杨振宁100岁了,诺贝尔奖都不算他的人生巅峰

来源:果壳 - - 科技 - 新闻取自各大新闻媒体,新闻内容并不代表本网立场!

杨振宁开车去纽约看李政道。

那是1956年的四月末或五月初,纽约最好的季节,暖风吹拂,花叶纷披。他在哥伦比亚大学接到李政道,然后一同去附近觅食。他们步行去白玫瑰咖啡馆,边喝咖啡边讨论;出了咖啡馆又去了一家中国饭馆,边吃午饭边争执;最后他们一并回到李政道的办公室,在黑板上写写画画,到那天结束时,他们已经知道需要做些什么——翻阅过往所有关于弱相互作用的实验,看看到底有没有跟“宇称守恒”相关的证据。

记忆在这里出现了分岔。

杨振宁(左)和李政道(右)|sciencephoto.com

很多年后,李政道记得是自己先想到了关键处,灵感来自他此前与同事斯坦博格的讨论,好几个做宇称不守恒分析的实验物理学家在论文里只感谢了他就是明证。杨振宁一开始强烈反对,听他分析后,杨振宁才信服并加入一起研究。

杨振宁记得是他自己先想到了关键处,灵感来自他1948年和1954年发表的两篇论文,李政道一开始并不相信,是他条分缕析说服了李政道。

对同一件事,不同的参与者有着截然相反的记忆。这事并不罕见。记忆并不是静静躺在脑中某处,能被完整取出又完整放回的事物。而是每回忆一次,就在脑中“重新构建”一次。每重构一次,就多少受当下的心境而扭曲一次。杨李二人想必无数次回忆过这段历史,他们的记忆也在这一次次各自重构中越行越远。

发生这次讨论的1956年,杨振宁记得当时他和李政道每周规律互访,他每周四去哥伦比亚大学看李政道,李政道则每周二去普林斯顿见他。李政道记得二人当时已经有了心结,没有进行合作研究,也不常见面,每周互访是宇称不守恒发表后才开始的。

李杨讨论的中国饭馆,杨振宁记得是上海饭馆,李政道记得是天津饭馆。

宇称不守恒的诺奖论文,是谁写的初稿?杨振宁记得他当时严重背痛,卧床休养,于是口述了论文,让妻子杜致礼写成了初稿——当然,复杂的公式是杨振宁自己后来加的。初稿交给李政道,李政道做了几处修改,后交由杨振宁所在的布鲁克黑文实验室一位秘书打字投稿。

李政道则记得,论文初稿是李政道自己执笔写的,李政道的秘书负责将手稿转为打字稿。杨振宁收到论文初稿后,只将标题改为了疑问句。但是接收论文的《物理评论》不欣赏问句标题,所以最后依然用了李政道拟的标题《弱相互作用中的宇称守恒质疑》。

杨李两位科学家,因为这个发现而共同登上诺贝尔领奖台,也因为这个发现而割席断交。很多人曾希望他们有生之年能重归于好。但也有人认为,杨李的个性都是如此之强,关系又如此亲密,早晚要分道扬镳。

共同获得诺奖的杨振宁(左)和李政道(右)|nobelprize.org

生子当如“杨大头”

杨振宁有两个生日。

9月22日,这是杨振宁赴美留学时证件上误写的生日,诺贝尔奖官网上写获奖者生平时,采用的也是这个日期。

10月1日,这是他真正的生日。1922年10月1日,杨振宁出生在安徽合肥的杨家大院。按照辈分,他是“振”字辈。那一年,他爸爸杨武之在怀宁县教中学数学,于是取了地名里的“宁“。

很巧的是,杨振宁一生最重要的两篇论文,也都发表在10月1日。

令他获得诺奖的《质疑弱相互作用中的宇称守恒》,发表于1956年10月1日。

可能是他最重要发现的《同位旋守恒和同位旋规范不变性》,发表于1954年10月1日。

1922年11月,杨振宁一个月大的时候,爱因斯坦来到中国旅游,并在上海得知了他自己获得了1921年的诺贝尔物理学奖——不是1922年的,因为1921年的诺贝尔物理学奖延迟了一年发,真正1922年的诺贝尔物理学奖颁给了玻尔。

1922年,诺贝尔物理奖颁发了两次,杨振宁0.1岁,爱因斯坦43岁。27年后,他们将在普林斯顿高等研究院成为同事。他们还将有一个共同点:获得诺贝尔物理学奖的研究,并不是他们做出的最重要发现。而他们做出的最重要发现,是可以相提并论的存在。

但不必等到那么多年后,杨振宁的才华就已经显露人前。最早注意到的是他的父亲杨武之,他发现杨振宁念书毫不费力,在杨振宁的一张童年照片背后写了句话,“宁儿似有异禀”。

1929年,杨武之去清华大学任数学系教授,杨振宁也随着父母在清华园里住下。那时候他外号叫“杨大头”,一是因为他头真的大,二是因为他算是个孩子头。杨振宁是长子,和弟弟妹妹年纪差得比较大,所以有时也担起弟弟妹妹的管教之责。如果弟弟妹妹表现好,他就给他们记一颗红星,到了周末,一颗红星可以用来兑换一颗花生米。不过杨振宁出国后,有些花生米就没有兑现,堪称一种杨氏骗局。

