理解杨振宁（一）从宇称到场论 | 袁岚峰_风闻

风云之声-风云之声官方账号-2019-12-19 22:05

2019-12-19

导读

宇称不守恒的意思就是，可以定义绝对的左右。

如大家所知，杨振宁先生是安徽合肥人。最近，合肥科技馆打算建一个杨振宁陈列馆，找我来为杨先生的科学成就做一个介绍。这对我当然是一个非常荣幸的任务。

杨振宁

我清楚地记得，小时候看世界科学史，杨振宁和李政道获得诺贝尔奖的故事对我就是一个巨大的鼓励。正如杨振宁所言：“我最重要的贡献，就是帮助克服了中国人自觉不如人的心理。”

李政道、杨振宁获诺贝尔物理学奖

不过，大多数人都不清楚杨振宁具体做出了什么科学成就。这使得许多人在谈到杨振宁的时候，完全不得要领。你随便上网一看，就能见到许多无知而恶意的言论。对于这种状况，我深感痛心。

实际上，正确的思维方式是，评论一个名人，应该先了解他的核心成就，也就是说，他是因为什么硬的、与众不同的事情成名的。今天，我就来向大家介绍一下杨振宁的科学成就。

可能有很多人听说过，杨振宁和李政道获得诺贝尔奖的原因是，发现了“宇称不守恒”。但宇称不守恒是什么意思呢？大多数人恐怕还是“不明觉厉”。

我可以用一句话解释：宇称不守恒的意思就是，可以定义绝对的左右。这是一件非常惊人的事。

为什么惊人呢？下面这个场景，可以让我们理解定义左右是多么困难。

设想我们跟一个遥远的外星文明联系上了，双方可以通话，但不能见面。大家先不要刷“不要回答！不要回答！！不要回答！！！”，我们暂且假设这个文明是善意的。双方聊得很开心，然后很快就可以对对方有很多了解。

比如外星人问地球人：你们有多高啊？

地球人说：大约1.7米。

然后外星人问：请问什么叫做1米？

地球人回答说：你们知道氢原子吧？就是一个质子和一个电子组成的最小的原子。按照我们的单位制，1米大约是氢原子半径的200亿倍。

氢原子

外星人回答说：很好，我们知道氢原子。原来你们的身高大约是氢原子半径的340亿倍，明白了。

然后，地球人向外星人介绍自己的身体结构。但当地球人说到“我们的心脏位于左边”的时候，外星人又要问了：请问什么叫做左边？

心脏位于左边

这时你就会发现，没办法回答他。

为什么没办法呢？让我们想想，我们平时是怎么定义左右的。

最容易想到的定义是，左手的方向叫做左，右手的方向叫做右。但这其实是循环论证，如果不先定义左右，你怎么知道哪只手是左手，哪只手是右手呢？

兔子舞：Left, Left, Right,Right, Go, Turn Around, Go Go Go …

因此，当我们教一个小朋友左右的时候，少不了面对面的交流，拿着他的胳膊说：这是左手，这是右手。但现在跟外星人并不能见面，所以你没办法指给他看。

左手指月：左手拈着花，右手舞着剑……

正是因为日常生活中左右的定义来自死记硬背，所以有不少人经常分不清左右。例如每当军训齐步走的时候，就会见到有人顺拐！

军训顺拐

让我们仔细想想，为什么对外星人解释长度就可以，而解释左右就不行呢？

这里的关键在于，用物理规律可以分辨不同的长度，但无法分辨左右。

为了定义长度，我们告诉外星人的不是银河系的半径或者地球到太阳的距离，因为这些量在原理上可以在很大范围内变化。我们告诉外星人的是氢原子的半径，这是全宇宙统一的，只要懂得量子力学就能计算出来，所以外星人能够理解。

而如何才能定义左右呢？它们互为镜像，所以这个问题等价于在一对镜像中指定一个为左，一个为右。

左右镜像

比如说，你在镜子前挥舞左手，镜子中的你在挥舞右手。如果给别人看这两段录像，他能不能分辨哪个是镜子外的，哪个是镜子内的？

在日常经验的范围内，答案显然是：无法分辨。

为什么无法分辨呢？因为镜像世界和现实世界服从相同的物理规律，两者同样都是有可能出现的现象。

这种状况，就叫做宇称守恒（parity conservation）。我们平常所知的物理规律，无论是力学规律、电磁学规律还是热学规律，全都是宇称守恒的，也就是说无法分辨镜像和现实。

