杨振宁:科学研究的品味 | NSR访谈

发布: | 发布时间:2020-03-26,星期四 | 阅读:29

撰文 | 蒲慕明 赵 午

杨振宁(照片由杨振宁先生提供)

– 前 言 –

杨振宁是最杰出的中国理论物理学家。1954年,杨振宁和罗伯特·米尔斯(Robert Mills)共同提出杨-米尔斯规范场理论(Yang-Mills Gauge Theory)。建立在这一理论基础上的物理学标准模型,成为了支撑粒子物理学大厦的基石。1956年,杨振宁与李政道共同提出弱相互作用中的宇称不守恒定律,并以此获得1957年诺贝尔物理学奖。此外,杨振宁还在粒子物理学、统计物理学、凝聚态物理学等多个领域做出了重要贡献。

2003年底,杨振宁从美国返回中国定居,任清华大学教授并推动了清华大学高等研究院的建立。2019年3月21日,《国家科学评论》(National Science Review, NSR)执行主编、神经生物学家蒲慕明和斯坦福大学加速器物理学家赵午(Alexander Wu Chao)赴清华大学,与杨振宁先生进行了一场对话,在对话中,杨振宁回顾了杨-米尔斯理论产生的历程,并谈及与他同时代的物理学家、科学研究品味、中国科学研究的现状与未来发展等多个话题。

以下为此次对话内容的摘录。

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杨-米尔斯规范场理论

赵午:我们从杨-米尔斯理论谈起。很多人都认为,在您为科学做出的诸多重要贡献中,杨-米尔斯理论是最重要的一个。您同意这种说法吗?您觉得这个理论为什么重要?

杨振宁: 在基础物理学领域中,大家公认杨-米尔斯规范场理论是奠基性的重要工作。这项工作最早发表于20世纪50年代,那时候绝大部分人都不看好它。后来到70年代,出现了最早的一批实验证据,又有新的重要的见解——也就是对称性破缺的观点,加入进来,于是它逐渐发展成了标准模型。标准模型是20世纪下半叶基础物理学领域最重要的发展。

规范场理论未来会怎么发展呢?我在1980年写了一篇关于爱因斯坦的文章,其中我写了一句话,叫 Symmetry dictates interaction。就是说宇宙中所有力的来源,都与对称有密切的关系。所以这句话的中文叫做“对称支配力量”。我想这个短句可以概括规范场理论之所以重要,也概括了它未来发展的方向。
我们现在还没有解决的问题中,最重要的就是怎么把引力引入进来,统一到现有的模型中。我想,我和大部分物理学家都相信,实现统一的方法还是要引入更多的对称。过去40年中,大家都想寻找这些新的对称,但是现在还没有成功。

赵午:这里所说的对称肯定不是简单的左右对称。

杨振宁: 没错,肯定是更复杂,更微妙的对称。

对称的观念在中国文化中早就有了,比如说中国文学中的对联就是对称性的一个表现。西方文化中,希腊时期人们就非常重视对称,他们认为世界上的一切都是由对称性统治的。希腊人的观念也可以看作是一个古代哲学版本的 “对称支配力量”,而现代人用精确的数学语言重新描述了它。

规范场理论(gauge theory)这个名词也不是我发明的。20世纪10年代中期爱因斯坦说,我们现在有两个场论:一个是电磁学,一个是引力学。我们应该把它们统一起来,构建一个统一理论。爱因斯坦自己在接下来的几十年里一直努力做这件事,可是没有成功。1918年,赫尔曼·外尔(Hermann Weyl)响应爱因斯坦的号召,他在麦克斯韦电磁方程组中发现了一个新的对称。这个新的对称和广义相对论中平行位移的概念相关,和尺度的变化,也就是测量规范(gauge)的变化相关。所以说规范场理论这个名词是外尔发明的。

蒲慕明:您在1949年听过爱因斯坦的演讲,之后在1954年完成了杨-米尔斯理论。这两件事之间有关系吗?或者说你有受到爱因斯坦的影响吗?

