由香港求是科技基金會主辦、清華大學承辦的「2019年度求是獎頒獎典禮」在清華大學舉行。典禮上,今年的重磅獎項「求是終身成就獎」授予楊振寧,獎金三百萬元人民幣。在基金會此前歷史上,「求是終身成就獎」得主僅有一位,即基金會元老顧問、「兩彈一星」元勛周光召先生。
楊振寧被譽為當今在世最偉大的物理學家,《Nature》雜誌在2000年更是把他評為影響世界千年的TOP20物理學家,那麼楊振寧究竟有多牛呢?
1926 年,物理學家提出了宇稱守恆定律,並且把對稱和守恆定律的關係由經典力學進一步推廣到微觀世界。在微觀世界「宇稱守恆」就是指一個基本粒子與它的「鏡像」粒子完全對稱。
物理學家發現在四大基本相互作用力里,電磁力、引力、強力的物理規律都具有宇稱不變性,由它們支配的過程都宇稱守恆。
宇稱守恆都符合粒子的三個基本的對稱方式:
1、一個是粒子和反粒子互相對稱,即對於粒子和反粒子,定律是相同的,這被稱為電荷(C)對稱。
2、一個是空間反射對稱,即同一種粒子之間互為鏡像,它們的運動規律是相同的,這叫宇稱(P)。
3、一個是時間反演對稱,即如果我們顛倒粒子的運動方向,粒子的運動是相同的,這被稱為時間(T)對稱。
而為了描述這種對稱性質,物理上把微觀粒子分成兩類,一類宇稱為正(+1),一類宇稱為負(-1),也可稱作奇偶,一個系統的總宇稱,就等於系統內所有粒子宇稱的乘積。而一個系統無論如何變化,不管是分裂出新粒子,還是結合成新粒子,系統變化前後的總宇稱保持不變。
由此科學家們都堅信弱力也對稱守恆,科學家在1956年之前發現了θ和τ兩種介子的自旋,質量,電荷完全相同,一度以為是同一種粒子。
而澳大利亞的物理學家達利茲仔細的研究了這兩個粒子,利用當時普遍被接受的物理定律去做了一個計算分析,結果表明θ和τ的宇稱數不一樣,因此不可能是同一種粒子。θ衰變時產生兩個π介子,τ衰變時產生3個π介子,奇數個π介子的總宇稱是負的,而偶數個π介子的總宇稱是正的,如此看來又似乎不是同一種粒子。
1956年4月第六屆羅徹斯特高能核物理年會在紐約州北部羅徹斯特大學舉行,會議上討論了θ-τ的衰變中,有科學家提出宇稱是否有可能不守恆。然而當時大家都堅信宇稱守恆,所以這樣的質疑在當時被否定了。
而這個時候,楊振寧和李政道關於"τ-θ之謎」的研究已經取得了進展,楊振寧和李政道在這兩種介子的時候,就首先巧妙地提出了我剛才講到的介子是傳遞強力的,但是介子在發生衰變時是弱力在產生作用。
而對於弱相互作用的研究,楊振寧並沒有直接入手,而是從β衰變展開,楊振寧和李政道發現,:在過去所有的β衰變實驗里,實驗結果跟β衰變中宇稱是否守恆完全沒有關係。
β衰變
什麼意思呢,就是宇稱守恆不守恆都不會影響β衰變實驗,而當時的科學家因為被固有印象影響,都自動帶入了宇稱守恆。楊振寧和李政道得出結論:和一般人確信的相反,雖然在強相互作用和電磁相互作用中宇稱守恆以為實驗所證實,但是在弱相互作用過程中宇稱守恆定律僅僅是一個被推廣的 「假設」而已,並沒有被實驗證實過。
所以楊振寧和李政道就重新設計了幾個可以檢驗宇稱是否守恆的實驗,並把具體的實驗方法和之前的分析都寫進那篇非常著名的論文《在弱相互作用中,宇稱是否守恆?》中去了,然後投給了《物理評論》。但是,等論文發表的時候,論文題目卻被雜誌的編輯改成了《對於弱相互作用中宇稱守恆的質疑》,原因是編輯認為一篇論文的標題不應該是一個問句。