杨振宁是那种“别人家的孩子”。曾任复旦大学校长的女物理学家谢希德记得,小时候父亲谢玉铭拿“杨武之之子”来教育他们不要贪玩,要好好学习。有一回杨武之跟华罗庚吵架还说,我这一辈子数学赶不上你,但将来我儿子一定要超过你。

1938年,抗战开始,清华、北大、南开在昆明成立了西南联合大学,杨武之去那里任教,杨振宁也随之到了昆明。

“杨大头”的传奇依然继续。16岁时,高二的杨振宁直接报考西南联合大学,全国两万考生,他名列第二。报名时他甚至还没学过高中物理,所以报了西南联大的化学系,但后来接触到物理觉得有趣,于是很快转去了物理系。

杨振宁的大学准考证|wikimedia commons

西南联大只存在了八年,毕业了三千多人。这三千多人里,出了许多世界一流的学者。除了杨振宁,还有李政道、邓稼先、朱光亚、黄昆……等等。西南联大的教授们更是群英荟萃,给杨振宁上语文课的是朱自清、闻一多、王力;给他上物理课的是周培源、赵忠尧、吴有训。教授们轮流上课,讲本人研究最深、最有心得的部分。

杨振宁的学士论文,是在吴大猷指导下写的,吴大猷让他关注到了对称原理。他的硕士论文,是在王竹溪指导下写的,王竹溪让他关注到了统计力学。对称与统计力学,是杨振宁一生深耕的方向。一个科学家能在研究生涯之初,就接触到一生的课题,可以说是幸运无比了。

在西南联大,杨振宁依然以读书好出名——物理100分,微积分99分,是全校成绩最好的。和杨振宁一起在西南联大上过课的翻译家许渊冲记得,那时候写英文短文,自己是第二名。杨振宁是第一名。

同在西南联大读书的历史学家何兆武,也曾经看过杨振宁和黄昆——这两人当时已经是西南联大有名的才子——在茶馆议论。黄昆问:“爱因斯坦最近发表的那篇文章,你觉得如何?”杨振宁把手一摆,不屑地说:“毫无originality (创新),是老糊涂了吧。”

何兆武当时暗自乍舌,心想这家伙好不狂妄,但又觉得,也许就得有这种气魄,才能超越前人呢?

黄昆后来考取了庚子赔款留英,学成后回国,成为中国半导体方面的顶尖人物之一。

物理学家黄昆和他的学生|wikimedia commons

以“小环境”来说,杨振宁可以说是幸运至极,父母感情甚笃,弟弟妹妹友爱,身边环绕着良师益友。他回忆说,自己在科研上也是生逢其时,中国的现代科学,是在三四十年里从无到有,硬生生跨了三大步。1919年五四运动时,中国几乎还没有自己的自然科学研究事业。到他出生时,已经有从国外回来的中国留学生,在各地办大学。到他上小学时,中国已经能培养出和国外水平相当的本科生。到他上中学时,清北等名校已经有了一批国外回来的博士,可以培养出与国外水平相当的硕士生。到他上西南联大时,西南联大已经可以培养与国外水平相当的博士生。

但从国家的“大环境”来说,杨振宁则身处“长夜”。山河破碎的阴影,时时笼在他与家人的头上。6岁之前,他和母亲住在合肥(父亲当时在芝加哥大学读数学博士),军阀混战打到合肥,他们就要躲到乡下或外国教会办的医院里。他甚至记得3岁时一次”跑反“回来,在家里角落看到一个子弹洞。长大后在昆明时,也常常遇到日寇的空袭,他18岁那年秋天,日军空袭炸掉了杨家的房子,幸亏全家及时躲进了防空洞,安然无恙,但家当是没有了。几天后,杨振宁带着铁锹回去挖家中废墟,挖出几本还能用的书,便欣喜若狂。当时没有什么娱乐,杨振宁就和玩伴熊秉明(熊后来成了画家)合作土电影,熊秉明画连环画,杨振宁搞装置——在旧的饼干筒里装个灯泡,筒口安个放大镜,连环画在放大镜前抽过,墙上就出现会动的画面。他们做了一个土电影,画的是日本飞机轰炸带来的家破人亡。

杨振宁后来将自己的文集定名为《曙光集》《晨曦集》,意思是,中华民族终于走完了那个长夜。

千秋耻,终已雪。见仇寇,如烟灭。惟我国家,亘古亘今,亦新亦旧。

杨武之曾教给杨振宁一首歌《中国男儿》:

“中国男儿,中国男儿,要将只手撑天空。

睡狮千年,睡狮千年,一夫振臂万夫雄……”

这首歌,杨振宁常唱。于是周围的人记住了一件事,杨振宁唱歌很大声,且很难听。

置身物理众神殿

从西南联大毕业后,杨振宁考取了庚子赔款留美的公费留学。1945年8月28日,是他动身的日子。

那天一大早,杨振宁离开家,弟弟妹妹依依不舍,母亲十分平静、没有流泪,父亲则陪着他去公共汽车站。

上了公共汽车,杨振宁就开始和同去美国的同学讨论飞行路线。等了一个多钟头,车还没发动。有人示意杨振宁往窗外看,他一看才惊觉,父亲居然一直等在那里,没有离开——

“他痩削的身材,穿着长袍,额前头发已显斑白。肴见他满面焦虑的样子,我忍了一早晨的热泪,一时迸发,不能自已。”