杨振宁: 我还在芝加哥读研究生的时候,就受到了爱因斯坦把自然界中不同的力统一起来这一号召的影响,也受到了外尔电磁规范对称理论的影响。

但是驱使我提出杨-米尔斯理论的更加直接的原因是,从1945年开始的十年中有很多新的基本粒子被实验发现。这些粒子怎么和传统的粒子,怎么和质子、中子和电子相互作用?这些新粒子之间又是怎么相互作用的?当时有很多文章,有理论的文章,也有实验的文章,都在讲 θ 粒子是如何与 Κ 粒子相互作用的,Σ 粒子又是如何与 Λ 粒子相互作用的,等等,五花八门。我当时在芝加哥读研究生,我想到,应该有一个普遍的原则来描述不同粒子之间的相互作用,而这个普遍的原则或许能够从外尔的规范对称理论出发,推广得到。

那时候,粒子物理学中有一个很重要的概念叫做同位素自旋对称,也就是在20世纪30年代最早发现于核物理学领域的SU2对称。很自然地,人们根据同位素自旋值,1、1/2或者3/2等等,来对新发现的粒子进行分类。我一直都对对称的概念,以及数学上的群论方法很感兴趣。所以我想到应该把外尔的规范对称理论从U1对称推广到SU2对称。

1947年杨振宁笔记中的一页(由杨振宁先生提供)

蒲慕明:也就是说,您是从数学理论出发得到可以解释物理事实的理论。很多人说这是您的独特之处。

杨振宁: 但是这个过程不是一帆风顺的,因为U1对称是对易对称而SU2对称是非对易对称:在数学上,非对易对称的最初几步运算可以很简单,但是算到后面会变得越来越复杂,以至于我只能暂时把它搁置起来。过了几年,又发现了更多新的粒子,这让我感觉到,我们对于普遍原则的需求更加迫切了,于是我又回来重新考虑这个问题,结果又遇到了同样的麻烦,卡在同一个地方。

从1947年到1954年,这样的过程我重复了三、四次。在那之后,1953到1954年,我到布鲁克海文国家实验室访问,和米尔斯共用一间办公室。米尔斯当时刚刚博士毕业,非常年轻也非常聪明,他同时也是一位虔诚的基督徒。很自然地,我们讨论了很多物理问题,其中也包括我为创建SU2规范理论而做过的那些失败的尝试。在一次讨论中,我们注意到在计算后期产生了很多复杂的二次项和三次项。那么我们能不能在开始的时候加入一些二次项和/或三次项,从而把后期产生的二次、三次项消掉呢?结果,我们只加入了一个二次项,就奇迹般地把后面产生的所有那些复杂的、“坏” 的东西全都消掉了!消掉之后,我们得到了非常漂亮的数学结果,那一刻我们就知道,这是挖到宝贝了。

赵午:在这之后就很顺利了吧?

杨振宁: 也不是。按照我们当时的理论,应该存在一种有电荷但是没有质量的粒子,而这样的粒子无论如何是不可能存在的!

1954年2月,普林斯顿高等研究院当时的院长罗伯特·奥本海默(Robert Oppenheimer)听说了我们的工作,于是叫我回研究院做一个报告。我去了。当时沃尔夫冈·泡利(Wolfgang Pauli)在座。泡利当时也做了类似的工作,并且也遇到了有电荷无质量粒子的麻烦。在我做报告的过程中,他提了很多问题,让我吃了很多苦头。我在后来发表的《文选暨评注》(Selected papers with Commentary)中详细描写了当时的细节。回到布鲁克海文之后,我和米尔斯又花了几个月的时间,想要解决这个问题,但是没有成功。

这个理论如此漂亮。我们能不能在其中包含尚未解决的问题的情况下,就把它发表呢?

我们为这个问题纠结了很久,最后还是决定发表,因为它真的是非常非常漂亮。而且,场论也还没有得到数学上的精确描述。场论的发展困难重重,但是这并没有阻止它在重整化方案中获得神奇的成功。所以,场论有可能在将来解决我们遇到的问题。

而泡利的选择是不发表。

蒲慕明:感谢您对杨-米尔斯理论诞生历程的细致回顾。我们还想问一个杨-米尔斯理论诞生之后的问题。有电荷无质量粒子的问题后来是如何解决的?

杨振宁: 是由对称性破缺这个新概念的引入而解决的。对称性破缺将自然界中的三种力(强相互作用力,电磁力和弱相互作用力)非常漂亮地定量统一在一起,由此得到了人们现在所说的标准模型。标准模型已经在数百个实验中得到了验证。它应该被认为是过去60到70年中实验和理论高能物理界中最辉煌的成果。已经有十几位理论和实验物理学家因此而分享了几次诺贝尔奖。

纤维丛理论,数学和物理

蒲慕明:有人说,您在20世纪70年代将数学和物理这两个学科连接在了一起。给我们讲讲这个故事吧。

杨振宁: 1975年,吴大峻和我发表了一篇文章,内容是物理学家的电磁场理论,以及它和数学家的纤维丛理论(Fiber Bundle Theory)之间的关系。为了说清楚这两个理论之间深层次的相互关系,我们建立了一个二者之间的名词对照词典。1976年,伊莎多尔·辛格(Isadore Singer)刚好到纽约州立大学石溪分校访问,我就把这篇文章拿给他看。他把这篇文章带到了牛津,给迈克尔·阿蒂亚(Michael Atiyah)和其他的数学家看。他们都对这篇文章很感兴趣,并且开始研究规范场理论相关的数学问题。结果是,在接下来的一段时间中,数学家和物理学家之间开展了很多非常紧密的合作。我想,在这两个学科的长期历史中,这都是一个有重要意义的事件。1988年,辛格在一篇关于外尔的文章中回顾了这段故事。下面是辛格在文章中引用的吴-杨词典:

