酷玩實(shí)驗室原創(chuàng )作品

楊振寧走了，我們要記住他。理解

作為一個(gè)在物理學(xué)史上畫(huà)下濃墨重彩一筆的楊振大家，很多人只知道他曾得到過(guò)諾貝爾獎，科學(xué)或聽(tīng)說(shuō)他和李政道是人何因為宇稱(chēng)不守恒獲得的諾貝爾獎。但實(shí)際上除了宇稱(chēng)不守恒外，理解楊振寧還有兩個(gè)足以改變物理學(xué)的楊振重要工作：楊-米爾斯場(chǎng)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人何物理學(xué)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理解我們中國物理學(xué)的驕傲，并值得我們去緬懷。楊振

01 宇稱(chēng)不守恒

物理學(xué)中有一個(gè)重要概念——“守恒”，科學(xué)意思是人何自然界雖然表面紛繁復雜，但背后有些基本的理解量是恒定不變的。比如16-17世紀之間，楊振萊布尼茲認為自然界中“活力”，也就是類(lèi)似我們現在說(shuō)的動(dòng)能，是守恒的。笛卡爾則認為自然界中動(dòng)量是守恒的。

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

不久之后，物理學(xué)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(guān)于“能量有不同形式”的論斷，為能量守恒進(jìn)一步提供證據。

1847 年，赫爾姆霍茲發(fā)表論文《論力的守恒》，系統闡述了能量既不能被創(chuàng )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(lèi)守恒如動(dòng)量、能量、電荷等守恒定律被提出后，科學(xué)家們發(fā)現它們背后有一個(gè)更基本的概念，那就是對稱(chēng)。這一概念由艾米·諾特提出，可以表達為連續對稱(chēng)性和守恒定律間存在一一對應關(guān)系。就比如能量守恒就代表著(zhù)時(shí)間平移不變性，也就是不管過(guò)去、現在還是未來(lái)，這一物理定律是不變的。

簡(jiǎn)單來(lái)講，物理定律其實(shí)就是自然界的數學(xué)規律，有了這些數學(xué)規律，科學(xué)家不僅能預言未來(lái)，還可以回推過(guò)去。

直到有一天，一個(gè)另類(lèi)出現了，它就是“k介子”。物理學(xué)家剛發(fā)現它時(shí)，認為存在兩種“k介子”，一種會(huì )衰變成兩個(gè)粒子，另一種會(huì )衰變成三個(gè)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(shí)，科學(xué)家感到大事不妙，對θ和τ粒子進(jìn)行測量后發(fā)現，它們倆無(wú)論是質(zhì)量、壽命還是電荷都完全一樣。

也就是說(shuō)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(wú)法直接判斷一個(gè)“k介子”在未來(lái)究竟是會(huì )衰變成兩個(gè)粒子還是三個(gè)粒子。這也意味著(zhù)“k介子”在空間上并非是對稱(chēng)的，這顯然違反了當時(shí)科學(xué)家所堅信的宇稱(chēng)守恒。

當幾乎所有科學(xué)家都將物理學(xué)中各類(lèi)守恒看作是鐵律之時(shí)，楊振寧和李政道在1956年10月初發(fā)表他們弱相互作用下宇稱(chēng)不守恒的觀(guān)點(diǎn)。并得到了實(shí)驗物理學(xué)家吳健雄女士的實(shí)驗驗證，最終在1957年站在了諾貝爾物理學(xué)獎的領(lǐng)獎臺上。這也是人類(lèi)歷史上第一次發(fā)現，宇宙似乎并非完美無(wú)缺。

02 楊-米爾斯場(chǎng)論

為了理解楊-米爾斯場(chǎng)論，我們首先需要知道什么是“場(chǎng)”。

牛頓作為科學(xué)巨人當然解釋了非常多的物理現象，但有一件事一直沒(méi)能得到解釋?zhuān)蔷褪俏矬w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(wèn)題為日后“場(chǎng)”的發(fā)展埋下了伏筆。

18世紀末19世紀初，物理學(xué)家開(kāi)始通過(guò)電力和磁力來(lái)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(chǎng)概念。也就是說(shuō)，這些看似隔空產(chǎn)生的力并非是超距作用，而是這些看不到的“場(chǎng)”在起作用。

