美籍华裔杰出物理学家杨振宁最近又荣获1994~1995年度全美奖金最高的科学进步“波尔奖”。他的“杨-米耳斯”规范场理论,对未来的发展将有深远的影响。

美籍华裔杰出物理学家杨振宁在1957年与李政道共同荣获诺贝尔物理奖、1980年荣获德拉姆福德(Rumford Premium)奖、1986年荣获美国国家科学(National Medal of Science)奖章、1993年荣获美国本杰明 · 富兰克林(Benjamin Franklin Medal)奖章。在屡获卓越成就、杰出贡献的科学家的最高荣誉之后,现再次荣获1994~1995年度全美奖金最高的科学进步“波尔奖”(Bower Prize)。美国富兰克林研究所将于1995年5月在费城举办的一个学术专题讨论会上举行颁奖仪式。此奖除向杨振宁颁发25万美元外,还包括一座二点五吋直径的金质奖牌。

富兰克林研究所宣布:为奖励杨振宁发明在探索自然界物理规律和宇宙中基本力量方面有重大贡献的“杨-米耳斯”规范场论,特向他颁授“波尔奖”。“杨-米耳斯”规范场论(Yang-Mills Gauge Theory)是20世纪研究亚原子粒子相互作用的杰作之一。在近40年内,它彻底改变了物理和现代几何的发展,就像当初牛顿、麦克斯韦和爱因斯坦的理论工作一样,这个理论模型对未来的发展将会有深远的影响。”该所指出:杨振宁在科学上的种种杰出贡献以及他率先促进中国与西方世界之间的相互理解,推进世界各地的青少年科学教育,充分体现了富兰克林的科学和人道主义的精神。

第一感觉 可敬可亲

杨振宁现任美国纽约州立大学石溪分校爱因斯坦讲座教授、理论物理研究所所长以及香港中文大学博文讲座教授。

关于“波尔奖”简介如下:波尔是美国化工学家,5年前他遗留下来的几百万美元,捐给了富兰克林研究所,该所是本杰明 · 富兰克林创设的,至今已有200多年的历史。它是美国最古老和最显赫的科学机构和博物馆之一。近一个半世纪以来,该所曾向全世界为人类做出贡献的科学家和科技专家颁奖。5年前,增加了一项“波尔奖”颁给在生物或物理科学方面有重大贡献的科学家。前四年获奖者都是生物及医学界的,首位荣获该奖的物理学家是杨振宁。

杨-米耳斯规范场

杨振宁荣获诺贝尔物理奖之前,1953~1954年他在布鲁克海文国立实验室任访问学者期间,邀请了哥伦比亚大学N · 克罗尔(Kroll)教授的博士后研究生米耳斯(R. L. Mills),于1954年10月初,共同研究,在《物理评论》(Physical Reviesw)发表了《非阿贝尔规范场的理论》。这篇文章,划时代地引进了非阿贝尔规范不变性及与其相关的场论,为整个粒子物理学奠定了以后发展的最基本的原理与方程,现已被世界物理学家们公认为是20世纪最伟大的、最成功的理论结构之一。杨-米耳斯场理论,是继麦克斯韦的电磁场理论、爱因斯坦的引力场理论、狄拉克的量子理论之后的最为重要的场论 · 在物理学上,比起“宇称不守恒”来,它的贡献还要基本,意义还要深远。

迄今为止,物理学研究的最基本的、最主要的有三个一脉相承的场:麦克斯韦理论、爱因斯坦的广义相对论和杨振宁的规范场。可是,50年代他和米耳斯创造规范场理论时,并不了解和意识到规范场可应用得这么广。

那么,对称怎么能支持力量了呢?支配力量的是规范场。而规范场的方程式写的时候是根据对称的观念,根据极美妙抽象的对称观念。

对称是我们日常就有的观念,在基本物理学里,把日常的观念数学化了,数学化以后就发现对称是非常重要的。所有我们知道的基本的力量:引力(广义相对论)、电磁力、强力、弱力,都是不同形式的规范场,都与对称有密切的直接的关系。所以,规范场可以说是把对称支配力量这件事情具体化了,数学化了。从数学的结构讲,杨-米耳斯方程式是麦克斯韦方程式的推广。麦克斯韦方程式是1865年被一个英国人麦克斯韦写下来的,这是19世纪最重要的物理学的贡献。今天,所有的无线电波、电视传递、光波、X光,一切一切,都基于麦克斯韦方程式。

