我们一般人要如何理解杨振宁的科学成就

杨振宁走了，我们要记住他。

作为一个在物理学史上画下浓墨重彩一笔的大家，很多人只知道他曾得到过诺贝尔奖，或听说他和李政道是因为宇称不守恒获得的诺贝尔奖。但实际上除了宇称不守恒外，杨振宁还有两个足以改变物理学的重要工作：杨-米尔斯场论和杨-巴克斯特方程。

对于我们一般人而言，我们当然希望理解这些高深的物理学究竟在讲什么，这也能让我们更清晰地认识到杨振宁为什么是我们中国物理学的骄傲，并值得我们去缅怀。

01 宇称不守恒

物理学中有一个重要概念——“守恒”，意思是自然界虽然表面纷繁复杂，但背后有些基本的量是恒定不变的。比如16-17世纪之间，莱布尼兹认为自然界中“活力”，也就是类似我们现在说的动能，是守恒的。笛卡尔则认为自然界中动量是守恒的。

19世纪，德国医生冯·迈耶在临床观察中总结出了发热和机械（力）做功之间的关系，并提出二者本质上是同一种东西的不同形式，那就是能量。

不久之后，物理学家焦耳证明了重力势能可以和摩擦生出的热能相互转化，再次支持了迈耶关于“能量有不同形式”的论断，为能量守恒进一步提供证据。

1847 年，赫尔姆霍兹发表论文《论力的守恒》，系统阐述了能量既不能被创造，也不能被消灭，只能从一种形式转化为另一种形式，明确指出在自然界中能量守恒的普适性。

19世纪20世纪之交，各类守恒如动量、能量、电荷等守恒定律被提出后，科学家们发现它们背后有一个更基本的概念，那就是对称。这一概念由艾米·诺特提出，可以表达为连续对称性和守恒定律间存在一一对应关系。就比如能量守恒就代表着时间平移不变性，也就是不管过去、现在还是未来，这一物理定律是不变的。

简单来讲，物理定律其实就是自然界的数学规律，有了这些数学规律，科学家不仅能预言未来，还可以回推过去。

直到有一天，一个另类出现了，它就是“k介子”。物理学家刚发现它时，认为存在两种“k介子”，一种会衰变成两个粒子，另一种会衰变成三个粒子，于是就给这两种“k介子”分别起名为θ粒子和τ粒子。

但与此同时，科学家感到大事不妙，对θ和τ粒子进行测量后发现，它们俩无论是质量、寿命还是电荷都完全一样。

也就是说我虽然可以从它们的衰变物回推出衰变前是θ还是τ粒子，但是我无法直接判断一个“k介子”在未来究竟是会衰变成两个粒子还是三个粒子。这也意味着“k介子”在空间上并非是对称的，这显然违反了当时科学家所坚信的宇称守恒。

当几乎所有科学家都将物理学中各类守恒看作是铁律之时，杨振宁和李政道在1956年10月初发表他们弱相互作用下宇称不守恒的观点。并得到了实验物理学家吴健雄女士的实验验证，最终在1957年站在了诺贝尔物理学奖的领奖台上。这也是人类历史上第一次发现，宇宙似乎并非完美无缺。

02 杨-米尔斯场论

为了理解杨-米尔斯场论，我们首先需要知道什么是“场”。

牛顿作为科学巨人当然解释了非常多的物理现象，但有一件事一直没能得到解释，那就是物体之间的吸引力究竟是靠什么媒介传播的呢？难不成它是超距作用？

这一问题为日后“场”的发展埋下了伏笔。

18世纪末19世纪初，物理学家开始通过电力和磁力来研究超距作用，直到法拉第的出现，提出了我们现在所熟知的电磁场概念。也就是说，这些看似隔空产生的力并非是超距作用，而是这些看不到的“场”在起作用。

与电磁场相对应的，那究竟什么是“量子场”呢？你可以想象现在有一个平静的水面，它就如同是一个场。当你扔一个石头下去，就会产生波，根据粒子具有波粒二象性，也就相当于产生了粒子。因此，我们可以说场是比粒子更基本的存在。