也许你还想问，“宇称”（parity）这个词是什么意思？

宇称是一种对称性，“称”字来自对称。“宇”字表示空间，正如古人常说的：“四方上下曰宇，往古来今曰宙。”所以看到宇称这个词，你很容易就可以理解它是一种关于空间的对称性。

具体而言，宇称是关于空间反演的对称性。所谓空间反演就是把坐标矢量反向，也就是把x变成-x，把y变成-y，把z变成-z，由此造成的效果相当于镜像。所以在宇称守恒的操作下，一个现象如果是可以出现的，那么它的镜像同样也是可以出现的，两者同等的合法。

了解了这些定义之后，显而易见的想法就是：物理规律当然应该是宇称守恒的，这简直是天经地义的。怎么可能不是呢？你能想象大自然天生就区分左右吗？

然而，杨振宁和李政道说的就是，宇称其实并不守恒！他们指出了一类物理现象，这类现象会出现，而它的镜像不会出现。我们由此就可以分辨现实世界与镜像世界，也就可以定义绝对的左右。

回到跟外星人通话的例子，现在我们可以对他们说：在极低温下给大量的钴-60原子核加个磁场，让它们的自旋整齐地排列起来，然后观察它们发射出的电子的角度分布。假如宇称守恒，这个角度分布就是均匀的，从中不能提取出任何信息。但这里宇称不守恒，所以这个分布并不均匀。事实上，大多数电子是从与磁场相反的方向发射出去的。由此就可以把大多数电子的发射方向称为“上”，把磁场方向称为“下”。而在确定磁场方向时，用到了左手定则。所以，把这种磁场方向定义为“下”的那只手就叫做左手！

宇称不守恒实验

这些话对普通人也许难以理解，但如果外星人精通物理学，他们就会去按这样做个实验，然后恍然大悟：原来你们说的左边就是这边，明白了！

大家现在可以理解这是多么震撼了吧？怪不得他们在1956年发表这个成果，1957年就拿了诺贝尔奖。一般而言，从做出诺贝尔奖的工作到获奖，往往要等待几十年。但李杨二人却创造了一个奇迹，第二年就获奖了。这充分表现了，这个成果是多么基本，多么伟大。

特别值得一提的是，他们是以中国国籍获奖的。这对中华民族提升对科研的自信心，当然是一个了不起的贡献！

如果你还想问，宇称不守恒的是什么样的物理现象呢？回答是：所有涉及弱相互作用的现象。

让我们做一个简短的说明。人类已知的基本作用力有四种，分别是万有引力、电磁力、强相互作用和弱相互作用。其中前两种是大家非常熟悉的，初中就学到了，后两种是比较高深的。

四种基本相互作用

在原子核中，把质子和中子束缚在一起的，就是强相互作用。对，就是《三体》中用来制造“水滴”的那个。

《三体》中的强相互作用材料“水滴”

而质子和中子也不是固定不变的，它们之间可以互相转化，使它们转化的就是弱相互作用。在上面Co-60发射出电子的例子中，发生的就是中子变成质子和电子，这叫做β衰变（β decay），它就是由弱相互作用导致的。

中子的β衰变

在杨李之前，人们已经发现了这四种相互作用。但默认的看法是，这四种力都是宇称守恒的。李杨却敏锐地指出，弱相互作用中的宇称守恒其实一直没有得到过实验验证，只是个基于习惯的信念而已，因为另外三种力的宇称守恒确实是有充分的实验证据的。

李政道和杨振宁提出宇称不守恒的论文

他们不但提出了弱相互作用中宇称不守恒的可能性，而且建议了用来验证这个假设的实验。几个月以后，华人女物理学家吴健雄就和同事们做了实验，证实了他们的预测。前面说的给外星人定义左右的实验，就是吴健雄做的。遗憾的是，吴健雄没有获得诺贝尔奖，这是诺贝尔奖历史上一个著名的缺憾。

吴健雄与袁家骝

打个比方，有四个人去过安检（你可以把他们想象成F4或者刘关张赵或者唐僧师徒四人等等），安检员本来就觉得他们不可能携带危险品。查了前三个人都没问题，然后安检员就觉得第四个人理所当然也没问题，让他混进去了。这时有人跳出来说，且慢，第四个人还没查呢！结果仔细一查，——发现他带了根雷管。

