楊振寧的規範場有多厲害？

楊振寧先生的貢獻，宇稱不守恆，打破了諾貝爾獎頒獎的時間記錄，比愛因斯坦快了整整16年。可是，跟楊-米爾斯理論相比，它簡直不值一提。

如果把人類的科學發展比作一場大型的通關遊戲現場，攻克宇稱不守恆，不外乎刷了支線任務小BOSS，算是錦上添花。但是，發現楊-米爾斯方程，堪稱人類科學有望遊戲通關級別的成就。單憑諾貝爾獎，並不足以說明它的重要性。

我們之所以一直說，物理學界大神排名，一牛二愛三麥，楊振寧坐五望四般的存在，楊振寧封神之作，只能是楊-米爾斯理論。

物理學的主線劇情——大統一之路

物理學的終極教義是——大統一。

物理學

大自然中有各種各樣的現象，有的跟物體運動相關，有的跟聲音、光、熱相關，還有的跟閃電、磁鐵相關等等。物理學家們每天飯都趕不上去吃，就是沉迷於研究各種現象背後的規律，然後他們總結出了一堆關於力學、聲學、光學、熱學、電學之類的定律。

人類社會在科學理論的幫助之下，從幾百年前沒事玩個焰火，到現在沒事躺在床上刷手機，可謂日新月異。但是有一個問題一直困擾著我們——定律太多了！

《名偵探柯南》中工藤新一告訴我們，真相只有一個！

那麼在紛亂的表面現象之下，有沒有可能最終用一套最基礎的理論來描述所有的已知的事情？

這是物理學家們的終極夢想，物理學的統一之路，也就這樣轟轟烈烈的開始了。物理學史上，大家公認的大神無一不是在「大統一」上留下名字的人。

牛頓

第一個登場的就是號稱人類缺了他，好比漫漫長夜缺了光的——牛頓。

牛頓以一本《自然哲學的數學原理》，把數學引入了自然科學的國度，一舉拿下了當時天上和地下所有的力！大至天上的行星，小到地上一塊石頭，其運動軌跡都按牛頓的意思運行不悖。

蒸汽機之後，電的發明讓人類世界走進光明時代。麥克斯韋方程組，一舉統一了電、磁以及光。將宏觀世界裡面，看起來風馬牛不相及的東西，在微觀層面第一次統一了起來。

麥克斯韋

舉個簡單的例子，宏觀上彈力、摩擦力之類的東西，在微觀層面上，都是分子間作用力——電磁力。並且，順理成章的，熱現象的本質——分子原子運動的快慢程度也被發現，熱現象從此也被統一到力學中來。

這就是物理學的黃金年代，19世紀末期，人類所有已知現象背後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。

橫空出世的愛因斯坦

19世紀末，20世紀初，大家眼中的分歧只剩下引力和電磁力。簡單的說，牛頓開宗立派的萬有引力定律和麥克斯韋的方程組，仍舊無法取得統一。

1905年，被稱為近代物理的第二個奇蹟年，因為這一年，有一個叫做愛因斯坦的年輕人橫空出世，其中的一篇誕生出——狹義相對論。

還是我，愛因斯坦

狹義相對論很牛，因為它一方面能夠完美的包容麥克斯韋方程組，另一方面使得牛頓力學中除引力之外，大部分的東西只要稍稍修改一下，也能完美入駐其中。然後他十年磨一劍，1916年再次出手，一舉拿下頑抗的引力，它的名字就是——廣義相對論。

