诺奖得主Wilczek怀念杨振宁：他为了揭示真理而启程

“每当我们驻足思考数学推理的优雅与完美，并将其与复杂而深远的物理涵义相对照时，总不禁对对称定律的力量，心生一份深深的敬畏。”

——杨振宁

撰文 | Frank Wilczek

翻译：胡风、梁丁当

2025年10月18日，现代物理学泰斗杨振宁在北京逝世。此前，他刚度过了103岁寿辰。让我们共同缅怀他对人类认知的卓越贡献、追思他非凡的一生，以及铭记他留给我们永久的遗产。

杨振宁的学术成就宛如群峰矗立，其中有两项尤为杰出：一是1954年他与罗伯特·米尔斯共同提出的杨-米尔斯规范场论，另一项是1956年他与李政道共同预言的弱相互作用中宇称不守恒——这项工作荣获了诺贝尔物理学奖。这些是载入科学史册的成就，值得被我们永远铭记。受此感召，让我们来领略其中的精彩。

著名物理学家杨振宁获得诺贝尔物理学奖的时刻

1889年，海因里希·赫兹曾写道：“……这些数学公式是一种独立的存在，它们拥有自己的智慧，比我们更聪明，甚至比其发现者还要聪明，我们从它们那里得到的，远多于最初投入其中的。”对赫兹来说，这并不是哲学上的夸大言辞，而是亲身践行的真理。1864年建立的麦克斯韦方程组，首次将电、磁和光统一在一个优美的理论框架之中。二十年之后，赫兹根据麦克斯韦方程组，仅用火花隙振荡器和导线环作为发射与接收装置，首次在实验室中产生了电磁波。那一刻开启了无线电通信的现代纪元，让我们今日得以宛如比邻而居。

除了实际应用方面的影响，麦克斯韦方程组也缓慢改变了理论物理的研究范式。

人们耗费了数十年才真正地理解麦克斯韦方程组，但这个过程的回报极为深远。它不仅揭示出了狭义相对论，还有一种如今被称为“规范对称性”的新原理，也即杨振宁最终加以推广的原理。

规范对称性的精确数学表达极为优美。可这种美，只有在量子场论的框架下才能被完全领略。让我们借用一个粗略的类比来帮助理解。当我们测量长度时，可以选择用厘米、英寸、光年、或者任意一个单位来表达结果，而 “规范对称性”，简单来说就是：不论选用什么单位，测量的结果都保持不变。

物理学中对称性概念及其推论，特别是规范对称性如何支配自然界的基本相互作用

电动力学的规范对称性，则是对类似原理的一个更为深刻的表述。它允许我们在不同时间与空间独立选择电荷单位。这被称为局域规范对称性。

当我们用数学将局域规范对称性表述出来时，电磁场及其所遵循的麦克斯韦方程组，就如魔术一般，自动涌现出来。仿佛它们是被“召唤”而来，以协调不同时空的电荷单位。用粒子物理的语言，简单来说就是：光子，是电磁规范不变性的化身。

杨振宁将这一思想进行了大胆拓展，以解释其他基本粒子的存在与性质。电磁规范对称性只涉及一种‘荷’（即电荷），因此可能的单位选择对应于一条直线上的点。而杨振宁设想了一个存在多种可互换‘荷’的世界。于是，允许的单位选择对应于高维结构中的点，而局域规范对称性则需要多个“化身”。例如，若有两种‘荷’，你会得到三个类光子粒子；若有三种‘荷’，则会得到八个。

正如最初的麦克斯韦方程组一样，物理学家们也花费了多年才真正地理解了杨振宁的推广。在将其与量子理论结合的过程中，不仅极具技术性挑战，还面临了一个根本的困境：该理论预言这些新粒子具有零质量。可如果这样的零质量粒子真的存在，它们应当像光子一样容易产生。我们为什么没看到它们？

为了解决这一根本困难，出现了两种答案。其一是自发对称性破缺机制。基于该机制，方程的稳定解所呈现的对称性可以低于方程自身的对称性，从而既保留了方程的局域规范不变性，又避免了零质量粒子的问题。这一机制适用于描述弱相互作用（涉及两种‘荷’）。此时，杨-米尔斯场的“化身”体现为重粒子，即所谓的W和Z玻色子。

另一种解决路径是禁闭机制。该机制认为，这些零质量粒子之间具有极强的吸引力，以至于它们无法单独地稳定存在，而是迅速结合成具有质量的团块。这一机制适用于描述强相互作用（涉及三种被戏称为“色”的荷）。此时，杨-米尔斯场的“化身”是量子色动力学中的八种胶子。尽管转瞬即逝，但它们在质子的高能碰撞中留下明确的痕迹。

因此，杨振宁拓展麦克斯韦方程组的大胆构想，最终得以与这一经典理论并驾齐驱。二者共同奠定了现代物理对自然界基本作用力（即电磁力、弱力和强力）的理解基础。回想赫兹当初的感慨，竟一语中的！

李政道与杨振宁的那篇著名的论文，标题是《弱相互作用中的宇称守恒问题》。他们所探讨的问题，通俗地讲，就是物理的基本定律是否区分左与右。这个问题其实在问：你在镜中所看到的物体与事件，是否遵循与现实世界完全相同的物理定律。