當時楊振寧和李政道邀請吳健雄幫他們證明弱相互作用下宇稱不守恆,吳健雄實驗的目的是檢驗鈷60原子衰變時的物理過程是否具有鏡像對稱性,如圖15-3a所示。實驗需要在極低溫(0.01K)的條件下進行,使用強磁場把鈷60原子核的自旋方向轉向左旋或右旋。圖15-3a中將右旋原子核的b衰變叫做「原來實驗」,左旋原子核的b衰變叫做「鏡像實驗」。如果b衰變中的宇稱守恆的話,預料的b射線方向在圖中應該向上。在吳健雄的真實實驗設計中,「原來」和「鏡像」兩個實驗同時進行,並將宇稱守恆預言的兩個b射線方向左右對稱安置。也就是說,如果宇稱守恆成立的話,實驗結果應該有左右方向相等的角分布,否則便違背了宇稱守恆。最後的實驗結果顯示角分布的明顯不對稱,因而證實了弱相互作用中的宇稱不守恆。1957年1月15日,《物理評論》雜誌收到了吳健雄等人實驗證明宇稱不守恆的論文
弱相互作用下宇稱不守恆的消息轟動了整個物理學界,這項發現的重要性達到了什麼樣的程度呢?1957年1月發布論文,1957年楊振寧和李政道就獲得了諾貝爾獎,創造了成果發布獲諾將最快紀錄。
這個結論意義重大,在物理學中,時間T、宇稱P和電荷C,被認為是現代物理學的基礎,三者的守恆一直是物理學關注的對象,宇稱不守恆讓物理學家開始思考,我們理解世界的方式或許出了問題。而後來物理學家詹姆斯·克羅寧和瓦爾·菲奇,再次發現弱相互作用下宇稱和電荷的聯合對稱不守恆(CP破壞),獲得1980年的物理學諾貝爾獎。
而楊振寧先生最偉大的成就不是發現了宇稱不守恆,而是楊·米爾斯理論。
1916年,愛因斯坦創立廣義相對論之後,便一直專心致志想要完成物理學的大一統,他的目標是統一引力和電磁力這宇宙兩大力,宇宙其實存在強力、弱力、電磁力、引力等四大力,而愛因斯坦那個時候,強力、弱力的概念還沒有完善,所以因為時代的關係,愛因斯坦最終沒有完成這個目標。
愛因斯坦是從電磁力和引力進行下手,到了 50 年代,楊振寧雖然也起源於對電磁相互作用的分析,但是楊振寧卻沒有執著於引力和電磁力的統一,而是構建了弱相互作用和電磁相互作用的統一理論,被稱為楊·米爾斯理論。
1954年初,楊振寧和羅伯特·米爾斯將量子電動力學(電磁理論進一步發展而來)的概念推廣到非阿貝爾規範群,非阿貝爾群在數學和物理中廣泛存在,又稱為為非交換群。
規範場論原本是是基於對稱變換可以局部也可以全局地施行這一思想的一類物理理論。但楊振寧和米爾斯卻極大地推廣了場和荷的含義。他們設想了一種更為複雜的荷(當然不能再叫電荷了)和它們所產生的場以解釋強相互作用。這些荷和場都不是普通的實數能表示的,它們是一些矩陣。矩陣的乘法是不能交換的,這種乘法的不交換性叫「非阿貝爾」的。因此也叫非阿貝爾規範場。
量子理論里力學變量可以表示成矩陣。但這裡說的場和荷表示成矩陣不是由於量子化的結果,而是在經典物理的意義上它們就是矩陣。
後來以楊振寧的楊·米爾斯理論為基礎的規範場論發展成為基本粒子的標準模型,在粒子物理學裡,標準模型是一套描述強力、弱力及電磁力這三種基本力及組成所有物質的基本粒子的理論。即使是尚未統一到標準模型中的引力,也有可能包括進規範場的理論之中。由此實現了三大力的統一。
楊·米爾斯理論可以說是20世紀後半葉最偉大的物理成績之一,量子力學、相對論、規範場論公投構成了現代物理學體系。
由楊·米爾斯理論發展的標準模型準確地預言了在世界各地實驗室中觀察到的事實,其應用已經深入在物理學的其他分支中,諸如統計物理、凝聚態物理和非線性系統等等。