與電磁場(chǎng)相對應的，那究竟什么是“量子場(chǎng)”呢？你可以想象現在有一個(gè)平靜的水面，它就如同是一個(gè)場(chǎng)。當你扔一個(gè)石頭下去，就會(huì )產(chǎn)生波，根據粒子具有波粒二象性，也就相當于產(chǎn)生了粒子。因此，我們可以說(shuō)場(chǎng)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(lái)解釋更復雜的現象，就比如我們可以用萬(wàn)有引力解釋行星運動(dòng)和潮汐現象，而場(chǎng)這個(gè)比粒子更基本的東西就可以用來(lái)描述微觀(guān)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(chǎng)來(lái)描述物理規律。

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

那有沒(méi)有一種理論像牛頓統一天上和地下的運動(dòng)規律，麥克斯韋統一電磁理論一樣，來(lái)統一微觀(guān)世界的量子場(chǎng)呢？

沒(méi)錯，就是楊-米爾斯場(chǎng)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(tīng)說(shuō)過(guò)一本叫做《三體》的小說(shuō)，這本小說(shuō)的名字來(lái)自于物理學(xué)中非常經(jīng)典的三體問(wèn)題，也就是研究指三個(gè)質(zhì)量、初始位置和初始速度都是任意的可視為質(zhì)點(diǎn)的天體，在相互之間萬(wàn)有引力的作用下的運動(dòng)規律問(wèn)題。

那量子世界同樣也面臨著(zhù)類(lèi)似的三體問(wèn)題，但因為量子力學(xué)本身就足夠復雜了，那它的求解就比經(jīng)典物理要復雜得多。楊振寧正是在思考1維量子多體問(wèn)題時(shí)，得到了一個(gè)可求解的矩陣方程，它后來(lái)被稱(chēng)為楊-巴克斯特方程。

那要如何簡(jiǎn)單的理解楊-巴克斯特方程的威力呢？我們知道在數學(xué)上很容易表達一條直線(xiàn)的方程，但假如我在紙上隨便畫(huà)條線(xiàn)呢？它的數學(xué)形式可能就會(huì )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(huì )出現大量的復雜系統。而對于物理學(xué)家和數學(xué)家而言，這些復雜系統并非完全沒(méi)有規律，就比如有些復雜模型的動(dòng)態(tài)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(mǎn)足楊-巴克斯特方程的模型，它們無(wú)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(wèn)題的能力為之后的科學(xué)家提供了一把處理復雜問(wèn)題的鑰匙，就比如量子信息、量子計算、拓撲物理、凝聚態(tài)物理等領(lǐng)域，都離不開(kāi)楊-巴克斯特方程的發(fā)展。

04 改變物理學(xué)家的思考方式

雖然物理學(xué)關(guān)于對稱(chēng)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(lái)講，宇稱(chēng)不守恒和楊-米爾斯場(chǎng)的天才想法都是楊振寧在深入思考對稱(chēng)性后的結果。而大家都認為這個(gè)宇宙非常對稱(chēng)之時(shí)，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(chēng)的。正如楊振寧曾分享的一件趣事：

她（指吳健雄）曾經(jīng)說(shuō)她絕對不相信宇稱(chēng)不守恒，所以說(shuō)她可以跟人打隨便多少錢(qián)的賭，說(shuō)吳健雄的實(shí)驗一定證明宇稱(chēng)是守恒的。那么等到發(fā)現不守恒了以后呢，她就講了“幸虧沒(méi)有人跟我打賭，否則今天我沒(méi)有夠多的錢(qián)可輸，現在這樣我丟了些臉，可是我還有夠多的聲譽(yù)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(chēng)在物理學(xué)里頭的重要性達到了極高峰，而且知道對稱(chēng)不是那么簡(jiǎn)單，是既有對稱(chēng)常常又有小的不對稱(chēng)。

沒(méi)錯，楊振寧的這種思考方式讓當時(shí)的物理學(xué)家真正意識到對稱(chēng)在物理學(xué)中是何等重要，并讓物理學(xué)家們在日后又找到了對稱(chēng)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(xué)家或許更追求另一項成就：以自己的名字命名一個(gè)公式或理論。

這兩者，楊振寧都實(shí)現了。

當然，作為一個(gè)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(gè)最具代表性、最能突出他水平的領(lǐng)域做了點(diǎn)簡(jiǎn)單的科普工作。

在牛頓的名著(zhù)《自然哲學(xué)的數學(xué)原理》第三卷前言中，有一句話(huà)：“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(xué)是最震撼人心的語(yǔ)言，它的存在意味著(zhù)人類(lèi)并不滿(mǎn)足于糊里糊涂地活在黑暗中，而是要不停探尋萬(wàn)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(xué)上，貢獻最大的那一個(gè)！

愿楊振寧先生安息，他的智慧與風(fēng)骨，將如群星般，長(cháng)照人間。

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