杨振宁一家

那时赴美的旅途十分波折,杨振宁先从昆明乘飞机到印度加尔各答,在那里等了两个多月,才登上了美国海军的运输船。那艘船要运载几千个美国士兵从东南亚返回美国,顺便留了一两百个床位给普通百姓,杨振宁与同学们便是“普通百姓”中的一员。

1945年11月24日,离开昆明的三个月后,杨振宁终于在纽约哈德逊河的一个码头下了船。他先花了两天熟悉环境,买些日常用品,第三天,就兴致勃勃地去哥伦比亚大学找他心目中的偶像——物理学家费米。结果晴天霹雳,费米居然已经不在哥伦比亚大学了。杨振宁四处打听,从纽约追到普林斯顿,又从普林斯顿追到芝加哥大学,终于等到了费米。

在西南联大时,杨振宁已经形成了对科学研究的品味。并不是所有大科学家的风格都能让他佩服,比如他就不太能与发现测不准原理的海森堡共鸣。他最欣赏爱因斯坦、狄拉克、费米三位,单刀直入,正中要害,从复杂现象中提炼出简单精神,再用数学方式表达出来。

这三位的状况杨振宁都考量过:爱因斯坦年纪大了,几乎不招研究生,狄拉克还在英国剑桥,倒是费米为了逃离意大利的反犹主义,已经到了美国。费米是中微子的命名者,原子弹的设计者之一,理论和实验上都是超一流学者。对于非常复杂的物理问题,他可以丢开细节,分析本质,再加上几个数量上的估计,在半小时里就能给出解决问题的清晰思路——这种对困难问题做个快速估算数量级的方法,现在被称为“费米估算”。当时在美国的洛斯阿拉莫斯实验室,费米和冯·诺依曼是两位齐名的“贤哲”,其他物理学家无论遇到什么难题,都可以拿去问他们。美国试爆第一枚原子弹时,费米在9千米外的基地里等着,手里预先握了一些碎纸片。爆炸的闪光一出现,他便松手让碎纸片落下——如果没有冲击波,纸片会落在他脚边,但当爆炸的冲击波到达时,就会带动空中的纸片发生几厘米的位移。费米根据自己距离爆炸点的距离,以及纸张被推动的距离,便准确估算出了那个原子弹的能量大概两万吨TNT炸药。

1946年,杨振宁成功“追星”,在芝加哥大学见到了费米。费米对杨振宁的物理功底也十分认可,有时候费米出差,甚至让杨振宁代他给研究生上课。但出于政治因素,杨振宁没法当费米的研究生。

那时候,芝加哥大学还没建好做粒子物理实验的回旋加速器。费米则在美国的阿尔贡国家实验室做实验,那里是美国进行“曼哈顿计划”的地方,有许多机密,基本只收美国籍研究者。杨振宁一个初来乍到的中国人,绝无可能去那里做研究。

科学没有国界,但科学家都有祖国。杨振宁下一次深刻意识到这点,是1950年后中美交恶,杜鲁门总统下令,所有在美国取得博士学位的人不可返回中国。他离开中国那一刻,从未想到自己要26年后才能再次踏上故土。

回到1946年,费米把杨振宁推荐给了爱德华·泰勒教授。泰勒的特点是想象力丰富,直觉强,想法多又敢讲。想法多到什么地步呢?当年他参加美国的原子弹计划,但想法过于发散,今天一个想法,明天又一个新想法,跟他合作的人都叫苦不迭。奥本海默就发挥了一下管理的艺术,让泰勒独自去做氢弹——结果,泰勒就这么成了“氢弹之父”。

虽然泰勒的直觉里90%可能是错的,但他不怕犯错,反正有10%正确的突破就足矣。

费米则是泰勒的知己兼“翻译”。在讨论会上,常常是泰勒先说一通自己的直觉和想法,然后费米站起来补充说,“泰勒要表达的意思是这样的……”

杨振宁后来回忆说,“泰勒和费米不同的地方是,费米讲出来的见解通常对的多,而泰勒所讲出来的见解多半是不对的。按照中国传统,你要是对某个问题没有完全懂,就不要乱讲话。人们认为乱讲话是不好的,而且乱讲话的人一定是不可靠的。泰勒的见解非常之多,而且总要讲出来。不过如果你指出他是错的,他就立刻接受,向正确的方向走。”

跟着泰勒做了一阵子,杨振宁思想又波动了,找泰勒说,“我总得回中国去。我觉得中国需要的是实验物理,所以我要做这方面的工作。”

美籍意大利裔物理学家费米|wikimedia commons

于是杨振宁去了塞缪尔·艾里森的实验室,这个实验室当时在建一个40万电子伏的加速器,准备用来做一些低能核物理实验。杨振宁参与了加速器的建造和此后的实验。

在艾里森实验室,杨振宁有了两个领悟,一是理解了实验物理学家在做什么,二是领悟到,自己动手是不太行的。

说起来,杨振宁小时候手工就不太行,有次他用泥做了一只鸡,拿去给父母看。父母说:“ 做得很好, 是一只藕吧?” 长大了做实验,也是“害人害己”。艾里森实验室当年甚至流传一个笑话,说“哪里炸得乒乓响,那里准有杨在场”(Where there is a bang, there is Yang.),双押。

