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對稱性是物理學之美的一個重要體現，是20世紀理論物理的主旋律之一。從經典物理以及晶體結構，到量子力學與粒子物理，對稱性分析是物理學中的有力工具。楊振寧堪稱最美物理學家，對對稱性分析極為擅長，能準確利用對稱性，用優(yōu)雅的方法很快得到結果，并且突出本質和巧妙之處。1999年，在StonyBrook的一次學術會議上，楊振寧被稱為“LordofSymmetry”。 1950年，楊振寧關于π0衰變的論文以及他和Tiomno關于β衰變中相位因子的論文奠定了他在此領域中的領先地位。1956年，θ—τ之謎是粒子物理學中最重要的難題，當時普遍討論宇稱是否可以不守恒。楊振寧和李政道從θ—τ之謎這個具體的物理問題走到一個更普遍的問題，提出“宇稱在強相互作用與電磁相互作用中守恒，但在弱相互作用中也許不守恒”的可能，將弱相互作用主宰的衰變過程獨立出來，然后經具體計算，發(fā)現以前并沒有實驗證明在弱相互作用中宇稱是否守恒。他們更指出了好幾類弱相互作用關鍵性實驗，以測試弱相互作用中宇稱是否守恒。 吳健雄于1956年夏決定做他們指出的幾類實驗中的一項關于60Coβ衰變的實驗。次年1月，她領導的實驗組通過該實驗證明在弱相互作用中宇稱確實不守恒，引起全物理學界的大震蕩。因為這項工作，楊振寧和李政道獲得1957年的諾貝爾物理學獎。1962年，楊振寧提出“非對角長程序(off-diagonallong-rangeorder)”的概念，從而統(tǒng)一刻畫超流和超導的本質，同時也深入探討了磁通量子化的根源。這是當代凝聚態(tài)物理的一個關鍵概念。1989到1990年，楊振寧在與高溫超導密切相關的Hubbard 模型里找到具有非對角長程序的本征態(tài)，并和張首晟發(fā)現了它的SO(4)對稱性。 八、時間反演、電荷共軛和宇稱三種分立對稱性 質疑弱相互作用中宇稱是否守恒的論文預印本引起Oehme于1956年8月致信楊振寧提出弱相互作用中宇稱(P)、電荷共軛(C )、時間反演(T)三個分立對稱性之間的關系的問題。這導致楊振寧、李政道和Oehme 發(fā)表論文57e，討論P、C、T各自不守恒之間的關系。此文對1964年CP 不守恒的理論分析有決定性的作用。 九、高能中微子實驗的理論探討 1960年，為了得到更多弱相互作用實驗信息，利用實驗物理學家Schwartz的想法，李政道和楊振寧在理論上探討了高能中微子實驗的重要性。這是關于中微子實驗的第一個理論分析，引導出后來許多重要研究工作。 十、CP不守恒的唯象框架 1964年，實驗上發(fā)現CP不守恒后，引發(fā)出眾多亂猜其根源的文章。楊振寧和吳大峻沒有理會那些脫離實際的理論猜測，而作了CP不守恒的唯象分析，建立了后來分析此類現象的唯象框架。Fermi名師高徒，我自當獨辟蹊徑。 十一、楊—Mills規(guī)范場論 1954年，楊—Mills規(guī)范場論(即非阿貝爾規(guī)范場論)發(fā)表。這個當時沒有被物理學界看重的理論，通過后來許多學者于1960到1970年代引入的自發(fā)對稱破缺觀念，發(fā)展成今天的標準模型。這被普遍認為是20 世紀后半葉基礎物理學的總成就。此論文從數學觀點講，是從描述電磁學的阿貝爾規(guī)范場論到非阿貝爾規(guī)范場論的推廣。而從物理觀點上講，是用此種推廣發(fā)展出新的相互作用的基礎規(guī)則。 引力波最近大熱，大家更了解了在主宰世界的4種基本相互作用中，弱電相互作用和強相互作用都由楊—Mills 理論描述，而描述引力的愛因斯坦的廣義相對論也與楊—Mills 理論有類似之處。楊振寧稱此為“對稱支配力量”。楊—Mills理論是20世紀后半葉偉大的物理成就，楊—Mills方程與Maxwell方程、Einstein方程共同具有極其重要的歷史地位。堪稱物理學史上的一場革命。但是楊振寧的出發(fā)點并不是要顛覆什么，而是要在復雜的物理現象背后尋找一個原理，建立一個秩序。這種秩序的建立是楊振寧追求物理學之美和追求對稱性的一個主要表現。 十二、規(guī)范場論的積分形式 楊—Mills理論還把物理與數學的關系推進到一個新的水準。1970年左右，楊振寧致力于研究規(guī)范場論的積分形式，發(fā)現了不可積相位因子的重要性，從而意識到規(guī)范場有深刻的幾何意義。 十三、規(guī)范場論與纖維叢理論的對應 1975年，楊振寧和吳大峻發(fā)表了論文75c，用不可積相位因子的概念給出了電磁學以及楊—Mills場論的整體描述，討論了Aharonov—Bohm效應和磁單極問題，揭示了規(guī)范場在幾何上對應于纖維叢上的聯絡。這篇文章里面附有一個“字典”，不禁讓人想到牛頓給這個地球寫《原理》，楊也當了一把翻譯，把物理學中規(guī)范場論的基本概念準確地“翻譯”成數學中纖維叢理論的基本概念。這個字典引起數學界的廣泛興趣，大大促進了數學與物理學以后幾十年的成功合作。 |
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