杨振宁先生：物理苍穹的东方启明星

杨振宁先生：物理苍穹的东方启明星

2025年10月18日，享誉世界的物理学家、诺贝尔奖获得者杨振宁先生在北京逝世，享年103岁。他的一生跨越世纪，以卓越的科学成就和深厚的家国情怀，在物理学的星空中刻下了不朽的印记。

Part.1

生平轨迹：从清华园到世界舞台

1929年，杨振宁与父母在厦门

杨振宁于1922年10月1日出生于安徽合肥。其父杨武之是著名数学家，1929年受聘清华大学算学系教授，举家迁入清华园。杨振宁先后就读于成志学校与北京崇德中学，在清华园度过了八年的少年时光，这段经历为他埋下了科学的种子。

1937年抗日战争爆发后，他随家辗转抵达昆明，于1938年以同等学力考入西南联合大学物理系。在战火纷飞的环境中，他师从吴大猷、王竹溪等名师，1942年完成学士论文《群论与多原子分子的振动》，1944年获清华大学硕士学位。西南联大的艰苦岁月锤炼了他的学术品格，他曾回忆：“这段经历让我学会了在资源匮乏中深耕理论。”

1945年，杨振宁作为清华大学第六届留美公费生赴芝加哥大学深造，1948年获博士学位。在芝加哥期间，他深受物理学家费米的影响，并因实验能力不足转向理论物理研究，这一“断舍离”成为他学术生涯的关键转折。1949年，他受费米和泰勒推荐进入普林斯顿高等研究院，在此迎来学术黄金期，与爱因斯坦等科学巨匠共事。

Part.2

杨振宁的科学遗产：三座物理学丰碑

Part.A

宇称不守恒

宇称不守恒：微观世界中的左右不对称性及其科学革命

宇称不守恒是20世纪物理学中最具革命性的发现之一，它打破了传统物理学中关于对称性的固有认知，揭示了微观世界在基本相互作用中的内在不对称性。这一由华裔物理学家杨振宁和李政道提出，并由吴健雄通过实验验证的理论，不仅为他们赢得了诺贝尔物理学奖，而且深刻改变了人类对自然规律的理解。本文将带领读者从科普的角度深入探索宇称不守恒的奥秘，理解其科学内涵、发现历程以及深远影响。

李政道（左）和杨振宁（右）

1 什么是宇称不守恒：镜像世界中的奥秘

要理解宇称不守恒，我们首先需要了解"宇称"这一概念。在物理学中，宇称是描述粒子或物理过程在空间反射（镜像变换）下变换性质的一种物理量。通俗来讲，宇称就是粒子在"照镜子"时，其镜像表现与真实世界表现之间的对称性质。想象一面镜子，镜子外的物理过程与镜子内的物理过程如果遵循相同的规律，我们就说这个物理过程是宇称守恒的。

在1956年之前，物理学家普遍认为自然界的基本规律是宇称守恒的，也就是说，无论是真实世界还是镜像世界，物理定律应该是相同的。这一观念源于物理学家对自然界的长期观察：宏观世界中，大多数物理过程确实表现出这种对称性。例如，一个在真实世界中向右抛出的球，在镜子中看起来向左抛出，但运动轨迹依然遵循相同的物理规律。

然而，杨振宁和李政道提出的宇称不守恒理论指出，在弱相互作用（自然界四种基本力之一）支配的某些过程中，互为镜像的粒子运动可能并不对称。这意味着，在微观粒子世界中，有些过程在真实世界和镜像世界中会有不同的表现和结果。这一发现颠覆了物理学家对自然规律对称性的传统认知。

为了更直观地理解这一抽象概念，我们可以参考一个生动的比喻：假设有两辆互为镜像的汽车，汽车A的司机坐在左前方，用右脚踩油门；汽车B的司机坐在右前方，用左脚踩油门。如果两辆车以完全相同的方式启动，按照经典物理学的预期，它们应该以相同的速度向前行驶。然而，在弱相互作用下的粒子世界中，"汽车B"可能会以完全不同的速度行驶，方向也可能不一致！这正是宇称不守恒现象的核心体现。

