧，男，1922年10月1日，生于安徽合肥，物理學家，中國科學院院士，1957年獲諾貝爾物理學獎。1942年畢業(yè)于國立西南聯(lián)合大學；1944年獲清華大學碩士學位；1945年赴美留學；1948年獲芝加哥大學哲學博士學位，后任芝加哥大學講師、普林斯頓高等研究院研究員；1955年任普林斯頓高等研究院教授。
楊振寧在粒子物理學、統(tǒng)計力學和凝聚態(tài)物理等領(lǐng)域作出里程碑性貢獻。20世紀50年代和米爾斯合作提出非阿貝爾規(guī)范場理論；1956年和李政道合作提出弱相互作用中宇稱不守恒定律。
談到楊振寧，這是一個既熟悉又陌生的角色，我們熟悉的可能是他的經(jīng)歷和個人情感生活，但我要問你楊振寧是研究什么的？他的研究對世界科學有何意義？為什么說楊振寧是偉大的科學家？也許能說的上來的并不多，這就是我們對科學家的了解不深入造成的。作為科普工作者我們重點是科普，而頌揚科學家精神，我們不僅要了解他們的事跡，更要了解他們的科學成就。作為科學家最光輝的頭銜就是科學成就，這是他被稱為科學家的真正原因。所以我今天要從科學成就的角度重新帶大家了解楊振寧。
弱相互作用下的宇稱不守恒
弱相互作用下宇稱不守恒，這是一個讓許多中國人既熟悉又陌生的詞語！在我們的日常生活中存在各種各樣的力，比如說引力，浮力和磁力等等，但是現(xiàn)代物理學已經(jīng)證明，宇宙中只存在四種最基本的力，其他的所有力都是這四種力的不同表現(xiàn)方式。這四種基本力分別是“引力、電磁相互作用力、弱相互作用力、強相互作用力”，在這四種基本力中，我們最熟悉的是引力和電磁相互作用力，強力和弱力要相對陌生一些。
電磁力指帶電的粒子或帶電的宏觀物體間的作用力，摩擦力、流體阻力、表面張力，還有氣體壓力、浮力、黏結(jié)力，都是微觀粒子在相互靠近的時候，彼此之間相互作用力的宏觀表現(xiàn)狀態(tài)，也可以被視為是電磁力的一種。
引力最早由牛頓的萬有引力公式來表達。即兩個有個有質(zhì)量的物體都有相互吸引的力，這種力的大小與兩個物體的乘積成正比，與它們之間的距離的平方成反比。引力是最特殊的存在，因為引力并不需要基本粒子來傳遞，愛因斯坦廣義相對論認為引力是是有質(zhì)量物質(zhì)將時空壓彎而產(chǎn)生的集合效應(yīng)，同時這給量子力學想要統(tǒng)一四種基本力造成了很大的困難。
強相互作用力是四種作用力最最強的一種力，簡單來說強力就是把夸克結(jié)合在一起，形成質(zhì)子和中子這些強子的力量，我們甚至可以把強相互作用力視為維系著整個宇宙的力量。
弱相互作用力作用距離最短的一種力，弱力主要作用于各種費米子，制約著各種放射性作用，強力和弱力都是原子層面的力，兩者之間在無形之中束縛和促進著微觀宇宙的穩(wěn)定，而這些微觀粒子又相互組合在一起，組成了我們的宏觀宇宙。
這四種基本力在無形之中影響著我們這個宇宙，如果四大基本力的數(shù)值發(fā)生任何一點微小的變化，我們的宇宙就不會是今天這個樣子，可以說這四種相互作用力，在維系著我們宇宙的發(fā)展和穩(wěn)定。
物理學中的對稱守恒