众所周知，更基本的原理总是可以用来解释更复杂的现象，就比如我们可以用万有引力解释行星运动和潮汐现象，而场这个比粒子更基本的东西就可以用来描述微观粒子的物理规律。

因此，传递电磁力的光子、弱相互作用中的介子、强相互作用中的胶子等等，都可以用它们所对应的量子场来描述物理规律。

而描述这种物理规律的具体数学形式是群论（没关系，你不必理解群论是什么，只用知道它是一种研究对称的数学规则，并且与物理世界相对照就可以）。

那有没有一种理论像牛顿统一天上和地下的运动规律，麦克斯韦统一电磁理论一样，来统一微观世界的量子场呢？

没错，就是杨-米尔斯场论。它不仅是统一电磁力、弱力、强力的理论核心，更是粒子物理标准模型的理论基础。是能和牛顿、麦克斯韦的工作相比肩的存在。

厉害归厉害，不得不吐槽标准模型的公式不愧是世界第二丑公式：

03 杨-巴克斯特方程

我们都听说过一本叫做《三体》的小说，这本小说的名字来自于物理学中非常经典的三体问题，也就是研究指三个质量、初始位置和初始速度都是任意的可视为质点的天体，在相互之间万有引力的作用下的运动规律问题。

那量子世界同样也面临着类似的三体问题，但因为量子力学本身就足够复杂了，那它的求解就比经典物理要复杂得多。杨振宁正是在思考1维量子多体问题时，得到了一个可求解的矩阵方程，它后来被称为杨-巴克斯特方程。

那要如何简单的理解杨-巴克斯特方程的威力呢？我们知道在数学上很容易表达一条直线的方程，但假如我在纸上随便画条线呢？它的数学形式可能就会变得极为复杂，甚至不能精确求解，只能取近似。

而量子世界或统计物理中也一样，会出现大量的复杂系统。而对于物理学家和数学家而言，这些复杂系统并非完全没有规律，就比如有些复杂模型的动态行为可以被完全解析。那我们要如何找到这些模型呢？答案就是那些满足杨-巴克斯特方程的模型，它们无论多复杂都是存在规律，并可以被我们理解。

杨-巴克斯特方程解决复杂问题的能力为之后的科学家提供了一把处理复杂问题的钥匙，就比如量子信息、量子计算、拓扑物理、凝聚态物理等领域，都离不开杨-巴克斯特方程的发展。

04 改变物理学家的思考方式

虽然物理学关于对称现代意义上的表达并非由杨振宁所提出，但杨振宁始终是这一思想的坚定拥护者。从某种意义上来讲，宇称不守恒和杨-米尔斯场的天才想法都是杨振宁在深入思考对称性后的结果。而大家都认为这个宇宙非常对称之时，杨振宁和李政道给了大家当头一棒，揭示出了我们的宇宙在某些地方，可能是略有不对称的。正如杨振宁曾分享的一件趣事：

她（指吴健雄）曾经说她绝对不相信宇称不守恒，所以说她可以跟人打随便多少钱的赌，说吴健雄的实验一定证明宇称是守恒的。那么等到发现不守恒了以后呢，她就讲了“幸亏没有人跟我打赌，否则今天我没有够多的钱可输，现在这样我丢了些脸，可是我还有够多的声誉可丢”。也因为这样的缘故，所以在1957年、1958年到1959年这两年之间，对称在物理学里头的重要性达到了极高峰，而且知道对称不是那么简单，是既有对称常常又有小的不对称。

没错，杨振宁的这种思考方式让当时的物理学家真正意识到对称在物理学中是何等重要，并让物理学家们在日后又找到了对称破缺，揭示了我们宇宙中更深层次的奥秘。

杨振宁走了，我很怀念他。

相比于获得诺贝尔奖，大多数物理学家或许更追求另一项成就：以自己的名字命名一个公式或理论。

这两者，杨振宁都实现了。

当然，作为一个从事了一辈子物理的大家，杨振宁先生的成果还有很多，我们只是对三个最具代表性、最能突出他水平的领域做了点简单的科普工作。

在牛顿的名著《自然哲学的数学原理》第三卷前言中，有一句话：“现在我要演示世界体系的框架”，“It still remains for us to exhibit the system of the world from these same principles.”

物理学是最震撼人心的语言，它的存在意味着人类并不满足于糊里糊涂地活在黑暗中，而是要不停探寻万物背后的真理。

泱泱华夏五千年，杨振宁是我们中国人，是物理学上，贡献最大的那一个！

愿杨振宁先生安息，他的智慧与风骨，将如群星般，长照人间。