2 历史背景：θ-τ之谜与宇称不守恒的发现

宇称不守恒理论的提出并非空穴来风，而是源于20世纪50年代粒子物理学面临的一个重大难题——θ-τ之谜。当时，物理学家发现自然界中存在两种介子：θ介子和τ介子。这两种粒子具有相同的质量、寿命和电荷，几乎所有性质都完全相同，因此大多数物理学家认为它们应该是同一种粒子。

然而，一个令人困惑的现象出现了：θ介子衰变时会产生两个π介子，而τ介子衰变时则会产生三个π介子。根据当时的物理学理论，π介子的宇称值为负（-1），因此偶数个π介子的总宇称为正（(-1)² = 1），而奇数个π介子的总宇称为负（(-1)³ = -1）。如果θ和τ是同一种粒子，它们应该具有相同的宇称值，但衰变产物却显示出不同的宇称特性，这就形成了一个明显的矛盾。

这一难题在1956年4月召开的第六届罗彻斯特高能核物理会议上引起了激烈讨论。面对这一困境，杨振宁和李政道没有固守传统观念，而是以非凡的勇气和洞察力提出了一个革命性的假设：也许θ和τ根本就是同一种粒子，问题出在弱相互作用中宇称可能不守恒这一基本物理规律上。

1956年6月，杨振宁与李政道在美国《物理评论》上共同发表了题为《弱相互作用中的宇称守恒质疑》的里程碑式论文，系统阐述了他们的理论。他们指出，虽然宇称守恒在强相互作用和电磁相互作用中已有大量实验验证，但在弱相互作用中，这一定律从未被严格检验过。他们大胆推测，在弱相互作用中，宇称可能并不守恒。

这一理论的提出在当时的物理学界引起了巨大震动。著名物理学家泡利（Wolfgang Pauli）在得知这一理论后甚至表示："我不相信上帝是个弱的左撇子"，并准备打赌实验一定会得出对称的结果。这反映了当时物理学界对宇称不守恒理论的普遍怀疑态度。

3 理论突破与实验验证

杨振宁和李政道不仅在理论上提出了弱相互作用中宇称可能不守恒的革命性观点，还精心设计了可供实验检验的具体方案。他们指出，通过研究极化原子核的β衰变过程中发出的电子分布，可以检验宇称是否守恒。具体来说，如果宇称守恒，那么向上和向下发出的电子数应该相等；如果宇称不守恒，则会出现不对称的电子分布。

3.1 吴健雄的实验验证

验证这一理论的历史性任务落在了华裔物理学家吴健雄身上。1956年，吴健雄与她在华盛顿美国国家标准局的合作者安布勒、海沃德、霍普斯等科学家着手进行了一项精密的实验，以检验杨振宁和李政道的理论。

吴健雄选择钴60（⁶⁰Co）原子的β衰变作为研究对象。她的实验设计非常巧妙：制备两套实验装置中的钴60样品，使它们互为镜像关系。一套装置中的钴60原子核自旋方向转向左旋，另一套装置中的钴60原子核自旋方向转向右旋。在极低温度（接近绝对零度，约0.01K）环境下，利用强磁场使钴60原子核高度极化（即自旋方向一致排列），然后观察它们衰变时放射出的电子方向分布。

实验原理基于以下关键思想：如果宇称守恒，那么两套镜像装置中观测到的电子发射方向应该是对称的；如果宇称不守恒，则会出现可观测的不对称现象。

经过数月艰苦的实验工作，1957年1月，吴健雄团队取得了明确结果：他们发现钴60衰变时放射出的电子确实表现出显著的方向不对称性——电子更倾向于朝着与原子核自旋方向相反的方向发射。这一发现直接证明了在弱相互作用中宇称确实不守恒。