当我认识到规范场理论的方程其实是数学中的一个理论,也就是纤维丛理论方程的一个特例,我感到非常的吃惊。我曾经和纤维丛理论的创始人之一陈省身先生有过一段对话。在一篇1979年纪念爱因斯坦百年诞辰的文章中,我这样回顾了这段对话:

1975年,规范场和纤维丛之间存在关联这个事实深深打动了我,所以我驱车前往伯克利附近的埃尔塞里托,去陈省身先生家中拜访他。(在20世纪40年代早期,我曾经上过陈先生的课。他当时是中国昆明西南联合大学的一位年轻教授,而我是西南联大的本科生。那时候,纤维丛理论还没有成为微分几何领域中的重要理论,陈先生也还没有因为他在广义高斯-博内理论和陈类(Chern classes)方面的重要贡献而被载入史册。)我们聊了很多话题:朋友、亲戚、祖国。聊到纤维丛的时候我说,从吉姆·西蒙斯(Jim Simons)那里,我终于体会到了纤维丛理论的美,也了解了深奥的陈-外尔定理。我说我对规范场与纤维丛之间的精确对应感到十分惊讶,数学家竟然可以在完全没有物理世界实际依据的情况下创造出这样的理论。我补充说“我既惊恐又疑惑,你们数学家可以凭空想象出这些概念来。”他马上反驳说:“不,不。这些概念不是凭空想出来的。他们是自然的、真实的。”

关于“科学研究的品味”

蒲慕明:弗里曼·戴森(Freeman Dyson)曾经称您为保守的革命者。您同意吗?

杨振宁: 在他这样说之前,我从没想过我是保守的。他在1999年的演讲中这样说之后,我想了想,觉得他是很有道理的:我重视传统,通常只在必要的情况下,才会去探索新的方向。

蒲慕明:这和科学研究的品味(taste)是相关的。您经常说做科学研究,有自己的品味是非常重要的。

杨振宁: 没错,而且我还要说:不只是大的科学问题需要品味。即便是对一个研究生,发展自己的品味也很重要,他需要判断哪些观点、哪类问题、哪些研究方法是自己愿意花精力去做的。品味的形成受到很多因素的影响,与个人的能力、家庭环境、早期教育、自身的性格,还有运气都有关系。

蒲慕明:您自己的物理学品味是怎样形成的?

杨振宁: 我数学很好,但是我父亲不支持我学数学,因为他认为当时的中国不需要数学。非常幸运的是,在大学期间,我在战时的昆明遇到了吴大猷和王竹溪两位老师。他们指引我进入了物理学中的一些领域,而这些领域后来发展成了非常重要的研究方向。在这两个新生领域中的研究工作,对我的研究品味与风格产生了重要的影响。

关于“中国科学发展”

杨振宁: 你刚刚说中国科学家特别用功、特别专注、特别能坚持。中国当初能够在非常落后的条件下完成人工合成牛胰岛素,并发现抗疟药物青蒿素,这些因素都是很重要的原因。

我同意你的观点,还想做一些补充。

中国有独特的儒家文化。儒家文化:

  • 重视努力与坚持;
  • 把家、国放在个人之前;
  • 非常重视教育。

蒲慕明:我非常同意。但是儒家的传统会不会过于保守?

杨振宁: 和美国的文化传统相比,中国的文化传统确实是比较保守的。但是保守是坏事吗?我的回答是:在某些方面确实不好。但我觉得美国的文化传统可能更不好。它太 “激进” 了。

赵午:中国经济的快速发展是不是也和这些文化传统有关系?杨振宁: 我想有非常密切的关系。

赵午:所以从经济发展的角度看,是不是可以说保守、尊重权威都是好的?可以所有人都为了共同的目标而努力?蒲慕明:没错。但是太过保守可能会导致科学发展缓慢。

杨振宁: 对。要决定一个国家的科学发展应该保守还是激进,这是一个非常复杂的问题。

我想这其中应该有两个基本原则:第一是国家利益要高于团体利益;第二是要奉行中庸之道,不走极端。

蒲慕明:我感觉现在有很多对中国发展政策的误解。比如说一带一路倡议本来是合作、友善的计划。但是在美国的眼中,这就是中国要谋求霸权。

杨振宁: 美国很害怕中国取得成功,一带一路是这样,我们在非洲的成功也是这样。我想这些成功和儒家传统中为人处世的态度有很大的关系,美国人、英国人、日本人的处世态度和中国人是完全不一样的。我不知道有没有人做过相关的研究。

蒲慕明:现在整个世界都受到民粹主义、极端民族主义和种族主义的巨大影响。全球的科技发展也不可避免地会受到这些因素的影响。你对此怎么看?