如何预测“杨-米耳斯”规范场理论将在未来世纪中的实际应用价值呢?在此,我们引用杨教授本人对该理论看法:很难预测。麦克斯韦在19世纪中叶写出方程式的时候,并不知道怎么应用法,当时还没有无线电传播。无线电传播是麦克斯韦死了好些年以后,才慢慢发现的。而实际应用是又过了20多年才发展出来的。可是,麦克斯韦对于他的方程式的重要性却有准确的认识,与实际应用无关;能描述基本电磁现象的麦克斯韦方程,最后必会有实用价值。同样,今天我们虽不能预测杨-米耳斯场理论何时会被实用,但相信最后一定有实用价值的。

为了表彰和纪念杨振宁在物理学领域的这一最高成就和功绩,1984年12月21日,中国科学家们在北京科学会堂曾举行了隆重的纪念活动,周光召主持了会议,周培源等著名物理学家们,都高度评价了规范场理论的贡献。

《中国现代科学家传记》“杨振宁”一文中指出:“自伽利略与牛顿以来,物理学发展的精神是将物理世界的万千现象归纳为一些定律,最后浓缩这些定律为准确的基本方程。所有这些方程是物理学中精华的精华。”该文作者之一曾指出:“300年来共有9组这种基本方程:牛顿的运动与引力方程;热力学第一与第二定律;麦克斯韦方程组;统计力学的基本方程;狭义相对论方程;广义相对论方程;量子力学方程;狄拉克方程和杨-米耳斯方程”。

聂华桐教授在1982年9月访问中国科技大学演讲中谈到:在杨-米耳斯结构逐步被证实为弱作用及强作用基本结构的今天,杨先生的声望一天比一天高,现在世界上和他的贡献相当的理论物理学家不是很多的。

1987年物理大师丁肇中为香港中文大学“杨振宁阅览室”开幕所撰写的《杨振宁小传》文中写道“1954年他与米耳斯发表的规范场理论,是一个划时代的创作,不但成为今天粒子理论的基石,并且在相对论及纯数学上也有重大的意义。”

1988年1月17日,新加坡国大物理系潘国驹教授认为,杨-米耳斯规范场的重要性,可与爱因斯坦的相对论媲美;杨振宁是爱因斯坦之后,最有贡献的物理学家,应再次荣获诺贝尔奖。

宇称不守恒

1957年10月,瑞典皇家科学院宣布:杨振宁、李政道共同获得1957年的诺贝尔物理奖,公告中说:“他们对宇称定律透视性的研究 · 造成了在基本粒子方面重大的发现。”同年12月10日,年仅35岁的杨振宁和31岁的李政道光荣地登上了瑞典斯德哥尔摩领奖台。瑞典国王向他们颁发了诺贝尔奖章和证书。这两位旅美中国籍的物理学家的荣誉,举世震惊。

12月11日,杨振宁在诺贝尔演讲中,作了题为《物理学中的宇称守恒及其他对称定律》演讲。他概括地谈了物理学中守恒定律的作用,介绍了导致推翻宇称守恒定律的发展过程;讨论了物理学中的其它对称定律。他还详细介绍了他与李政道在1956年5月研究得出的结论:(A)过去做过的关于弱相互作用的实验,实际上与宇称守恒问题并无关系。(B)在较强相互作用方面,确实有许多实验以高度准确性确立了宇称守恒定律,但准确度仍不足以揭示在弱相互作用方面宇称守恒或不守恒。