有个美国同学叫琼·辛顿,后来移居中国,改名叫寒春。有一次杨振宁做实验时,不慎用带有高压电的器材触到了寒春的手,寒春自此手上留了一道疤,而且一见到杨振宁在做实验就有些害怕。

那时候加速器电路常常出问题,又会漏气,有个叫阿诺德的同学,往往两分钟就找到漏气处,而杨振宁花上两小时还找不到。杨振宁请教阿诺德寻找的诀窍,阿诺德也解释不出。最后杨振宁只得放弃说,“有些人对实验有直觉的了解,而我是没有的”。

在艾利逊实验室做了一年半,杨振宁没做出什么结果,倒是注意到泰勒有个直觉猜想,这个猜想可以用数学里的群论表示出来,就在闲时写了个简单的证明文稿给泰勒。

泰勒问他,是不是实验不太成功。杨振宁承认是。泰勒说,要不你就用之前那篇证明文稿为基础,写篇理论物理论文吧,一样可以博士毕业。

杨振宁回去痛苦地想了两天,决定接受这个建议。他如释重负,他朋友也如释重负,说,这恐怕是实验物理学的幸运。

杨振宁就回去写了一篇只有3页的论文,拿去给泰勒看。泰勒说这论文挺好,但是作为博士论文是不是应该长一点呢,你再把它推广一下怎么样?几天后,杨振宁交了一篇7页的论文。泰勒忍不住说,能不能再详细一点?几天后,杨振宁交了一篇10页的论文。

泰勒欲言又止,虽然论文依然偏短,但的确很优秀。1948年,杨振宁拿到了芝加哥大学的物理博士学位。

杨振宁的导师泰勒|wikimedia commons

杨振宁的这篇博士论文,到宇称不守恒,再到后来的杨-米尔斯规范场理论,其实都是关于“对称性”的工作。

费米和泰勒是杨振宁接触现代物理“众神”的开始。此前,他遇到的是能宣讲教科书的老师,此后,他开始越来越多地遇见改写教科书的人物。他向“众神”学习,接受“众神”的挑战,并最终成为“众神”里的一员。

普林斯顿最美的风景

身为长子的“杨大头”在对待小兄弟们时,某种意义上是以“保护者”自居的。

邓稼先比杨振宁小2岁,两人在北京念崇德中学时认识,一起闲聊,一起听贝多芬的《英雄交响曲》,一起读牛顿的《自然哲学的数学原理》,先后考进了西南联大的物理系。1948年,杨振宁的弟弟杨振平和邓稼先同去美国,两人都是自费出国,所以十分拮据。邓稼先后来只花了一年多就飞速读完博士,拿到博士学位9天后就坐船回国。

当时杨振宁刚刚拿到博士学位,在芝加哥大学留校当讲师,月薪是375美元。他帮邓稼先申请了普渡大学,还资助了一些邓稼先出国的经费。对自己的弟弟,他更是每月拿出自己月薪的三分之一,给杨振平当生活费。杨振平自己都觉得,杨振宁待他可说是“长兄如父”。后来跟杨振宁合作“杨-米尔斯方程”的米尔斯也说过类似的话,“富兰克(杨振宁的英文名)待我就像一个父亲。”

wikimedia commons

1946年秋天,20岁的李政道来到美国读研究生。他与杨振宁亲如兄弟的日子就此开始。

杨李二人在国内没有来往,但可以算是同门师兄弟。1942年,吴大猷指导杨振宁写了学士论文。1945年,杨振宁出发去美国的那一年,一个胖胖的十几岁孩子找到吴大猷自荐,正是李政道。吴大猷发现李政道的确是物理奇才,便将他录进西南联大,又在李政道大二时,推荐他去美国留学。李政道先陪吴大猷的夫人去芝加哥大学找杨振宁。到了那儿不久,李政道就同样入了芝加哥大学的研究生院。和杨振宁一样,李政道也很快显现出他的天赋和勤奋,而且他也很希望能拜师费米——和杨振宁不同的是,他成功了。费米博学谦和,是个极好的老师,李政道在他指导下获益匪浅。

当时李政道常与三个研究生往来——同样师从费米的斯坦伯格;师从泰勒、但和李政道共用办公室的罗森布鲁斯;还有师从泰勒的杨振宁。1949年,李政道发表了自己的第一篇论文,就是与杨振宁和罗森布鲁斯合写的。杨振宁和李政道还联合另外几个物理系研究生一起“不务正业”,参加了一家芝加哥报纸举办的字谜竞赛,第一名可以得到五万美元奖金,这群高材生一路凯歌到最后一轮决赛,发现题目里有个规则模棱两可,可做两种解释,于是他们根据两种解释提出了两组解——结果因为提出了过多的解,丧失了竞赛资格,痛失奖金。

有一年放假,杨振宁、李政道,再加上另一个中国留学生凌宁,三个不会开车的人合买了一辆浅绿色的二手雪佛兰。杨振宁先去找罗森布鲁斯教他开车,然后他再教李政道和凌宁,最后三个人都考了驾照,就立刻开着这辆车去美国西部自驾游。他们一路从芝加哥开到旧金山,又开到大峡谷,在大峡谷里还差点遇了次险。