3.2 科学界的反应与认可

吴健雄的实验结果在物理学界引起了巨大轰动。1957年1月15日，美国哥伦比亚大学物理系举行新闻发布会，正式宣布宇称守恒这一定律在弱相互作用中被推翻。次日，《纽约时报》以《外表与真实》为题报道了这一突破性发现。

尽管包括泡利在内的许多物理学家最初对宇称不守恒表示怀疑，但实验结果的坚实性很快说服了科学界。在吴健雄实验之后，其他几个实验小组也迅速确认了宇称不守恒现象的存在，进一步巩固了杨振宁和李政道的理论。

由于这一划时代的贡献，杨振宁和李政道于1957年10月荣获诺贝尔物理学奖。从论文发表到获奖仅隔12个月，创下了诺贝尔奖历史上最快获奖的记录之一，这充分体现了这一发现的重大意义。

Part.B

杨-米尔斯规范场论

杨-米尔斯规范场论被誉为“20世纪物理学最伟大的成就之一”，它为人类理解宇宙基本规律提供了一把关键钥匙。这一理论由物理学家杨振宁和罗伯特·米尔斯于1954年提出，旨在用一个统一的数学框架描述自然界的基本相互作用。该理论是粒子物理学标准模型的基石，统一了除引力外的三种基本力——电磁力、弱力和强力。有评价指出，杨-米尔斯理论“已经排列在牛顿、麦克斯韦和爱因斯坦的工作之列，并必将对未来几代产生类似的影响”。

理论背景：为何需要统一基本力？

在我们生活的宇宙中，四种基本力支配着一切物质的运动和行为：

• 引力：主导宇宙的大尺度结构，如星球运转。

• 电磁力：解释光、电和磁现象，是日常科技生活的基础。

• 强相互作用：将原子核内的质子和中子“粘合”在一起。

• 弱相互作用：主导放射性衰变等过程。

在杨-米尔斯理论提出之前，物理学家能够分别描述这些力，但找不到它们之间的内在联系。杨振宁和米尔斯的工作，正是试图将这些看似无关的力“统一”起来，探寻宇宙运行的共同规律。

 核心思想：对称性如何“生成”力？

杨-米尔斯理论的核心思想是：自然界的对称性决定了相互作用。用杨振宁的话概括，即“对称性支配相互作用”。

1. 从整体对称到局域对称

  ◦ 物理学中的“对称”是指物理规律在某种变换下保持不变。例如，无论你在北京还是纽约做实验，电磁学定律都一样，这体现了物理规律在空间平移下的对称性。

  ◦ 杨-米尔斯理论的关键在于要求这种对称性是局域的。可以做一个通俗的比喻：想象在全球不同城市，人们使用不同的语言（局域变化），但一个强大的“实时翻译系统”（规范场）能确保所有人理解的天气预报信息（物理规律）是一致的。这个维持局域一致性的“机制”，就是规范场。

2. 规范场：传递相互作用的“信使”

  ◦ 为了维持局域对称性，理论要求必须引入一种新的场——规范场，它正是传递基本相互力的媒介粒子。

  ◦ 电磁力中的光子、弱力中的W和Z玻色子、强力中的胶子，都是不同规范场对应的“信使”粒子。

3. 从简单到复杂：非阿贝尔规范群

  ◦ 电磁力的规范对称性对应于U(1)群（可类比为围绕一个轴的旋转）。杨-米尔斯理论的革命性在于将其推广到更复杂的非阿贝尔规范群（如SU(2)、SU(3)），其数学结构如同物体可以同时绕多个不同的轴旋转，且旋转顺序会影响结果（不可交换性）。

  ◦ 这种“不可交换”的数学性质带来了一个深刻结果：规范场（信使粒子）自身之间也存在相互作用，这与光子（电磁力媒介）不携带电荷因而没有直接自相互作用完全不同。

历史挑战与理论完善

杨-米尔斯理论在提出之初并未立即被物理学界接受，因为它面临一个关键挑战：质量难题。理论要求传递力的规范玻色子必须是无质量的，但实验表明，传递弱力的W和Z玻色子是有质量的。