杨振宁: 我同意。

赵午:西方国家曾经把非洲变成自己的殖民地,他们那时候去非洲的目的就是要去掠夺资源。但一带一路不是这样,它是一个互利、共赢的模式。

杨振宁: 我们从大的方面讲,中国从孔夫子的时候就开始讲 “有教无类”。所以类似印度种姓制度的现象是不可能出现在中国的。在生物学中,生物都需要有原始的 “非我族类” 的概念,但是中国文化用一种非常聪明的方式把这个概念模糊掉了,我们的教育传统中,从最早的婴儿时代开始,就在强调 “和为贵”。

关于“开展国际大科学项目”

蒲慕明:可能是受到国际政治、经济竞争的影响,我国领导人开始讲,在过去的国际大科学计划中,中国通常只是不太重要的参与者,他们希望中国科学家能够组织和主导一批新的国际大科学计划。几个领域的科学家已经开始准备这一类项目的计划书。在不久之后,中国科学家应该就会按照政府的要求来实施这些计划。您认为这是一个可以实现的,现实的期望吗?

杨振宁: 在一些领域中,中国科学家已经是世界领导者。我想对于这些领域来说,这一类大项目是值得去做的。但这样的项目会耗费巨大的资源。

蒲慕明:现在中国政府和学术界都同意要提高国家对基础研究的投入。我们现在的基础研究投入只占GDP的0.7%,这个比例远低于美国和欧盟。但是关键问题是:应该加强对哪些基础研究的投入?是大科学还是小科学?你可以投入很多资源来建设几个基础研究的大装置,也可以把钱分散投给很多个小实验室和小研究项目。

杨振宁: 我的观点是:中国经济在过去40年中取得了辉煌的成功。前瞻性的大工程在这一成功中扮演了重要的角色。但是这种模式不适用于基础科学的发展,因为基础科学中的革命性突破从来都不来源于大科学工程,而是来源于少数个体的智慧。电磁理论、达尔文理论、核聚变、半导体、双螺旋、青霉素,所有这些基础科学中的伟大变革都是由少数个体用很少的经费做出来的,而不是大科学项目的成果。

回顾,遗憾与建议

赵午:在您的学术生涯中,您对科学和社会都做出过非常重要的贡献。在这个历程中,您也一定做过很多次决定。那么当您回顾过去的时候,有没有什么遗憾的地方?会不会想当时本应该做另一个决定?

杨振宁: 当然有。在物理学研究方面,我最大的失误是,在60年代的时候我不喜欢 “对称性破缺” 这个概念。我在《文选暨评注》中也说过这个问题。

除此之外,在物理学研究方面,我没有其他非常后悔的地方了。在人生的轨迹中,我做过很多非常正确也非常重要的决定:我1971年回国访问,后来在2003年左右决定完全回国,2004年我和比我小54岁的翁帆结婚。这些都是正确的决定。

赵午:最后,我们还有一个很简单的问题。我们想请杨先生给年轻人提些建议。很多年轻人非常努力,但是不知道怎么做才能做得更好。

杨振宁: 我想,中国的年轻人对自己兴趣的重要性常常不够顾及,这可能是受到了中国教育体制和社会风气的影响。年轻人总是被教导要服从社会需求,但是很少有人告诉他们,要去发现自己的兴趣、实现自己的兴趣。所以我给中国年轻人的建议是,要更加关注自身兴趣的发展。但是如果你让我给美国的年轻人提建议,我会建议他们对自己所谓的兴趣少关注一点,也要多考虑社会和科学的发展趋势。

当然,这也是给中国家长和老师的建议:希望你们能鼓励和培养年轻人的兴趣。

作者简介蒲慕明是NSR执行主编、中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心学术主任;赵午是加速器物理学家、斯坦福大学教授。”

本文英文原文于2019年8月7日在线发表于《国家科学评论》(National Science Review,NSR ),原标题为“Conversation with Chen-Ning Yang: reminiscence and reflection”。NSR是科学出版社旗下期刊,与牛津大学出版社联合出版。《知识分子》获NSR授权刊发该文中文版。

原文链接:https://doi.org/10.1093/nsr/nwz113


来源:知识分子


 

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