我們中學時代就學過能量守恒、動量守恒，對守恒的概念還是很熟悉的，而“宇稱”聽起來應(yīng)該和宇宙的某種對稱性有關(guān)。宇稱確實是指一種對稱性，要想理解宇稱不守恒為什么這么重要，就要先理解為什么對稱性這么重要。
對稱性的精確數(shù)學定義涉及到不變性的概念：如果一個幾何圖形在某些操作下保持不變，我們就說這個圖形在這些操作之下具有某種不變性。但是物理學家們并不關(guān)心幾何圖形，他們關(guān)心的是物理定律，也就是是物理定律的對稱性。
科學家埃米·諾特發(fā)現(xiàn)了諾特定理，即物理學里的連續(xù)對稱性和守恒定律一一對應(yīng)。比如能量守恒對應(yīng)的這種對稱性叫時間平移不變性，就是時間流逝移動的意思，我今天做實驗跟明天做實驗遵循同樣的物理定律。而動量守恒對應(yīng)空間平移不變性，物理定律在北京和在上海都一樣，在不同的空間物理定律相同，角動量守恒對應(yīng)于我們上面說的旋轉(zhuǎn)不變性。
宇稱不變性
宇稱就是左右對稱相對應(yīng)的這個守恒量。物理定律的宇稱不變性，其實就是說物理定律在經(jīng)過鏡面反射對稱處理之后依然保持不變，簡單的說就是鏡子里的世界跟外面的世界遵循同樣的物理定律。
弱相互作用下的宇稱不守恒的起源
早在楊李的發(fā)現(xiàn)之前，θ和τ之謎一直是物理界的一大難題。θ和τ是科學家發(fā)現(xiàn)的兩種微觀粒子，這兩種粒子的生命非常短，很快會衰變成其他的粒子，奇怪的地方就在于：θ粒子在衰變的時候會產(chǎn)生兩個π介子，而τ粒子在衰變的時候會產(chǎn)生三個π介子。但是，隨后人們就發(fā)現(xiàn)，θ和τ這兩種粒子無論是電荷、自旋還是質(zhì)量都一模一樣，像是同樣一個粒子，但是它們的衰變結(jié)果卻不一樣。
有人認為θ和τ是同一的粒子，但無法解釋為什么它們的衰變結(jié)果和宇稱數(shù)不一樣。由于對稱性在理論物理里實在太重要了，要去質(zhì)疑它們要不是極聰明就是極蠢。楊振寧和李政道敏銳的發(fā)現(xiàn)了這一點：假如我只認定宇稱在強相互用力中守恒，而在弱相互作用力中不守恒，那θ-τ之謎看起來就容易多了。而且，弱相互作用力中的宇稱不守恒以前并沒實驗驗證。
兩個人設(shè)計一些實驗去驗證，但實驗難度很大，很多實驗物理學家不愿意去冒險，更多的則是不相信宇稱不守恒。于是他們想到一個人，吳健雄。吳健雄被稱為“東方的居里夫人”，她參與了曼哈頓計劃，是世界上最杰出的實驗物理學家之一。
驗證弱相互作用下的宇稱不守恒
這個實驗中，需要一個原子核跟鏡子里的原子核一模一樣，大小質(zhì)量啥的都相等，但是旋轉(zhuǎn)方向不一樣，我們就說這兩個原子核互為鏡像。但實驗有兩個難點：必須要降溫，把溫度降到了只比絕對零度高0.01K；第二，讓原子核都按照一定的方向旋轉(zhuǎn)，這個技術(shù)叫原子核的極化。吳健雄突破了道道難關(guān)，測量了一束鈷60衰變放出電子的方向，證明宇稱在弱相互作用下是不守恒的。消息一出，整個物理學界都震驚了！