李政道也作了诺贝尔演讲,讲题是“弱相互作用和宇称不守恒”。着重介绍了在宇称守恒定律被推翻以来的一些很有意义的、激动人心的发展。

当时对杨振宁、李政道关于弱相互作用下宇称不守恒的大胆假设,多数物理学家认为,正确的可能性是很小的。与李政道同在哥伦比亚大学任职的杰出美国实验物理学家吴健雄认为,即使可能性很小,也应该进行验证。她毅然改变了与夫婿袁家骝同去日内瓦和远东讲学的计划,只身去华盛顿的国家标准局,领导一个由实验物理学家、超低温技术专家组成的实验小组,以创新的办法和精美绝伦的物理实验本领,进行了这项举世闻名的验证工作。当实验的数据向全世界表明了推翻了“宇称守恒定律”之时,杨振宁收到了著名物理学家奥本海默的回电:“终于找到了走出黑屋子的门!”从此,奠定了物理学中弱相互作用理论的基石。

1957年,杨振宁、李政道再次共同获得也希瓦大学颁发的爱因斯坦科学奖。

杨-巴克斯特方程

杨振宁对物理学和数学的达到世纪水准的不朽贡献还包括:杨-巴克斯特方程。该方程在物理学和数学中有极其广泛的意义,它是置换群结构的一类推广。近年来,该方程不但受到数学家和物理学家的密切关注,而且成为最热门的研究题目,运用了该方程,许多本来难以解决的问题得到了解决。今后,它将会在物理与数学方面有更广泛的应用。

就目前所知,杨-巴克斯特方程这一基本数学结构,与物理领域中的一维量子力学问题、二维经典统计力学问题、共形场论有密切关系;与数学领域中的结理论和辫子理论、算子理论、霍普夫(Hopf)代数、量子群、三维流行的拓扑也有密切关系。

1990年8月,在日本东京召开的国际数学学术会议上,4位荣获菲尔兹(Fides)奖(此奖被誉为数学上的诺贝尔奖)的得主,有三位的工作都与杨-巴克斯特方程有关。

全才的理论物理学家

在《杨振宁论文选》的70多篇论文中,显示出他在很多领域中,做了重要的研究和巨大的贡献,其中包括:粒子物理学、统计力学和凝聚态物理学。

诺贝尔物理奖得主、美国著名的物理学家赛格瑞(Segre)写的《从X射线到夸克——近代物理学家和他们的发现》一书中,讲到物理学家时指出,在不同的领域中作出巨大的贡献的人才是不多的,在这几十年中,可以算得上全才的理论物理学家有三个,他们是:R · 费曼,L · D朗道和杨振宁。

李炳安、邓越凡写的《杨振宁》一文中,根据杨振宁论文的长久的重要性、当时的重要性、美妙的观念或方法与杨振宁自己对它们的偏爱、特别能显示他的风格的归类法,阐述了杨振宁在下列众多领域中,都作出了重要的研究工作:

粒子物理学:弱作用的强度;费米-杨模型;G宇称;电荷共轭与时间反演不守恒;二分量中微子理论;高能中微子实验分析;中间玻色子的研究、CP不守恒的唯象分析/规范场的积分形式与纤维丛;几何模型。

统计力学:自发磁化强度和临界指数;液态相变的研究与单位圆定理;贝特假设的发展。

凝聚态物理学:磁通量量子化的解释;非对角长程序(ODLRO)的概念;关于阿哈芮昂诺夫——玻姆实验的建议。

杨振宁很注意物理学史,自己也动手写。他与中科院高能所李炳安合作写了《王淦昌先生与中微子》、《赵忠尧与电子对产生和电子对湮灭》。1993年发表了《邓稼先》。1986~1987年,先后为吴健雄、陈省身、丁肇中写了小传等等。

根据1983年出版的英文版《杨振宁论文选》的附录,1944到1981年杨振宁共发表了203篇论文,其中在1946到1962年的16年间与李政道合作发表的论文有37篇。他俩的亲密合作,作出了卓越的成绩与贡献。在杨振宁著的《读书教学40年》一书中,杨写道:“我几十来的研究工作,主要集中在统计力学与粒子物理学中的对称原理两方面,很幸运的,多年来,我有很多非常杰出的合作者,其中跟我合作得时间最长、最有成绩的是李政道跟吴大峻。”

[摘转于《镜报月刊》1995年3月号,原作者:莫利亚]