杨振宁100岁了!为什么被称为20世纪基础物理学的奠基人?

杨振宁1922年9月22日出生于安徽合肥,2021年9月22日,是杨振宁先生99岁生日。按民间“过九不过十”的旧俗,这就是百岁寿辰。

关于杨振宁,一直在被非议。其中有一种声音经久不息,那就是杨振宁被过誉了。“有的人说他比霍金厉害,如果他真那么牛,为什么我不知道他?”

那么杨振宁到底有没有过誉?看看下面这张照片吧:

这是当今国际物理会议后的集体合影,与会者都是当今著名物理学家们,比如“夸克之父”盖尔曼。但被大家一致推举站中间C位的人是谁?正是杨振宁。可见杨振宁在当今物理界的地位。

通俗地来说,杨振宁之于物理的伟大成就,等同于秦始皇统一中国,统一度量衡。

杨振宁是因为弱相互作用下宇称不守恒理论一举获得诺贝尔物理学奖的。这项成就在物理学界是一个奠基性的发现,通俗地说,就是发现了整个世界物理规律的一项基本特性。然而,这还不是他的最高成就,他还有更多开创性的研究。

比如,相变理论的研究他早了其他同仁十余年之久,在后来引发了爱因斯坦的高度关注。他的杨- Baxter方程,超导体磁通量子化的理论解释,杨- Mills规范场论等诸多理论,在后来的物理学研究中被广泛运用,成了现代物理科学的基础理论。

其中,杨-米尔斯理论是杨振宁最大的贡献,这是现代规范场论和粒子物理标准模型的基础。

而要了解杨振宁在物理领域取的伟大成就,就先要搞清楚另一个问题:

物理学家到底在研究什么?

自然界中有各种各样的现象,有跟物体运动相关的,有跟声音、光、热相关的,有跟闪电、磁铁相关的,也有跟放射性相关的等等。物理学家们就是去研究各种现象背后的各种规律,然后得到了大一堆关于力学、声学、光学、热学方面的定律。

但是物理学家们并不满意,因为各种定律太多了!想想看,如果每一种现象都要用一种定律来描述,那就相当于你去买衣服要用一把尺,去买鞋要换一把尺,去买房子的时候又要换另一把尺,你得准备多少尺阿。所以物理学家就有一个理想:用更少的定律来描述更多的现象。把一些表面上看起来毫不相关的现象用同一种理论去描述,或者最终用一套理论来描述所有的已知现象。简单来说,物理世界最好也只用一把尺。

这个事情,本质上来说其实就跟秦始皇要统一六国一样,不允许有各自为政的国家存在,必须让所有人遵守同样的法令,用同样的语言和文字,同样的度量衡,这样麻烦才少。所以物理学家位一直在不孜孜不倦地追求最终的统一之路——万物之理(GUT)。

统一,统一,还是统一!

首先,牛顿统一了天上和地上的力。其次,麦克斯韦统一了电、磁、光。

于是,到了19世纪,随着人们对微观世界研究的深入,许多在宏观上风牛马不相及的东西,在微观层面上却很好地统一了起来。比如支持力、弹力、摩擦力之类的东西,在宏观上它们确实是不同的东西,但是到了微观层面,这些乱七八糟的力全都是分子间作用力形成的,而分子间作用力本质上就是电磁力。再深入,这些分子、原子运动的快慢,在宏观层面上居然体现为温度,然后热现象就变成了一种力学现象。所以,到了19世纪末,人类所有已知现象背后的力就都归结为引力和电磁力,其中引力由牛顿的万有引力定律描述,电磁力由麦克斯韦方程组描述。

但是问题也随之出现了,那就是麦克斯韦方程组和牛顿力学这套框架居然是矛盾的,难道是他们谁错了?爱因斯坦老先生研究了一下,说麦克斯韦方程组没毛病,牛顿的力学框架有问题。于是爱因斯坦熬夜升级了一下牛顿的力学的框架,在新框架下跟麦克斯韦方程组就不冲突了,这套升级后的新框架后来有了一个响亮的名字——狭义相对论(我们称新尺)。

让爱因斯坦都头疼的难题

在狭义相对论下,麦克斯韦方程组不用做任何修改就能直接用新尺量。另外,牛顿力学里有些东西虽然不能直接搬过来用新尺量,但是稍微修改一下就可以用新尺量。但当时也有一类东西,无论怎么改都没办法用新尺量,这个就是——引力。

牛顿的万有引力定律用牛顿力学的尺量一点问题没有,但不管怎么改,它就是没办法用狭义相对论这把尺量,那要怎么办呢?于是爱因斯坦另辟蹊径,改变了研究方法,另外提出了一套新理论来描述引力,这相当于给“引力”单独准备了另一把尺。结果这套新“引力”理论大获成功,而且爱因斯坦提出这套新理论的方式跟以往的物理学家们截然不同,这种新手法带来梦幻般的成功惊呆了全世界的物理学家,然后爱因斯坦就成了神一般的人物,这套新理论后来也有了一个响亮的名字——广义相对论。

至此,爱因斯坦用狭义相对论安置好了电磁力,用广义相对论驯服了引力之后,接下来要做的事情就很明显了:要统一引力和电磁力,就像当年麦克斯韦统一电、磁、光那样,毕竟用一套理论解释所以的物理现象是物理学家们的终极梦想。

然而,爱因斯坦穷尽他的后半生都没能统一引力和电磁力。不仅如此,随着实验仪器的进步,人们撬开了原子核,在原子核内部又发现了两种新的力:强力和弱力。这下可好,不但没能统一引力和电磁力,居然又冒出来两种新的“捣乱份子”。所以,摆在科学家面前的局面又变成了有四种力:引力、电磁力、强力和弱力各自为战,并且强力和弱力都暂时还没有称它的秤,说统一就更谈不到了。

到了这里,杨振宁的杨-米尔斯理论就登场了。

杨振宁带着学生米尔斯,提出了“杨-米尔斯规范场论”。

直接说结论吧:现在强力就是用杨-米尔斯理论描述的,弱力和电磁力现在已经实现了完全的统一,统一之后的电弱力也是用杨-米尔斯理论描述的。也就是说,在四种基本力里,除了引力,其它三种力都是用杨-米尔斯理论描述的,而且此后的几十诺贝尔物理学奖都是直接或间接研究杨-米尔斯理论而得到的,也因为如此物理学家们称,杨-米尔斯理论几乎奠定了整个20世纪后半叶基础物理学的总成就。所以你说杨-米尔斯理论有多重要?你说杨振宁的成就有多伟大?

杨振宁是世界上最伟大的物理学家之一

除了上面的贡献,杨振宁在粒子物理学,统计力学和凝聚态物理等领域同样做出了里程碑式的贡献。他甚至提出过其他诸多理论和模型,虽然在当时他提出的很多内容无法用实验来验证正确与否,但随着近些年来科学技术他的越来越多的理论都得到了证实。他的成就足以睥睨世界科学史上任何一位伟大的科学巨匠,人们将他与爱因斯坦并举,说他是在世最伟大的物理学家之一,他是实至名归!

2000年,全球著名科技期刊《自然》,评选了人类千年以来最伟大的20位物理学家。人们熟悉的霍金没有入选,但杨振宁入选了,而且他是这个榜单里唯一在世的物理学家。与他一同登上这个榜单的其他人,全部都是已作古的大咖级人物,比如牛顿、爱因斯坦、麦克斯韦、薛定谔、波尔等等……

所以说,杨振宁没有被过誉,甚至在国人眼里还一直都被低估了。

(本文图片来自网络)

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