李政道对这事的回忆是,出发前,杨振宁建议三人按比例出钱买那辆车子,等回来后,再由李政道一人出钱买下车子。李政道欣然同意,旅行回来后就把杨和凌出的钱还给了他们。后来杨振宁在传记里提到这部“三人合买的车”,李政道再回想当年的事情,硬是又琢磨出一番滋味来。

这事还有个后续。差不多40年后再聚时,罗森布鲁斯才告诉杨振宁,他教杨振宁开车时,自己还没有驾照。

1949年,杨振宁有了一个去普林斯顿高等研究院的访学机会。

普林斯顿高等研究院1930年成立,目标是“追求真理”。这里的研究者不需要教课,唯一的任务就是思考自己的课题。杨振宁去那里的时候,研究院的院长是“原子弹之父”奥本海默,终身研究教授约有20位,爱因斯坦也是其中一人。

费米曾经跟杨振宁说:“普林斯顿高等研究院很不错。但不宜长久待在那儿。因为那儿有点像古代修道院,研究方向太理论化,很容易向形式主义转变,最后与物理学的实际问题脱离关系 。”他建议杨振宁在那里做一年博士后,再回归芝加哥大学。

杨振宁觉得费米所言有理,然后在普林斯顿高等研究院呆了十七年,做出了他一辈子最重要的几项研究发现。

在普林斯顿研究院呆了两年后,杨振宁还将李政道也找去了普林斯顿高等研究院。

那时候李政道已经从费米那里博士毕业,毕业论文是《白矮星的含氢量》。毕业后,他先去了威斯康辛的天文台,跟着后来也是诺奖得主的钱德拉塞卡尔做研究,据说做的不是特别愉快。两个人都有点独断的暴脾气。钱德拉塞卡尔是这样的人:学生们如果知道他在办公室里,都不走途径他办公室的近路,而情愿绕更远的路走。李政道后来在哥伦比亚大学,也是研究生口中的一霸。后来也拿了诺奖的史蒂文·温伯格当年在哥伦比亚大学读研,说李政道演讲的时候,他都不敢中途去上个厕所。同样是后来拿了诺奖的丁肇中也记得,自己1963年见到李政道,跟他讲自己的博士论文,李政道听了几分钟,就跟丁肇中说,你做的工作里面没有多少物理。

两个暴脾气的人一共相处了8个月。李政道就跳槽去了加州大学伯克利分校,杨振宁当时也给他写了推荐信。没过多久,杨振宁又向奥本海默推荐了李政道,于是李政道也来了普林斯顿高等研究院。两人比邻而居,杨家住在古德曼路3F,李家住在3E。两人一起工作,很快合写了两篇统计物理的论文。两家孩子也在一起玩,还拍过一张两家的大儿子在一起洗澡的照片。

1957年10月,杨李两家人在普林斯顿高等研究院

那两篇合作论文还引来了爱因斯坦。爱因斯坦读到那两篇统计物理论文,主动约他们问一些相关的细节。

杨李二人终于第一次和爱因斯坦相约见面。此前他们谨慎克制地不去打扰那个神一般的物理学家,以至于杨振宁自己跟爱因斯坦甚至没有一张合影,倒是他的大儿子杨光诺有一次和爱因斯坦遇上,合照了一张。

那是一场粉丝的偶像见面会。杨振宁当时情绪过于激动,过后几乎想不起具体和爱因斯坦谈了些什么,只记得爱因斯坦说话声音很低,英语有口音,还夹杂了不少德语词汇。

李政道则记得更多谈话内容的细节,他本来想带手头的一份爱因斯坦作品《相对论的意义》请他签名,但最终没这么做,为此后悔良久。分别时,爱因斯坦握了他的手说,“祝你们未来在物理上成功。”爱因斯坦的手又大又温暖。还有,杨振宁后来回忆这次会面,竟然忘记了李政道也是一同去的,真是有意思。

奥本海默那时候正想改革普林斯顿高等研究院,他不喜欢研究院里总是散落着一个个孤零零的老头子,沉默徘徊着思考自己的难题。他希望一是多招点年轻人,二是促进研究院里面的合作和交流。

杨李二人正是奥本海默理想中的图景。奥本海默曾说,他看到杨李走在一起,便心生骄傲。两个极端聪明的年轻中国人在一起,语速极快地激烈讨论,他们用黑板和纸笔推演,甚至用手指在空气中凌空计算。许多物理学家都对这一幕印象深刻。

这样的亲密合作,持续到他们因宇称不守恒而共同获得诺贝尔奖。

宇称不守恒

要讲“宇称不守恒”,还得从“θ-τ粒子之谜”讲起。

1950年代,实验物理学家们用高速质子去轰击各种物质,然后记录产生的各种“奇异粒子”。θ粒子和τ粒子就是这样发现的。从各种实验数据来看,θ粒子和τ粒子的很多性质都相同,它们的寿命差不多,质量差不多,电荷一样,自旋也一样。

但是,θ粒子会衰变成2个π介子。τ粒子则会衰变成3个π介子。

到底是同一种粒子发生了两种衰变,还是自然界里真的存在几乎一模一样的“双胞胎粒子”?