这一难题的解决得益于后续的科学突破：

• 希格斯机制：科学家们引入了希格斯场。想象宇宙充满了一种特殊的“胶水”（希格斯场），某些粒子在其中运动时会受到“阻力”从而获得质量，而光子不受影响保持无质量。这就是所谓的对称性自发破缺机制。

• 通过希格斯机制，W和Z玻色子获得了质量，同时保持了理论原始的对称性结构。2012年希格斯玻色子的发现，是对这一机制的关键实验验证。

深远影响与科学意义

1. 奠定标准模型

杨-米尔斯理论是粒子物理标准模型的数学基础。基于该理论：

  ◦ 格拉肖、萨拉姆和温伯格建立了弱电统一理论（统一弱力和电磁力），并于1979年获诺贝尔奖。

  ◦ 发展了量子色动力学，成功描述强相互作用。其“渐近自由”现象的发现者也于2004年获诺贝尔奖。

2. 连接物理学与数学

该理论在数学上被理解为纤维丛上的联络，促进了微分几何、拓扑学等数学领域的发展。著名的“杨-米尔斯存在性与质量间隙问题”被列为七大千禧年数学难题之一。

3. 技术应用的基石

尽管是高度基础的理论，但基于其原理发展的技术已深刻改变社会，例如医学上的核磁共振成像，以及粒子加速器、核能技术等。

结语

杨-米尔斯规范场论深刻地揭示，

宇宙中纷繁复杂的力和现象，可能源于底层简洁而统一的对称性原则。它不仅极大拓展了人类对微观粒子世界的认知边界，也彰显了追求理论统一性在基础科学中的核心价值。正如杨振宁先生所倡导的“宁拙毋巧，宁朴毋华”的治学态度，这一理论的诞生与发展本身，就是对人类探索自然奥秘的勇气与智慧的最佳诠释。

Part.C

杨-巴克斯特方程

杨-巴克斯特方程被誉为“数学物理领域的隐藏宝石”，它是连接微观粒子世界与宏观物质性质的桥梁，由物理学家杨振宁于1967年首次提出，后由数学家巴克斯特独立发现。这一方程虽形式抽象，却深刻揭示了自然界中一类特殊系统——“可积系统”的底层规律 。

问题起源：一维世界里的粒子“碰撞规则”

1967年，杨振宁在研究“一维δ函数相互作用的多体问题”时，思考了一个基础而深刻的问题：当多个粒子在一条直线上运动并发生碰撞时，它们的散射过程是否遵循某种普适的、不依赖于碰撞顺序的规则？ 

他通过严格的数学推导发现，要保证这类复杂系统存在精确解，描述粒子碰撞的散射矩阵必须满足一个自洽条件。这个条件后来被总结为一个矩阵方程，即杨-巴克斯特方程 。简单来说，该方程的核心思想是：三个粒子依次发生两两碰撞，无论碰撞的先后顺序如何，整个系统最终的物理状态必须保持一致 。这就像编织三股绳子，无论你先编哪两股，最终编出的花纹结构都是一样的。

 数学本质：一个关于“顺序无关”的承诺

杨-巴克斯特方程的典型数学形式如下（以量子的R矩阵为例）：

在这个看似复杂的方程中，蕴含着简洁而强大的物理图像 ：

• R_{12} 代表粒子1和2发生碰撞的散射矩阵。

• 方程的左端 描述的是粒子1和2先碰撞，然后粒子1和3碰撞，最后粒子2和3碰撞。

• 方程的右端 则描述了另一种完全相反的碰撞顺序。

方程成立，意味着无论粒子们按哪种顺序“打招呼”、交换能量和动量，整个系统最终的演化结果是唯一确定的。 这就为物理学家“精确求解”复杂多体系统提供了可能性 。这类可以被精确求解的系统，被称为“可积系统”。