至此，愛因斯坦用狹義相對論融合了電磁力，又用廣義相對論馴服了引力，按照物理學的通關攻略，那就是把主線終極BOSS刷掉了一半血，因此愛因斯坦也成功封神。

愛因斯坦信心滿滿，決定繼續按照自己的套路，把引力和電磁力再湊合到一塊，用一套理論解釋全部物理現象，徹底打掉終極BOSS，讓物理學派門人可以一勞永逸安心玩耍。

但是命運不按套路出牌！愛因斯坦縱使天縱英才，但窮極一生，都沒有統一引力和電磁力，這是他悲劇的宿命，這茬我們今天不聊。

接過愛因斯坦火炬的楊振寧

隨著技術的進步觀測手段的提高，人們撬開了原本以為是終點的原子核，這下如同打開了潘多拉的魔盒，發現了還有兩貨在底下——強力和弱力。

這下終極BOSS不但血沒掉，反而升級回血了！自然界的基本力，變成了4種——引力、電磁力、強力以及弱力！

四種基本力

刷怪遇上怪開掛，誰能橫刀立馬？唯我楊振寧！從愛因斯坦手中接過火炬，平定亂世的就是楊振寧以及他的楊-米爾斯理論了。

我先給結論吧，楊-米爾斯理論是一套非常基礎的理論，它為當時的前沿科學指明了方向，貼心的提供了一個非常精妙的理論模型，讓一眾跟隨其腳步的小弟拿諾貝爾獎，拿到手軟。

諾貝爾獎

蓋爾曼從楊-米爾斯理論出發，創立量子色動力學（QCD），完整的描述了強力，然後給諾貝爾獎。

格拉肖、薩拉姆和溫伯格，遵循楊-米爾斯理論，進而完成了電磁力和弱力的統一，然後給諾貝爾獎。

可以說，目前物理世界已知的四種基本力，除了引力之外，剩下的電磁力、強力、弱力都是用楊米爾斯方程描述的。楊振寧先生的理論從誕生開始的幾十年時間裡面，至少完成了物理終極理想的75%！

這幾乎是前無古人後無來者的壯舉啦，楊-米爾斯方程絕對稱得上是並肩麥克斯韋方程組、廣義相對論，物理學界最重要的方程組之一。

楊振寧先生的歷史地位，物理界坐五望四；活著的物理學家之中，當世第一人，當之無愧。

楊振寧的三種武器——對稱性

如果單單抱著八卦一下的心態，那麼上面的物理學理論統一簡史，對於楊-米爾斯理論以及楊振寧先生的學術地位，已經相當完備了，我們可以打完收工。

可是，有同學仍然意猶未盡，出於自虐的心態問出——為什麼歷史會選擇楊振寧先生？楊-米爾斯理論其他人能否把這個公式湊出來？

楊振寧先生

這個問題的答案構成我們科普的後半段，就不是那麼平易近人的了，我試著儘可能的通俗，各位同學能否參透，請自求多福吧。

這位同學的提問很有代表性，因為忽略了一個不廣為人知的事實，物理學傳統研究方式從愛因斯坦開始就被顛覆了！

正是愛因斯坦的出現，讓20世紀的物理學家們能夠遊刃有餘的處理比之前複雜得多的物理世界，讓他們能夠大膽的預言各種超出普通人想像到狂野的、甚至是背離客觀經驗的東西。例如——相對論裡面的鐘慢尺縮光速不變。

愛因斯坦的宇宙

楊振寧先生，很好的接過了愛因斯坦的火炬。

以前物理學家通過做各種實驗，測量各種數據，然後分析數據裡的規律，如同猜謎語般，最後用一組數學公式來「解釋」這些數據，這就是宏觀物理定律的由來。

簡單的說，按照的是實驗-理論-對稱性這樣一套路來。例如牛頓和麥克斯韋。

愛因斯坦發現世界悄悄的起了變化！他意識到當理論變得複雜的時候，試圖從實驗去歸納出理論的方式是行不通的！於是他獨創了一套新的玩法——對稱性-理論-實驗，把對稱性研究變成了決定理論的核心，實驗則變成了驗證理論的工具。

由此出發，愛因斯坦完成了偉大的廣義相對論。所以有人說，沒有愛因斯坦，狹義相對論遲早會有人發現，但廣義相對論則很可能還得推遲50年，關鍵點就在於此！因為他是創立這個研究方法的第一人！

