杨振宁，男，1922年10月1日，生于安徽合肥，物理学家，中国科学院院士，1957年获诺贝尔物理学奖。1942年毕业于国立西南联合大学；1944年获清华大学硕士学位；1945年赴美留学；1948年获芝加哥大学哲学博士学位，后任芝加哥大学讲师、普林斯顿高等研究院研究员；1955年任普林斯顿高等研究院教授。 

杨振宁在粒子物理学、统计力学和凝聚态物理等领域作出里程碑性贡献。20世纪50年代和米尔斯合作提出非阿贝尔规范场理论；1956年和李政道合作提出弱相互作用中宇称不守恒定律。

谈到杨振宁，这是一个既熟悉又陌生的角色，我们熟悉的可能是他的经历和个人情感生活，但我要问你杨振宁是研究什么的？他的研究对世界科学有何意义？为什么说杨振宁是伟大的科学家？也许能说的上来的并不多，这就是我们对科学家的了解不深入造成的。作为科普工作者我们重点是科普，而颂扬科学家精神，我们不仅要了解他们的事迹，更要了解他们的科学成就。作为科学家最光辉的头衔就是科学成就，这是他被称为科学家的真正原因。所以我今天要从科学成就的角度重新带大家了解杨振宁。

弱相互作用下的宇称不守恒

弱相互作用下宇称不守恒，这是一个让许多中国人既熟悉又陌生的词语！在我们的日常生活中存在各种各样的力，比如说引力，浮力和磁力等等，但是现代物理学已经证明，宇宙中只存在四种最基本的力，其他的所有力都是这四种力的不同表现方式。这四种基本力分别是“引力、电磁相互作用力、弱相互作用力、强相互作用力”，在这四种基本力中，我们最熟悉的是引力和电磁相互作用力，强力和弱力要相对陌生一些。

电磁力指带电的粒子或带电的宏观物体间的作用力，摩擦力、流体阻力、表面张力，还有气体压力、浮力、黏结力，都是微观粒子在相互靠近的时候，彼此之间相互作用力的宏观表现状态，也可以被视为是电磁力的一种。

引力最早由牛顿的万有引力公式来表达。即两个有个有质量的物体都有相互吸引的力，这种力的大小与两个物体的乘积成正比，与它们之间的距离的平方成反比。引力是最特殊的存在，因为引力并不需要基本粒子来传递，爱因斯坦广义相对论认为引力是是有质量物质将时空压弯而产生的集合效应，同时这给量子力学想要统一四种基本力造成了很大的困难。

强相互作用力是四种作用力最最强的一种力，简单来说强力就是把夸克结合在一起，形成质子和中子这些强子的力量，我们甚至可以把强相互作用力视为维系着整个宇宙的力量。

弱相互作用力作用距离最短的一种力，弱力主要作用于各种费米子，制约着各种放射性作用，强力和弱力都是原子层面的力，两者之间在无形之中束缚和促进着微观宇宙的稳定，而这些微观粒子又相互组合在一起，组成了我们的宏观宇宙。

这四种基本力在无形之中影响着我们这个宇宙，如果四大基本力的数值发生任何一点微小的变化，我们的宇宙就不会是今天这个样子，可以说这四种相互作用力，在维系着我们宇宙的发展和稳定。

物理学中的对称守恒

我们中学时代就学过能量守恒、动量守恒，对守恒的概念还是很熟悉的，而“宇称”听起来应该和宇宙的某种对称性有关。宇称确实是指一种对称性，要想理解宇称不守恒为什么这么重要，就要先理解为什么对称性这么重要。

对称性的精确数学定义涉及到不变性的概念：如果一个几何图形在某些操作下保持不变，我们就说这个图形在这些操作之下具有某种不变性。但是物理学家们并不关心几何图形，他们关心的是物理定律，也就是是物理定律的对称性。

科学家埃米·诺特发现了诺特定理，即物理学里的连续对称性和守恒定律一一对应。比如能量守恒对应的这种对称性叫时间平移不变性，就是时间流逝移动的意思，我今天做实验跟明天做实验遵循同样的物理定律。而动量守恒对应空间平移不变性，物理定律在北京和在上海都一样，在不同的空间物理定律相同，角动量守恒对应于我们上面说的旋转不变性。