杨振宁打过一个比方,那时候所有物理学家就像在一间漆黑的屋子里摸索出口,所有人都坚信出口一定存在,但到底往哪个方向找呢?

杨振宁和李政道摸索的方向,是物理学“众神”们虽然也想到过、但却不相信会成功的方向。

杨振宁和李政道在普林斯顿高等研究院的办公室里讨论问题|普林斯顿IAS

说实话,物理学家们希望这两粒子其实是同一种,但根据当时被广泛认可的物理定律去分析,无论如何都会得到“不可能是同一种粒子”的结论。

在“当时被广泛认可的物理定律”里,有一条就是“宇称守恒”,可以理解为“物理过程遵守镜像对称”,一个物理系统跟它的镜像,应该能遵守同样的物理定律,形成左右对称的过程。

杨振宁打过一个“镜中人”的比喻,假如有个人活在镜中世界里,他的心脏长在右侧,其他内脏也都长在和我们相反的一侧,构成他身体的分子也都是我们世界分子的镜像……那么,他的身体应该能遵从同样的物理定律,和我们的身体一样有效地运作。

镜像对称,天经地义。在此前的无数物理实验里,“宇称守恒”也从未让物理学家们失望。这就是为什么许多物理学家不愿质疑这条规则。拿了1945年诺奖的著名毒舌物理学家泡利就说,“我不相信上帝是个左撇子。”著名的费曼也劝过想做实验检验此规则的拉姆齐(Norman Ramsey)说,“那是个疯狂的实验,不要在那上面浪费时间。”费曼还建议以10000 : 1来赌这个实验绝不会成功。

与大多数物理学家背道而驰,提出“宇称可能不守恒”就需要足够的勇气了。更难的是,怎么证明“宇称发生了不守恒”?

杨振宁和李政道的灵光一闪就在于此。

他们想到,全世界一共有四种基本相互作用——引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用(把原子核聚在一起的那种力)、弱相互作用(让放射性同位素衰变的那种力)。此前支持“宇称守恒”的实验,都和前三种基本作用相关。

他们花了三星期,做了大量的计算,发现在弱相互作用的衰变实验里,可能反应“宇称不守恒”的项恰好被消除了。现在只需要再做一些针对性的新实验,就能知道,弱相互作用到底遵不遵从“宇称守恒”?

从那次纽约聚餐,到写出诺奖论文《弱相互作用中的宇称守恒质疑》,只花了两个月左右。1956年6月底论文写完,10月初论文发表。在论文里,杨李二人列出了一大堆实验的详细介绍,并说明这些实验可能证明宇称不守恒。现在,他们需要的就是等待慧眼识珠的实验物理学家,用实验结果来证明或者否定他们的猜测。

英雄识英雄,当属吴健雄。

吴健雄是李政道的哥伦比亚大学物理系同事,当时已经定好了圣诞期间阖家出游的游轮船票,但是她凭着对物理学的直觉意识到了验证“宇称不守恒”的重要性,于是她让丈夫一个人去坐游轮,而自己留下来与同事们一起做实验。

1958年,吴健雄于哥伦比亚大学|Smithsonian Institution @ Flickr Commons

泡利听说了这事,他跟吴健雄共事过,非常尊重这位“对核物理的兴趣简直浓厚到了令人难以想象的程度”的科学家,于是跟另一个物理学家坦默尔(G. M.Temmer)说,“像吴健雄这么好的实验物理学家,应该找些重要的事去做,不应在这种显而易见的事情上浪费时间。谁都知道,宇称一定是守恒的。”

实际上,在找对了方向以后,实验推进得很快。1957年1月4日恰逢星期五,是哥伦比亚大学物理系传统的“中国菜午餐日”,在聚餐时,李政道当着十几个物理学家兴奋地宣布,吴健雄给他打了电话,说她的初步数据表明了一个“惊人的效应”。

李政道的同事莱德曼(Leon M. Lederman)听了后忍不住反复琢磨,那天的聚餐他都心不在焉。一回到实验室,他就开始做另一个可以验证宇称不守恒的实验,只花了3天就得到了结果——实在是太简单、太明确、太成功了,甚至比吴健雄的实验结果还要显著,只可惜应了他的名字,终究来得慢了一步。

1月8日早上6点,莱德曼给李政道打电话说,“宇称完蛋了。”

“θ-τ粒子之谜”当然也迎刃而解——它们是同一种粒子,只是衰变成了不同宇称的产物。不过此时,这个“谜”本身反而没那么重要了。

消息像野火一样在物理学家们间蔓延,烧得他们坐立不安。奥本海默给杨振宁发了电报,“走出了房门”——指的是杨振宁那个“在黑屋子里摸索”的比方。哈佛大学的首席理论物理学家施温格(Julian Schwinger)打听后说,“我要向大自然致敬!”1月15日,哥伦比亚大学物理系史无前例地为这个发现举行了一次新闻发布会,在会上,诺奖得主拉比(Isidor Rabi)郑重宣告,“一个相当完整的理论结构已从根本上被打碎,我们不知道这些碎片将来如何能再聚在一起。”

