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都說楊振寧是目前頂級的科學家,那他到底有什么偉大成就?能通俗地講一下么?

 hse_hzh 2021-09-22

通俗地來說,楊振寧之于物理的偉大成就,等同于秦始皇統(tǒng)一中國,統(tǒng)一度量衡。

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楊振寧是因為弱相互作用下宇稱不守恒理論一舉獲得諾貝爾物理學獎的。然而,這還不是他的最高成就,他還有更多開創(chuàng)性的研究。

比如,相變理論的研究他早了其他同仁十余年之久,在后來引發(fā)了愛因斯坦的高度關注。他的楊- Baxter方程,超導體磁通量子化的理論解釋,楊- Mills規(guī)范場論等諸多理論,在后來的物理學研究中被廣泛運用,成了現(xiàn)代物理科學的基礎理論。

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其中,楊-米爾斯理論是楊振寧最大的貢獻,這是現(xiàn)代規(guī)范場論和粒子物理標準模型的基礎。

物理學家到底在研究什么?

自然界中有各種各樣的現(xiàn)象,有跟物體運動相關的,有跟聲音、光、熱相關的,有跟閃電、磁鐵相關的,也有跟放射性相關的等等。物理學家們就是去研究各種現(xiàn)象背后的各種規(guī)律,然后得到了大一堆關于力學、聲學、光學、熱學方面的定律。

但是物理學家們并不滿意,因為各種定律太多了!想想看,如果每一種現(xiàn)象都要用一種定律來描述,那就相當于你去買蘋果要帶一桿秤,去買梨要換一桿秤,去買大米的時候又要換另一桿秤,你得準備多少秤阿。所以物理學家就有一個理想:用更少的定律來描述更多的現(xiàn)象。把一些表面上看起來毫不相關的現(xiàn)象用同一種理論去描述,或者最終用一套理論來描述所有的已知現(xiàn)象。簡單來說,物理世界最好也只用一桿秤。

這個事情,本質(zhì)上來說其實就跟秦始皇要統(tǒng)一六國一樣,不允許有各自為政的國家存在,必須讓所有人遵守同樣的法令,用同樣的語言和文字,同樣的度量衡,這樣麻煩才少。所以物理學家位一直在不孜孜不倦地追求最終的統(tǒng)一之路。

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統(tǒng)一,統(tǒng)一,還是統(tǒng)一!

首先,牛頓統(tǒng)一了天上和地上的力。其次,麥克斯韋統(tǒng)一了電、磁、光。

于是,到了19世紀,隨著人們對微觀世界研究的深入,許多在宏觀上風牛馬不相及的東西,在微觀層面上卻很好地統(tǒng)一了起來。比如支持力、彈力、摩擦力之類的東西,在宏觀上它們確實是不同的東西,但是到了微觀層面,這些亂七八糟的力全都是分子間作用力形成的,而分子間作用力本質(zhì)上就是電磁力。再深入,這些分子、原子運動的快慢,在宏觀層面上居然體現(xiàn)為溫度,然后熱現(xiàn)象就變成了一種力學現(xiàn)象。所以,到了19世紀末,人類所有已知現(xiàn)象背后的力就都歸結為引力和電磁力,其中引力由牛頓的萬有引力定律描述,電磁力由麥克斯韋方程組描述。

但是問題也隨之出現(xiàn)了,那就是麥克斯韋方程組和牛頓力學這套框架居然是矛盾的,難道是他們誰錯了?愛因斯坦老先生研究了一下,說麥克斯韋方程組沒毛病,牛頓的力學框架有問題。于是愛因斯坦熬夜升級了一下牛頓的力學的框架,在新框架下跟麥克斯韋方程組就不沖突了,這套升級后的新框架后來有了一個響亮的名字——狹義相對論(我們稱新秤)。

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讓愛因斯坦都頭疼的難題

在狹義相對論下,麥克斯韋方程組不用做任何修改就能直接用新秤稱。另外,牛頓力學里有些東西雖然不能直接搬過來秤,但是稍微修改一下就可以用新秤稱。但也有一類東西,無論怎么改都沒辦法用新秤稱,我們暫時叫它——刺頭。

刺頭很讓人很頭痛,不過好在就一個,它就是——引力。牛頓的萬有引力定律裝在牛頓力學的秤稱一點問題沒有,但不管怎么改,它就是沒辦法狹義相對論這桿秤稱,那要怎么辦呢?于是愛因斯坦另辟蹊徑,另外提出了一套新理論來描述引力,這相當于給“引力”單獨準備了另一桿秤。結果這套新“引力”理論大獲成功,而且愛因斯坦提出這套新理論的方式跟以往的物理學家們提出新理論的方式完全不一樣,這種新手法帶來夢幻般的成功驚呆了全世界的物理學家,然后愛因斯坦就成了神一般的人物,這套新理論后來也有了一個響亮的名字——廣義相對論。

至此,愛因斯坦用狹義相對論安置好了電磁力,用廣義相對論馴服了引力之后,接下來要做的事情就很明顯了:要統(tǒng)一引力和電磁力,就像當年麥克斯韋統(tǒng)一電、磁、光那樣,畢竟用一套理論解釋所以的物理現(xiàn)象是物理學家們的終極夢想。

然而,愛因斯坦窮盡他的后半生都沒能統(tǒng)一引力和電磁力。不僅如此,隨著實驗儀器的進步,人們撬開了原子核,在原子核內(nèi)部又發(fā)現(xiàn)了兩種新的力:強力和弱力。這下可好,不但沒能統(tǒng)一引力和電磁力,居然又冒出來兩種新的力。所以,擺在科學家面前的局面又變成了有四種力:引力、電磁力、強力和弱力各自為戰(zhàn),并且強力和弱力都暫時還沒有稱它的秤,說統(tǒng)一就更談不到了。

到了這里,楊振寧的楊-米爾斯理論就登場了。

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直接說結論:現(xiàn)在強力就是用楊-米爾斯理論描述的,弱力和電磁力現(xiàn)在已經(jīng)實現(xiàn)了完全的統(tǒng)一,統(tǒng)一之后的電弱力也是用楊-米爾斯理論描述的。也就是說,在四種基本力里,除了引力,其它三種力都是用楊-米爾斯理論描述的,所以你說楊-米爾斯理論有多重要?你說楊振寧的成就有多偉大?

楊振寧是世界上最偉大的物理學家之一

除了上面的貢獻,楊振寧在粒子物理學,統(tǒng)計力學和凝聚態(tài)物理等領域同樣做出了里程碑式的貢獻。他甚至提出過其他諸多理論和模型,雖然在當時他提出的很多內(nèi)容無法用實驗來驗證正確與否,但隨著近些年來科學技術他的越來越多的理論都得到了證實。他的成就足以睥睨世界科學史上任何一位偉大的科學巨匠,人們將他與愛因斯坦并舉,說他是在世最偉大的物理學家之一,他是實至名歸!

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