宇稱不守恒的發(fā)現(xiàn)震碎了人們對造物主絕對對稱的信念，迫使人們重新思考對稱的問題，這一轉(zhuǎn)向?qū)е铝撕髞碓S多深刻的發(fā)現(xiàn)。人們慢慢發(fā)現(xiàn)，宇宙雖然喜歡對稱，但是并不喜歡絕對對稱，因為絕對對稱必然導致大家都一樣，從而缺乏生機。假設(shè)宇宙在初期都是絕對對稱的，那么所有的粒子和相互作用都一樣，那么怎么會有后來引力、電磁力、強力、弱力的區(qū)分呢？所以，最開始的對稱在一定條件下是會慢慢變成不對稱的，這樣對稱就破缺了，對稱破缺之后就出現(xiàn)了不同的東西。
宇稱不守恒雖然為楊振寧贏得了物理學界至高無上的諾貝爾獎，但這并不是他的最高成就，楊先生最大的貢獻是楊-米爾斯理論。楊-米爾斯理論是現(xiàn)代規(guī)范場論和粒子物理標準模型的基礎(chǔ)。
楊-米爾斯理論
楊-米爾斯理論是一套非常基礎(chǔ)的理論，它提供了一個非常精妙的模型，它的作用在于統(tǒng)一四種基本作用力，實現(xiàn)物理學的大一統(tǒng)理論。在我們已知的世界中，費米子是組成物質(zhì)的粒子，電子以及組成中子和質(zhì)子的夸克都屬于費米子，它的的自旋為半整數(shù)，有靜止質(zhì)量；而玻色子是傳遞相互作用力的粒子。在量子場論里，每一種作用力都有專門傳遞作用力的粒子。比如傳遞電磁力的是光子，傳遞強力的是膠子，傳遞弱力的是W和Z玻色子，傳遞引力的是引力子。兩個同性電子之間為什么會相互排斥呢？因為這兩個電子之間在不停的發(fā)射交換光子，然后看起來就像在相互排斥，這就跟兩個人在溜冰場上互相拋籃球然后都向后退一樣的道理。那么相互吸引就是朝相反的方向發(fā)射光子了，其他的力也都是一樣，這些傳遞相互作用的玻色子在規(guī)范場里都統(tǒng)統(tǒng)被稱為規(guī)范玻色子。玻色子的質(zhì)量越大，力程越短，質(zhì)量越小，力程越長，如果玻色子的質(zhì)量為零，那么這個力程就是無限遠的。
局域規(guī)范對稱性
傳遞電磁力的光子沒有質(zhì)量，它是長程力。強力和弱力都僅僅局限在原子核里，是短程力，所以傳遞強力和弱力的玻色子似乎應(yīng)該是有質(zhì)量的。但是，楊振寧在研究規(guī)范場的時候，他發(fā)現(xiàn)要使得系統(tǒng)具有局域規(guī)范不變性，那么傳遞作用力的規(guī)范玻色子的質(zhì)量就必須為零。也就是說，規(guī)范玻色子如果有質(zhì)量，它就會破壞局域規(guī)范對稱性。
這樣分析之后，我們就會發(fā)現(xiàn)局域規(guī)范對稱性和規(guī)范玻色子零質(zhì)量之間的對應(yīng)關(guān)系是非常自然的。但是，這樣就造成了現(xiàn)在的困境：局域規(guī)范對稱性要求規(guī)范玻色子是零質(zhì)量的，但是強力、弱力的短程力事實似乎要求對應(yīng)的規(guī)范玻色子必須是有質(zhì)量的，怎么辦？
科學家的困擾
這個問題不僅困擾著楊振寧，它也同樣困擾著奧地利科學家沃爾夫?qū)づ堇Ｅ堇l(fā)現(xiàn)了這個似乎無解的質(zhì)量問題之后，他就慢慢對規(guī)范場失去了興趣，也就沒能得出最后的方程。楊振寧在普林斯頓高級研究院做關(guān)于楊米爾斯規(guī)范場的報告時，被臺下的泡利當場指出質(zhì)量問題，但是楊振寧無法回答，只好停止演講走下臺去，是奧本海默鼓勵他繼續(xù)回去講，場面十分尷尬。