沙滩上的宇称不守恒：从贝壳螺旋到颠覆物理界法则的诺奖级发现

从某些显而易见的层面上看，答案似乎是“否”。比如现实世界中，大多数人是右撇子、心脏位于身体左侧，而在镜像世界中则恰好相反。更深刻的是，巴斯德在1848年发现，生物学从分子层面给出了明确的否定：大多数复杂的生物分子，其镜像版本都是生物惰性的，甚至是有毒的。然而，在1956年之前，物理学的基本定律在描述基本粒子时，似乎都在告诉我们“它是左右对称的”。而正是这种反差，让巴斯德的发现显得格外震撼而深刻：一旦脱离了生物环境，这些镜像分子的物理和化学性质竟完全一致。

李政道和杨振宁从粒子加速器观测到的新现象中得到了启发。其中尤其著名的是“θ-τ之谜”（这个当时的热点问题，如今已被彻底解决，以至于在用现代术语描述它时，显得有点不自然）。在这些实验发现的推动下，他们对基础物理中宇称对称性的既有证据进行了关键的定量分析。他们得出的结论是：尽管在大多数物理领域中，宇称守恒证据确凿，但在弱相互作用方面，却没有证据表明宇称是守恒的。他们提出了验证这一猜想的实验方案。短短数月内，由才华横溢的华裔实验物理学家吴健雄领导的研究团队，从实验上证实了弱相互作用违反宇称守恒。李政道和杨振宁也因此在1957年以创纪录的速度获得了诺贝尔物理学奖。

1957年，杨振宁（中）和李政道（左）在瑞典斯德哥尔摩获颁1957年诺贝尔物理学奖。（图片来源：新华社）

后续研究表明，宇称不守恒并非偶然现象。一旦人们开始关注这个现象后，便发现它在弱相互作用中普遍存在。事实上，这种左右不对称性早已显露端倪，其表现如此之明显，以至于人们长期困惑于如何从理论上解释它。这段持续约十五年的理论探索，历程曲折，难以尽述。但它最终的成果，为我们这段科学历程谱写了史诗般的终章。

假如有这样一个世界，电子、夸克等粒子的质量都为零，那么要实现最大的宇称守恒是很容易的。但我们生活的世界却并非如此——这些粒子都具有非零质量。然而，正是赋予W和Z玻色子质量的自发对称性破缺机制，在让电子和夸克获得微小质量的同时，也使得它们几乎最大程度破坏了宇称守恒。于是，那个质量为零、具有完美对称性、美好的太不真实的世界，竟然真的存在，只不过隐藏在更深的结构中。正如爱因斯坦所说：“上帝微妙难测，但并无恶意。”

关于杨振宁的科学成就与学术遗产，可以讲的实在太多。在此，我只想简单补充两点。第一，杨振宁在凝聚态物理领域同样贡献卓著，其研究延续了他一贯的风格：提出优美的概念与数学结构——它们常常优美的近乎不真实，却又总能揭示出背后隐藏的真实物理（例如：硬核玻色子、杨-巴克斯特方程等）。第二，宇称不守恒的研究也同时推动了关于"时间宇称"的探索，即物理基本定律在时间反演下是否保持对称。与空间宇称类似，时间反演对称性也被发现只是近似的、而非绝对精确。如今，对时间反演对称性的深入探究已成为当代物理学的重要前沿，有望引领我们解开轴子与暗物质的奥秘。

杨振宁1922年出生于安徽省合肥，成长在一个学术世家。他的父亲杨武之（克纯）是一名清华大学的数学教授。然而，他的青年时期正值中国的抗日战争时期。在战火纷飞的年代，杨振宁只能在临时搭建的教室中坚持学业。在清华大学（当时南迁至昆明）师从物理学家吴大猷，并取得硕士学位后，他获得了奖学金赴美深造。在芝加哥大学，杨振宁师从爱德华·泰勒，并于1948年取得了博士学位。随后，他加入了普林斯顿高等研究院，一方浸润着爱因斯坦、外尔和冯·诺伊曼等学术精神的研究圣地。正是在那里，他重新见到了另一位年轻的中国物理学家、刚从芝加哥大学获得博士学位的李政道。

1966年，杨振宁转至石溪大学，并创立了理论物理研究所（该所现以他的名字命名）。他在那创造了一个以思维严谨、交流开放为根基的学术环境。他的众多学生与合作者后来都成为了国际知名的物理学家。

上世纪70年代，中国重新向世界敞开国门。杨振宁作为一名老师和与国际沟通的桥梁，回到了祖国。他在北京大学和清华大学举办的学术讲座，听众如潮。他积极推动中国科学的振兴，强调创造力的蓬勃发展同时需要物质资源和自由的学术氛围。他指出：“中国不仅需要实验室，更需要能让科学生长的开放讨论环境。”

请允许我以两则杨振宁的简短语录作结。

第一则摘自他的诺贝尔奖获奖演说：

“每当我们驻足思考数学推理的优雅与完美，并将其与复杂而深远的物理涵义相对照时，总不禁对对称定律的力量，心生一份深深的敬畏。”

另一则则是出自杨振宁2001年的清华大学百年校庆演讲。他指出，科学家的终极境界是一种精神上的恩典：“我们为了揭示真理而启程，最终却窥见了神迹。”

本文经授权转载自微信公众号“墨子沙龙”，原标题“他为了揭示真理而启程：诺奖得主Wilczek发文怀念杨振宁”。

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