宇称不变性

宇称就是左右对称相对应的这个守恒量。物理定律的宇称不变性，其实就是说物理定律在经过镜面反射对称处理之后依然保持不变，简单的说就是镜子里的世界跟外面的世界遵循同样的物理定律。

弱相互作用下的宇称不守恒的起源

早在杨李的发现之前，θ和τ之谜一直是物理界的一大难题。θ和τ是科学家发现的两种微观粒子，这两种粒子的生命非常短，很快会衰变成其他的粒子，奇怪的地方就在于：θ粒子在衰变的时候会产生两个π介子，而τ粒子在衰变的时候会产生三个π介子。但是，随后人们就发现，θ和τ这两种粒子无论是电荷、自旋还是质量都一模一样，像是同样一个粒子，但是它们的衰变结果却不一样。

有人认为θ和τ是同一的粒子，但无法解释为什么它们的衰变结果和宇称数不一样。由于对称性在理论物理里实在太重要了，要去质疑它们要不是极聪明就是极蠢。杨振宁和李政道敏锐的发现了这一点：假如我只认定宇称在强相互用力中守恒，而在弱相互作用力中不守恒，那θ-τ之谜看起来就容易多了。而且，弱相互作用力中的宇称不守恒以前并没实验验证。

两个人设计一些实验去验证，但实验难度很大，很多实验物理学家不愿意去冒险，更多的则是不相信宇称不守恒。于是他们想到一个人，吴健雄。吴健雄被称为“东方的居里夫人”，她参与了曼哈顿计划，是世界上最杰出的实验物理学家之一。

验证弱相互作用下的宇称不守恒

这个实验中，需要一个原子核跟镜子里的原子核一模一样，大小质量啥的都相等，但是旋转方向不一样，我们就说这两个原子核互为镜像。但实验有两个难点：必须要降温，把温度降到了只比绝对零度高0.01K；第二，让原子核都按照一定的方向旋转，这个技术叫原子核的极化。吴健雄突破了道道难关，测量了一束钴60衰变放出电子的方向，证明宇称在弱相互作用下是不守恒的。消息一出，整个物理学界都震惊了！ 

宇称不守恒的发现震碎了人们对造物主绝对对称的信念，迫使人们重新思考对称的问题，这一转向导致了后来许多深刻的发现。人们慢慢发现，宇宙虽然喜欢对称，但是并不喜欢绝对对称，因为绝对对称必然导致大家都一样，从而缺乏生机。假设宇宙在初期都是绝对对称的，那么所有的粒子和相互作用都一样，那么怎么会有后来引力、电磁力、强力、弱力的区分呢？所以，最开始的对称在一定条件下是会慢慢变成不对称的，这样对称就破缺了，对称破缺之后就出现了不同的东西。

宇称不守恒虽然为杨振宁赢得了物理学界至高无上的诺贝尔奖，但这并不是他的最高成就，杨先生最大的贡献是杨-米尔斯理论。杨-米尔斯理论是现代规范场论和粒子物理标准模型的基础。

杨-米尔斯理论

杨-米尔斯理论是一套非常基础的理论，它提供了一个非常精妙的模型，它的作用在于统一四种基本作用力，实现物理学的大一统理论。在我们已知的世界中，费米子是组成物质的粒子，电子以及组成中子和质子的夸克都属于费米子，它的的自旋为半整数，有静止质量；而玻色子是传递相互作用力的粒子。在量子场论里，每一种作用力都有专门传递作用力的粒子。比如传递电磁力的是光子，传递强力的是胶子，传递弱力的是W和Z玻色子，传递引力的是引力子。两个同性电子之间为什么会相互排斥呢？因为这两个电子之间在不停的发射交换光子，然后看起来就像在相互排斥，这就跟两个人在溜冰场上互相抛篮球然后都向后退一样的道理。那么相互吸引就是朝相反的方向发射光子了，其他的力也都是一样，这些传递相互作用的玻色子在规范场里都统统被称为规范玻色子。玻色子的质量越大，力程越短，质量越小，力程越长，如果玻色子的质量为零，那么这个力程就是无限远的。

局域规范对称性

传递电磁力的光子没有质量，它是长程力。强力和弱力都仅仅局限在原子核里，是短程力，所以传递强力和弱力的玻色子似乎应该是有质量的。但是，杨振宁在研究规范场的时候，他发现要使得系统具有局域规范不变性，那么传递作用力的规范玻色子的质量就必须为零。也就是说，规范玻色子如果有质量，它就会破坏局域规范对称性。