就连泡利也不得不认输,1月27日他给自己的学生、在MIT的物理学家魏斯科普夫(Victor Weisskopf)写信说,“幸好我没有真的和人打赌,要不我可能会输一大笔钱……上帝可能是个左撇子。然而,当他强烈地表现他自己时,他仍然是左右对称的。”

物理学家萨拉姆(A.Salam)打过一个比方来形容“宇称不守恒”有多么不可思议,“当作家们描写独眼巨人时,总是把那只独眼放在前额的正中间。而宇称不守恒相当于物理学家们震惊地发现,空间原来是个虚弱无力的左眼巨人。”

杨李二人在1957年当年就获得了诺贝尔奖——此时距离他们的灵光一闪也不过是一年多。费曼说,这是“最快颁发的诺贝尔奖”,这个记录迄今仍未被打破。

而杨振宁觉得,自己获得诺奖最重要的意义,是“帮助改变了中国人自己觉得不如人的心理作用”。

杨李二人获得诺贝尔奖时,均是中国国籍。

李政道(左)和杨振宁(右)在诺贝尔奖现场

杨-米尔斯规范场论

获得诺贝尔奖当然是杨振宁的高光时刻。但在那一刻还不为人知的是,再往前推几年,杨振宁的另一个发现,意义甚至更为深远。

聊“宇称不对称”,要从“θ-τ粒子之谜”聊起。而要聊“杨-米尔斯理论”,则要从牛顿、麦克斯韦、爱因斯坦和诺特(Emmy Noether)聊起。

诺特是位超一流的数学家,她生活在一个女性研究者备受打压的年代,因术后感染过世时只有53岁。她一生里做出了无数杰出的数学工作,她证明的“诺特定理”,更可说是如今理论物理的基石。

“诺特定理”讲出来就一句话——每个连续的对称性,都对应着某个守恒。反之亦然。

举个例子,物理定律今天成立,明天也成立,过了多久都成立,这是时间的对称性。

物理定律在北京成立,在纽约也成立,移动多远都成立,这是空间的对称性。

时间对称性,对应着能量守恒。

空间对称性,对应着动量守恒。

旋转对称性,对应着角动量守恒。

某种势能的对称性,对应着电荷守恒。

之所以存在种种守恒,是因为世界本身内置了各种对称性。

诺特定理,实在是很美的一条定理。

如今,“审美”已经成为现代物理研究的推动力。物理学家们惊讶地发现,这个宇宙的最底层基础,被设计得很美。如果有两种可以描述自然现象的方程,物理学家们永远会选择更美更对称的那个。爱因斯坦创立广义相对论,就是从引入“广义坐标的对称性”开始的。传说爱因斯坦只要觉得某个方程丑,就立刻对之失去兴趣。

杨振宁也是“唯美派”里的一员。他的想法甚至更为大胆——

对称性支配着守恒,也支配着相互作用。或许可以先从某种守恒出发,利用合适的对称性,直接推导出描述粒子间强相互作用的方程。

杨振宁选择的守恒,是“同位旋守恒”。

关于同位旋,有一个比方——同位旋就像一个标签,标记了电荷不同、但其他方面相同的粒子。想象一对同卵双胞胎兄弟,长得一模一样,只是哥哥穿着外套,弟弟没穿。一旦哥哥把外套脱掉,就无法区分他俩了。在“强相互作用”这种力上,质子和中子就像这样的双胞胎,只要去掉“电荷外衣”,从强相互作用的角度看不出这两种粒子有什么不同。可以说,某种意义上,中子和质子是同一种粒子的两种“量子状态”。这种“量子状态”用数学描述出来,就是同位旋。

他怀着这种直觉,思考了许多年,运算过于复杂,所以他总是卡住。但过一阵子,他又忍不住再回去思考,又在同一个地方卡住。已经卡了至少7年。

1953年夏天,杨振宁去纽约长岛上的布鲁克海文实验室待一段时间,和他共用一间办公室的,是个还在读博的研究生罗伯特·米尔斯(Robert Mills)。

罗伯特·米尔斯|Peter A. Frisch/wikipedia

杨振宁开始和米尔斯讨论很多物理问题,包括他曾经做过的一些失败的尝试。在某一次讨论里,他们忽然想到一个数学方法,可以解决计算后期产生的一大堆复杂的二次项和三次项。

这就是“杨-米尔斯方程”的诞生。它相当于经典力学里的牛顿方程组,电磁学里的麦克斯韦方程组。

粒子物理学家克莉丝汀·萨顿(Christine Sutton)这么描述杨振宁与米尔斯的相遇——“就像一次罕见的行星排列,短暂地同处于同一个时空。这一场并存诞生了一个方程,这个方程将是物理学圣杯‘万物之理(A theory of everything)’的基石。……他俩很快分头踏上不同的道路,但杨-米尔斯方程确保了他们的名字从此不再分离。”

杨-米尔斯理论实在太超前了,以至于一开始只被其他物理学家们认为是一个美丽但无用的数学游戏。比如说,理论里预测了一种有电荷但没有质量的粒子,但这样的粒子怎么可能存在呢?1954年2月,杨振宁回普林斯顿高等研究院报告这个新理论时,台下唯一感兴趣的,是毒舌的泡利。

泡利其实做过和杨振宁几乎同样的尝试,但他也遇到了同样的问题,零质量的场粒子。所以泡利就直接问了,“这个场粒子的质量是什么?”