總結來說,楊振寧的成就包括:
1、 相變理論
2、玻色子多體問題
3、楊-Baxter方程
4、1維δ函數排斥勢中的玻色子在有限溫度的嚴格解
5、 超導體磁通量子化的理論解釋
6、非對角長程序
7、弱相互作用中宇稱不守恆
8、時間反演、電荷共軛和宇稱三種分立對稱性
9、高能中微子實驗的理論探討
10、CP不守恆的唯象框架
11、楊-Mills規範場論
12、規範場論的積分形式
13、規範場論與纖維叢理論的對應
楊振寧的學說影響了20世紀後半葉以及現在的整個理論物理學的發展,7個諾獎是因為找到楊振寧的標準理論所預測的粒子而獲獎的,例如丁肇中希格斯。研究標準理論獲得諾獎的有幾十個,楊振寧帶領徒子徒孫幾乎壟斷了六十年來的諾獎物理獎的理論物理和粒子物理部分。
另外有6個菲爾茲獎是研究楊振寧的方程而來(3個和楊米爾斯方程相關,3個和楊巴克斯特方程相關)。
不到22歲拿麻省理工博士學位、35歲建立夸克模型的公認天才蓋爾曼多次表示「自己不過是將楊振寧標準模型的su(2)對稱性擴展到su(3)而已」。要知道,蓋爾曼幾乎可以說是當代泡利,懟人毫不留情,幾乎很少服人。
量子電動力學大牛弗里曼.戴森在紀念愛因斯坦的著名演講《鳥和青蛙》里這樣評價楊振寧:他高高地飛翔在諸多小問題構成的熱帶雨林之上,我們中的絕大多數在這些小問題耗盡了一生的時光。
丁肇中先生評價楊振寧:楊振寧是20世紀偉大科學家之一, 當人們回顧20世紀物理髮展主要里程碑時馬上就想到1.相對論2.量子力學3.楊振寧。規範場...標準模型能解釋關於亞原子粒子的所有實驗數據,直到能量大約高達一萬億電子伏。 這大約是現在運行中的原子對撞機的極限能量。因此說標準模型是科學史上最成功的理論也並不為過。
1994年 富蘭克林獎章和鮑威爾獎頒獎典禮上的頒獎詞。上「這一理論模型已經與牛頓、麥克斯韋、愛因斯坦的成就比肩,並必然將對未來產生可相提並論的影響。(This theoretical model, already ranked alongside the works of Newton,Maxwell, and Einstein, will surely have a comparable influence on future generations.)"
楊振寧回到中國之後,其實也為中國做出了很多的貢獻!
1972年,楊振寧向周恩來提出,擬向諾貝爾獎委員會推薦我國人工合成胰島素研究成果。楊振寧為中國協助或者直接建立一流物理實驗室60餘座,為清華大學和南開大學一共籌集約20億美金的科研經費。他以清華大學的名義發表SCI論文30多篇,將冷原子、凝聚態物理科研水平一下子提高了幾十年,為我國在世界科學界爭得了巨大榮譽。 楊振寧利用自己的影響,推薦1200多名青年學者出國訪問、深造,絕大多數都歸國成為科學界的棟樑之才。據朱邦芬院士在南開大學講:楊振寧在清華大學的年薪為人民幣100萬元,但他分文不取,捐給了他1997年親自創辦的清華大學高等研究中心。他變賣掉了自己在美國紐約的一處豪華住宅,向清華捐了100萬美元。在清華大學,他設立了「楊振寧講座」,「楊振寧獎學金」,「楊振寧基金會」,並親自擔任高等研究中心名譽主任,基金會主席。另外,楊振寧先生的國籍也改回來了中國國籍,並且勸說了姚期智等一大批頂尖科學家回國!