雖然理論有瑕疵，但楊振寧最大的優(yōu)點在于他數(shù)學功底深厚而且充滿自信，他堅信這個問題可以通過別的路徑解決，規(guī)范場理論本身沒有錯誤?，F(xiàn)在量子場論認為傳遞強力的膠子沒有質(zhì)量，是因為強力里特有的一種性質(zhì)：漸近自由。漸近自由說夸克之間的距離很遠時，它們之間的作用力非常大，但是距離很近了，就變得非常弱了，這樣在量子色動力學里，零質(zhì)量的規(guī)范玻色子就和強力的短程力沒有沖突了。
唯一難以解決的是弱力，傳遞弱力的W和Z玻色子有質(zhì)量的，有質(zhì)量的話短程力是好解釋了，但是有質(zhì)量的規(guī)范玻色子會破壞規(guī)范對稱性，這規(guī)范對稱性可是楊-米爾斯理論的根基，所以這是個棘手的問題。
希格斯機制的提出
最后解決這個問題的是希格斯機制，希格斯機制其實就是賦予粒子質(zhì)量的機制。它認為我們的宇宙中到處都充滿了希格斯場，粒子如果不跟希格斯場發(fā)生作用，它的質(zhì)量就是零（比如光子、膠子），如果粒子跟希格斯場發(fā)生作用，那么它就有質(zhì)量，發(fā)生的作用越強，得到的質(zhì)量就越大。2012年7月，科學家終于在大型強子對撞機（LHC）中找到了希格斯粒子，彼得·希格斯等人榮獲 2013年的諾貝爾物理學獎。
相信大家對楊-米爾斯理論應(yīng)該都有了個大致的了解，對它的作用和意義也會有自己的判斷。自愛因斯坦以來，統(tǒng)一四種相互作用力是所有物理學家的終極夢想，楊米爾斯理論可以說是為實現(xiàn)大統(tǒng)一理論提供了有效的數(shù)學模型和理論基礎(chǔ)，先后有多位科學家通過研究楊米爾斯理論獲得諾貝獎。據(jù)此可見，楊振寧對物理學的貢獻不言而喻，甚至可以說他是可以和牛頓和愛因斯坦比肩的巨人。
什么是科學和科學家精神
物理學家并不是擂臺上的拳擊手，他們一起通力合作構(gòu)建我們現(xiàn)在恢弘的物理大廈。沒有開普特和伽利略的奠基，不可能有牛頓的力學體系；沒有牛頓，我估計胡克和哈雷也快找到萬有引力定律了；沒有法拉第工作，不可能有麥克斯韋的電磁大廈；洛倫茲和彭加萊已經(jīng)一只腳跨入狹義相對論的大門了，狹義相對論在20世紀初已經(jīng)是水到渠成呼之欲出了，愛因斯坦也只不過是捷足先登了而已，除了廣義相對論確實是愛因斯坦的獨門獨創(chuàng)，好像還真沒有哪個東西說是非誰不可的。
我只是想建議大家不要總把注意力放在“誰或者誰更偉大，誰比誰更厲害”這種很虛的東西上面，而更多的把注意力放在這些科學家工作本身上去，這些才是全人類共同的寶貴財富。大家的時間都很寶貴，我們就盡量把時間都花在刀刃上去，科學家最寶貴是他們的科學思想，而中國比任何一個國家都不缺少娛樂八卦。
最后，將楊振寧先生在1957年諾貝爾獎頒獎典禮上的致辭送給大家共勉，“今天，當我站在這里和大家談這些事情的時候，我深深地意識到，廣義來說，我是既調(diào)和又抵觸的中西方文化的產(chǎn)物。我愿意說，我為自己的中國血統(tǒng)和背景而感到驕傲，同樣，我為能致力于作為人類文明一部分的、源出于西方的現(xiàn)代科學而感到自豪。我已獻身于現(xiàn)代科學，并將竭誠工作，為之繼續(xù)奮斗。”