杨振宁说,我们研究过,但太复杂了,还没有得到确切的结论。

泡利严厉地说,“这是个不成理由的托辞。”

杨振宁不知如何是好,干脆不再说话,坐了下来。

还是奥本海默出来打圆场,说让杨接着讲下去吧。

那天泡利没再提问,但他第二天给杨振宁送了张便条——

“亲爱的杨:很抱歉,你在会上的说法,使我无法再跟你讨论。祝好。诚挚的泡利。2月24日”

严厉的泡利|wikimedia commons

杨振宁后来纠结了很久要不要发表这个理论,最终还是决定发表,因为理论本身实在非常漂亮。

于是,就有了杨振宁和米尔斯共同发表的两篇经典论文,《同位旋守恒和同位旋规范不变性》和《同位旋守恒和一个推广的规范不变性》。

物理学家徐一鸿在《可畏的对称》里写,“杨振宁和米尔斯的的论文并不是为了解释过去得不到解释的现象,而是为完全对称的上帝献上的赞歌。这篇论文好像是说,‘看,这里是人类思维所能梦想的最美的理论。如果自然在她的设计中不选用这个理论,物理学家就只能对自然失望了。’”

结果证明,大自然没有令物理学家们失望。杨-米尔斯理论是一个极其有用的工具。1983年找到的重光子,证明杨-米尔斯方程不但是个漂亮的理论,更符合实验结果。甚至后来的许多个诺贝尔物理学奖,都是在杨-米尔斯理论的框架内做出的——

1979 年获奖的电弱统一理论,建立在杨- 米尔斯理论上。

1999 年的奖,是关于杨- 米尔斯理论的可重正性。

2004 年的奖,是关于杨- 米尔斯理论的渐近自由。

还有2013年获奖的希格斯粒子,实际上是对杨-米尔斯理论的重要补充。零质量粒子问题被解决了,希格斯机制可以赋予零质量的粒子质量。从此,杨-米尔斯理论再无弱点,真正成为今天的粒子物理标准模型“万物之理”的基石。一切基本相互作用,都可以被纳入杨-米尔斯理论的框架之中。

物理学家戴森在一篇《鸟与青蛙》的文章里这样评价杨振宁——“对称性决定了相互作用这个观点,是杨振宁对物理学最伟大的贡献。这个贡献是一只鸟的贡献,她高高翱翔在小问题的雨林之上,而我们大多数人在雨林中消耗着我们的一生。”

四位意气风发的理论物理学家:派斯、李政道、杨振宁、戴森|普林斯顿IAS

物理学家格罗斯则说,“对称性支配相互作用,而杨振宁支配对称性。”

如今,有四大理论被认为是物理学最闪耀的明珠——牛顿的引力理论,麦克斯韦的电磁理论,爱因斯坦的广义相对论,以及杨-米尔斯理论。

杨振宁还发现,物理学里“规范场”的许多概念,竟然能一一对应到数学里“纤维丛”的许多概念。研究万物至理的物理,和纯粹理性的数学竟然殊途同归。

结果是,杨-米尔斯理论还带来了一些数学里的进展和突破。2019年的阿贝尔奖(相当于数学界的诺贝尔奖),其中部分成果就是对杨-米尔斯方程的拓展。

有一次,杨振宁和大数学家陈省身谈起这种精确对应,杨振宁说,想不到你们数学家可以凭空想象出这些概念来。陈省身立刻反驳说,这些概念可不是凭空想出来的,是自然的、真实的。

得失寸心知

杨振宁曾经从自己1945年到1980年的论文里选了几篇,编了一本自选论文集,还加了点评。

在论文集的扉页,是他自己译成英文的杜甫诗句——

A piece of literature

Is meant for the millennium.

But its ups and downs are known

Already in the author's heart.

文章千古事,得失寸心知。

这句诗也被刻在2012年清华大学送给杨振宁的90岁生日礼物上,那是一个黑色大理石方块,顶部刻着杜甫的诗,四个侧面则刻着杨振宁在物理四个领域的13项重要贡献——

统计力学

1952年 相变理论

1957年 玻色子多体问题

1967年 杨—巴克斯特方程

1969年 1维δ函数排斥势中的玻色子在有限温度的严格解

凝聚态物理

1961年 超导体磁通量子化的理论解释

1962年 非对角长程序

粒子物理

1956年 宇称不守恒

1957年 时间反演、电荷共轭和宇称三种分立对称性

1960年 高能中微子实验的理论探讨

1964年 CP 不守恒的唯象框架

场论

1954年 杨—米尔斯 规范场论

1974年 规范场论的积分形式

1975年 规范场论与纤维丛理论的对应

费曼曾经提过一个问题,“如果发生了某个大灾难,所有科学知识都被摧毁,如何用最少的词传递最多的信息给未来的人类?”

费曼自己的回答是一句话,“万物都是由原子构成的。”

现在,物理学家们认为,除了原子这句之外,最好再加上一句——

“对称性决定了守恒定律。”

被称为“对称之王”(Lord of Symmetry)的杨振宁所做的工作,将与此句一起,永远流传。

=== The END (回页顶) ===

© 2011-2022 have8.tv 版权所有