楊振寧先生是最先理解愛因斯坦精髓的人——對稱性研究才是核心！

簡單的對稱性

宇稱不守恆，就是他小試牛刀的產物。如果不是專注於對稱性，又如何能發現微觀粒子的弱力不遵守宇稱？

宇稱不守恆只是起點，更大的挑戰還在前方。

楊振寧的三種武器——群論

我們這裡穿插一個知識點——群論。看了覺得懵的同學，放心，這是正常現象。

群論得離不開集合，集合簡單來說就是把一堆「東西」放在一起；這堆「東西」我們把它稱之為對象，對象之間的互相作用我們稱之為操作或者運算。

其中有種特殊的集合+運算就是群。打住，再往下就得開一門900學時的課程了，我們只需要記住——群的作用是描述對稱。

迷宮

愛因斯坦告訴我們，物理定律離不開對稱，楊振寧告訴我們，要發掘對稱離不開群論。群論是保證你在尋找對稱性時，通過迷宮的鑰匙！沒有群論去瞎整對稱性，那叫瞎子摸象。

放在現在這叫做常識，但50年前，這個觀點叫荒誕。當時除了楊振寧、泡利、外爾等寥寥幾人關注以外，其他人對此根本就不關心。

破解對稱性的利器——群論

諾特定理的發現讓物理學家們重視對稱性，但是他們對群論這種研究對稱性的數學語言，卻沒有足夠的重視。當時很多物理學家都反對把群論這種過於抽象的數學語言引入到物理學裡來，泡利甚至直接把群論嘲諷為「群禍」。其他的科學家，例如薛丁格，也贊同泡利的觀點；甚至愛因斯坦本人，也只是把群論當做一個無關緊要的事情對待。

楊振寧在其他物理學家還在普遍懷疑群論的年代，他已經很好的掌握了群論，這得感謝他有一個數學家出身並且擅長群論的父親——楊武之教授。楊教授在清華開的課程就是群論，楊振寧自然是虎父無犬子。

這是如此，楊振寧完成了所有的準備，楊-米爾斯理論呼之欲出。

楊振寧的三種武器——規範場

有了上面的兩個知識點的儲備，楊振寧先生進入衝刺階段，這一路奔跑就是14年！

德國數學家外爾首先發現了U（1）群整體規範對稱性對應電荷守恆，他原意是把電磁場幾何化，把整體對稱性推廣到局域，直接得到整個電磁理論——把麥克斯韋方程規範場化。

楊振寧看了外爾的論文，他的目光越過了電磁力，他決定將強力、弱力裡通過把某種規範對稱性從整體推廣到局域，進而可以得到關於強力、弱力的規範場理論！

然而要推廣外爾的思路可不簡單，關鍵點就是要找到新的對稱性。

楊振寧是幸運的，他找到了——強相互作用裡面的同位旋守恆。

自旋特性

外爾把U（1）群的整體規範對稱性推廣到了局域，因為U（1）群是阿貝爾群，所以這個過程相對簡單；同位旋對稱相對應的群叫SU（2），楊振寧要做的是把SU（2）群的整體規範對稱推廣到局域，但SU（2）群是非阿貝爾群，情況則複雜得多！SU（2）群沒有現成的理論可供推廣，一切都得從頭搭建。

楊振寧先生的最後衝刺，從1941年開始，整整堅持了14年！

1954年，楊振寧和米爾斯一起發表了劃時代的論文《同位旋守恆和同位旋規範不變性》和《同位旋守恆和一個推廣的規範不變性》。

楊振寧論文

這兩篇論文正式宣告了楊-米爾斯理論的誕生！

可以這麼說，楊-米爾斯方程給出了一個標準的套路，大家按照套路來，能直接從強力和弱電理論裡預言未被發現的粒子。以前是實驗物理學家發現了新粒子，理論物理學家再去琢磨著怎麼解釋；現在則是理論物理學家預測粒子，實驗物理學家再去找。只要實驗條件具備，可謂十拿九穩，諾貝爾獎拿到手軟，大家都很開心。

希格斯粒子發現

步入21世紀，隨著希格斯粒子的發現，楊振寧理論的最後一塊拼圖已經拼上。世界的本質，這個近乎哲學思辨的問題，在楊振寧理論的框架下，居然獲得了幾乎完美的解答。

結語

大體上，初中畢業的同學，一定知道牛頓。有幸上過高中，考試時也記住了愛因斯坦。但是，在只有4%人口經歷過本科教育的如今，楊振寧先生的確是被社會忽略了。

宇稱不守恆、楊-米爾斯理論到底是什麼鬼？哪裡比得上老夫少妻娛樂花邊新聞奪人眼球！

楊振寧先生

楊振寧先生71年就回國幫助中國，為中國協助或者直接建立一流物理實驗室60餘座，為清華大學和南開大學一共籌集2億美金的科研經費。他以一人之力以清華大學的名義發表SCI論文三十多篇冷原子、凝聚物理科研水平一下子提高了幾十年！

四十多年前楊振寧就反對國家在北京建正負電子對撞機，支持大力發展半導體和晶片，結果沒聽他的聽了李政道的，後面除了出了幾篇論文啥也沒撞出來，現在機子也廢了。倒是半導體晶片又耽誤了被美國高通....等企業卡脖子，可見楊老眼光之長遠……