——俺也一样！

——不对，有一个不一样！

事后看来，杨李对弱相互作用的怀疑是很合理的。因为当时有一个著名的疑难，叫做θ-τ之谜。实验发现了两种粒子，分别把它们叫做θ粒子和τ粒子。但很快就发现，它们的质量、寿命以及能测量出来的任何性质都是相同的，除了宇称以外。

吴健雄和θ-τ之谜的漫画

所以很自然的问题就是：θ和τ是两种粒子，还是一种粒子？如果是两种粒子，那为什么它们的这么多性质都相同？但如果是一种粒子，为什么它们的宇称又不同？这个两难选择令无数人的头发狂掉，所以叫做θ-τ之谜。

李杨对此给出了明确的回答：θ和τ就是一种粒子，它们看起来宇称不同并不构成问题，因为用来确定它们宇称的实验都涉及到了弱相互作用，这时宇称本来就是不守恒的。这就是他们关注弱相互作用中宇称问题的初始动机。

其实，当时有类似想法的科学家远不止他们两人。但其他人提出类似的想法时，都被权威压制下去了。他们的卓越之处，在于勇敢地坚持自己的看法，做出了细致的分析，而且提出了可操作的验证实验。

例如苏联神奇的物理学家朗道（Lev Davidovich Landau，1908 - 1968），他有位学生沙皮罗写了这样一篇论文给他看，被他直接扔一边去了。后来，他追悔莫及。

朗道

又如提出泡利不相容原理的泡利（Wolfgang Ernst Pauli，1900 - 1958），在杨李的文章发表后，表示他愿意下任何赌注来赌这样的实验不会成功。用他的话说，上帝不可能是个左撇子。实验结果出来以后，泡利不得不承认上帝确实是左撇子，然后自嘲说幸好没人跟他赌，否则他就破产了，这次他损失的只是声誉，幸好声誉他还有很多。

泡利

我在以前多次引用过的非常有意思的费曼（Richard P. Feynman，1918 - 1988）先生，当时也已经是个权威人物了（我引用费曼的视频分别见2018年2月1日、2018年5月17日和2019年2月15日的科技袁人Lite，视频链接https://www.bilibili.com/video/av19005329、https://www.bilibili.com/video/av23559222和https://www.bilibili.com/video/av43675235，文章链接为什么不该拿科学家去和明星比收入？听听这三位诺奖得主的故事 | 科技袁人和答疑：中国和世界级哲学家 | 科技袁人及你干吗在乎别人怎么想？| 科技袁人）。李杨的文章发表后，有一位物理学家拉姆齐想做实验来验证。费曼对拉姆齐说，他愿意用一万比1的赌注来赌这个实验不会成功，后来改成了50比1。拉姆齐听了他的没做实验，结果亏大了，于是费曼真的给了拉姆齐50美元。喂，110吗？这里有人聚赌！

费曼

现在，你可以理解宇称不守恒惊人到什么程度了吧？左右居然可以给出绝对的定义，连这么多大科学家都无法想象，对普通人来说就更不可思议了。这称得上物理学史上的一次革命！

一个人一生能做出一个像宇称不守恒这样的成果，就足以永垂史册了。但对杨振宁来说，这还不是他最重要的成果。

杨振宁最重要的成果是什么呢？叫做杨-米尔斯场论（Yang-Mills field theory），或者称为非阿贝尔规范场论（non-Abelian gauge field theory）。

杨振宁和米尔斯（Robert Laurence Mills，1927 - 1999）

限于篇幅，我们在这里不能详细介绍杨-米尔斯场论，因为这是个相当高深的理论。相比之下，宇称不守恒是很容易解释的，简直像白居易的诗一样，老太太都能听懂。

白居易：有人叫我？

非常简短地说，杨-米尔斯场论是一种数学框架。它的核心思想是，对称性决定相互作用。只要你指定一种相互作用的对称性，这个数学框架就会告诉你，这种相互作用涉及到多少种粒子，它们有什么样的性质等等。

目前，人类对强相互作用和弱相互作用的数学描述，都是建立在杨-米尔斯场论的基础上的。也就是说，四种基本相互作用中的两种，都以它为基础。这四种基本相互作用还不见得真正基本，人们还在继续尝试把它们都统一起来，这种努力也是以杨-米尔斯场论为框架的。所以跟宇称不守恒相比，杨-米尔斯场论的影响更加深远，几乎是无远弗届。