 理论发展：从物理直觉到数学宝藏

杨振宁的原始工作在当时并未立即引起巨大反响，但其深远意义在后续几十年中逐渐显现 ：

• 独立印证：1970年代初，统计物理学家巴克斯特在研究二维格点模型（如冰模型）时，为求解模型的精确解，也独立得到了同样的方程 。

• 正式命名：1981年，这个方程被正式命名为“杨-巴克斯特方程” 。此后，它迅速成为数学物理领域的研究热点，引发了持续的“文献爆炸” 。

• 跨界应用：人们发现，这个方程不仅适用于杨振宁研究的一维量子多体问题，也完美适用于巴克斯特研究的二维经典统计模型，显示了其惊人的普适性 。

广泛应用：一座连接多学科的桥梁

杨-巴克斯特方程的魅力在于，它像一个万能公式，在物理和数学的多个前沿领域展现出强大力量 ：

1. 精确求解复杂物理模型

利用该方程，科学家可以精确求解一系列非常重要的物理模型，例如描述磁性的一维海森堡自旋链模型，以及描述超冷原子气体的一维δ相互作用模型（也称为Yang-Gaudin模型）。这些精确解为我们理解强关联量子系统的本质提供了至关重要的参考。

2. 催生新的数学分支

为了求解杨-巴克斯特方程，数学家发展出了量子群理论 。量子群可以看作是传统李代数的一种“变形”，它通过一个参数q来调节代数结构。当q=1时，量子群就变回了经典的李代数。这一理论极大地丰富了代数学和表示论 。

3. 推动前沿领域研究

  ◦ 纽结理论：方程的解与纽结（如绳结）的拓扑不变量密切相关 。

  ◦ 量子计算：满足杨-巴克斯特方程的逻辑门操作是构建量子计算机、实现容错量子计算的重要候选方案之一 。

  ◦ 凝聚态物理：该方程是研究拓扑序、量子纠缠等前沿概念的有力工具 。

现实意义：从抽象公式到未来科技

杨-巴克斯特方程虽然高度抽象，但其研究成果正通过不同路径，潜在地影响着我们的未来 ：

• 更高效的量子芯片：对该方程的研究有助于设计更优的量子逻辑门，可能推动量子计算机的发展，使未来手机、电脑的计算能力和能效得到飞跃。

• 更精准的药物设计：量子计算有望大幅加速分子模拟和新药研发流程，而杨-巴克斯特方程是构建某些量子算法的基础。

• 更可靠的信息安全：基于该方程的数学结构可用于构建量子密码协议，为未来的通信安全提供保障。

• 更强大的材料模拟：通过精确求解模型，我们能更好地预测超导材料等新奇物质的特性，助力开发新一代电子材料和能源技术。

Part.3

1997年，杨振宁受聘担任清华大学高等研究中心名誉主任。2003年，81岁高龄的他正式回归清华大学任教。令人感动的是，他坚持为本科生讲授《普通物理》课程，以“宁拙毋巧，宁朴毋华”的治学态度影响了一代学子。

杨振宁曾说：“我一生最重要的贡献，是帮助改变了中国人自觉不如人的心理作用。” 2015年，他放弃美国国籍，转为中国科学院院士，象征着其对祖国科学事业的终极承诺。

科学精神的启示

杨振宁的科学人生给予我们深刻启示：敢于质疑权威是科学进步的源泉。面对“宇称守恒”这一物理学界奉为圭臬的定律，杨振宁和李政道以勇气和智慧实现了突破。理论深度与实验验证相结合是科学发现的关键。杨振宁在芝加哥大学师从费米期间，培养了严谨的实验验证思维。基础研究需要长期坚持。杨-米尔斯理论从提出到被完全理解，历经数十年时间。

正如物理学家弗里曼·戴森评价：“杨振宁是继爱因斯坦和狄拉克之后，20世纪物理学的卓越设计师。” 他的科学遗产不仅体现在具体理论中，更凝聚在激励后辈探索未知的精神力量里。