这样分析之后，我们就会发现局域规范对称性和规范玻色子零质量之间的对应关系是非常自然的。但是，这样就造成了现在的困境：局域规范对称性要求规范玻色子是零质量的，但是强力、弱力的短程力事实似乎要求对应的规范玻色子必须是有质量的，怎么办？

科学家的困扰

这个问题不仅困扰着杨振宁，它也同样困扰着奥地利科学家沃尔夫冈·泡利。泡利发现了这个似乎无解的质量问题之后，他就慢慢对规范场失去了兴趣，也就没能得出最后的方程。杨振宁在普林斯顿高级研究院做关于杨米尔斯规范场的报告时，被台下的泡利当场指出质量问题，但是杨振宁无法回答，只好停止演讲走下台去，是奥本海默鼓励他继续回去讲，场面十分尴尬。

虽然理论有瑕疵，但杨振宁最大的优点在于他数学功底深厚而且充满自信，他坚信这个问题可以通过别的路径解决，规范场理论本身没有错误。现在量子场论认为传递强力的胶子没有质量，是因为强力里特有的一种性质：渐近自由。渐近自由说夸克之间的距离很远时，它们之间的作用力非常大，但是距离很近了，就变得非常弱了，这样在量子色动力学里，零质量的规范玻色子就和强力的短程力没有冲突了。

唯一难以解决的是弱力，传递弱力的W和Z玻色子有质量的，有质量的话短程力是好解释了，但是有质量的规范玻色子会破坏规范对称性，这规范对称性可是杨-米尔斯理论的根基，所以这是个棘手的问题。

希格斯机制的提出

最后解决这个问题的是希格斯机制，希格斯机制其实就是赋予粒子质量的机制。它认为我们的宇宙中到处都充满了希格斯场，粒子如果不跟希格斯场发生作用，它的质量就是零（比如光子、胶子），如果粒子跟希格斯场发生作用，那么它就有质量，发生的作用越强，得到的质量就越大。2012年7月，科学家终于在大型强子对撞机（LHC）中找到了希格斯粒子，彼得·希格斯等人荣获 2013年的诺贝尔物理学奖。

相信大家对杨-米尔斯理论应该都有了个大致的了解，对它的作用和意义也会有自己的判断。自爱因斯坦以来，统一四种相互作用力是所有物理学家的终极梦想，杨米尔斯理论可以说是为实现大统一理论提供了有效的数学模型和理论基础，先后有多位科学家通过研究杨米尔斯理论获得诺贝奖。据此可见，杨振宁对物理学的贡献不言而喻，甚至可以说他是可以和牛顿和爱因斯坦比肩的巨人。

什么是科学和科学家精神

物理学家并不是擂台上的拳击手，他们一起通力合作构建我们现在恢弘的物理大厦。没有开普特和伽利略的奠基，不可能有牛顿的力学体系；没有牛顿，我估计胡克和哈雷也快找到万有引力定律了；没有法拉第工作，不可能有麦克斯韦的电磁大厦；洛伦兹和彭加莱已经一只脚跨入狭义相对论的大门了，狭义相对论在20世纪初已经是水到渠成呼之欲出了，爱因斯坦也只不过是捷足先登了而已，除了广义相对论确实是爱因斯坦的独门独创，好像还真没有哪个东西说是非谁不可的。

我只是想建议大家不要总把注意力放在“谁或者谁更伟大，谁比谁更厉害”这种很虚的东西上面，而更多的把注意力放在这些科学家工作本身上去，这些才是全人类共同的宝贵财富。大家的时间都很宝贵，我们就尽量把时间都花在刀刃上去，科学家最宝贵是他们的科学思想，而中国比任何一个国家都不缺少娱乐八卦。

最后，将杨振宁先生在1957年诺贝尔奖颁奖典礼上的致辞送给大家共勉，“今天，当我站在这里和大家谈这些事情的时候，我深深地意识到，广义来说，我是既调和又抵触的中西方文化的产物。我愿意说，我为自己的中国血统和背景而感到骄傲，同样，我为能致力于作为人类文明一部分的、源出于西方的现代科学而感到自豪。我已献身于现代科学，并将竭诚工作，为之继续奋斗。”