杨振宁先生去世，享年103岁｜如何理解杨振宁的科学成就？

2025 年 10 月 18 日，物理学家、诺贝尔物理学奖获得者、中国科学院院士杨振宁先生去世，享年 103 岁。他在粒子物理学、统计力学和凝聚态物理等领域作出里程碑性贡献。对于杨振宁先生，任何「杰出」、「卓越」之类的字眼都显得苍白，他不仅仅是解决了几个问题，或是发现了几条定理，他是从根本上改变了我们理解宇宙的语言和秩序：答主@高山书院

提到杨振宁，几乎所有人都知道他是诺贝尔物理奖得主。

但他的学术成就到底是什么？

没几个人能说得上来。

宇称不守恒、杨-米尔斯方程，有时候可能连名称都念不对。

因为对他研究成果的不理解，更多人关注的是他身上科学成就之外的东西：国籍、婚姻、关于对撞机的态度......之所以会出现这样的状况，一是因为他研究的东西我们在生活中不会直接接触；二是因为他研究的东西，普通人一般也理解不了。

下面展开说一说，杨振宁在学术上到底有多牛。

牛顿，图自Pixabay在说杨振宁的学术成就之前，先来说说「路径依赖」。

在牛顿时代和之后的 200 年，物理学家是怎么做研究的？

就是做各种实验，通过实验发现规律，最后用数学公式来解释此规律（找到对称性），牛顿三大定律就是这么得来的。

当时的物理研究几乎都这样：反复实验—发现规律—找到对称性。

这种研究方法非常好，但越是好方法，就越容易让后来者产生路径依赖。

所以这一套研究方法，也限制了物理学的发展，直到一个人横空出世。

这个人就是爱因斯坦。

爱因斯坦，图自Pixabay爱因斯坦在做物理研究的时候，碰到了一系列大麻烦，无论怎么做实验也解决不了。

有一天他突发奇想：我能不能换一种研究方式呢？

我可不可以先找到对称性，再根据对称性推导出理论，然后再用实验来证明它。

大家都在走老路的时候，爱因斯坦选择了一条新路：找到对称性—建立理论—实验证明。

正是打破了对前辈大师的路径依赖，爱因斯坦发现了狭义相对论和广义相对论，开辟了一个崭新的时代。

杨振宁（左）和李政道（右），图自Sciencephoto在说杨振宁之前，再来说一个名词——宇称守恒。

宇称，就是指一个基本粒子与它的镜像粒子完全对称。

人在照镜子时，镜中的影像和真实的自己，总是具有完全相同的性质——包括容貌、装扮、表情和动作。

同样，一个基本粒子与它的镜像粒子，所有性质也完全相同，运动规律也完全一致，这就是宇称守恒。

在杨振宁之前的物理学大师，包括费曼、泡利、朗道等，在研究遇到瓶颈的时候，都不愿意假设宇称不守恒。

这时杨振宁和李政道站出来，打破了路径依赖，于 1956 年发表了论文《对于弱相互作用中宇称守恒的质疑》，提出「弱相互作用中宇称不守恒」。

这一发现有多牛？

诺组委立马把 1957 年诺贝尔物理学奖颁给了杨振宁和李政道。

1956 年提出宇称不守恒，1957 年即获得诺贝尔奖，这个获奖速度，在诺奖史上创下纪录。

1957年，杨振宁和李政道领取诺贝尔物理学奖。

图自网络「它影响了整个物理学界的方方面面，是囊括了分子、原子和基本粒子物理的一个基本革命。

」宇称不守恒虽然牛，但并不是杨振宁最重要的成就，他最重要的成就是「规范场论」。

在说规范场论之前，先来说说大一统理论。

大一统理论是什么？

它简 GUT，又称万物之理。

这个宇宙中存在着四种力，引力、电磁力、强力和弱力。

四种基本相互作用力，图自网络物理学的终极目标，就是找到可以统一解释这四种力的理论，从而揭开上帝创造世界的秘密。

可以统一解释这四种力的理论，就是大一统理论。

谁能建立大一统理论，谁就能成为有史以来最伟大的科学家。

300 多年来，先是牛顿发现了引力，接着麦克斯韦降服了电磁力。

麦克斯韦降服电磁力后，问题出现了——麦克斯韦方程组和牛顿力学框架居然是矛盾的。

究竟是谁错了？

大家议论纷纷，不知所措。

这时爱因斯坦站了出来：他俩谁都没有错，只是需要升级一下。

爱因斯坦提出了狭义相对论，这个理论很好地安置了电磁力，爱因斯坦随后又提出广义相对论，这个理论很好地安置了引力。

在爱因斯坦相对论的归化下，引力和电磁力可以愉快地玩耍了。

显而易见，接下来物理学最重要的任务，就用把引力和电磁力统一了。

可爱因斯坦穷尽了后半生，也没能完成这个统一大业。

不但没完成统一，还诞生了另外两个贼寇——强力和弱力。

随着实验仪器的进步，人们撬开了原子核，在原子核内部发现了两种新的力：强力和弱力。

强力就是把质子和中子结合在原子核中的那种力。

弱力就是让原子核发生衰变的那种力。

所有物理学家对此一筹莫展，连如何描述它们都不知道。

这时候，一个人横空出世，给迷雾重重的物理学指明了方向，这个人就是杨振宁。

杨振宁带着学生米尔斯，提出了杨-米尔斯规范场论。

规范场论有多牛？

宇宙中存在着四种力，除了引力之外，规范场论统一了另外三种力，朝着大一统迈出了非常关键的一步。

规范场论的核心是杨-米尔斯方程。

这个方程有多牛？

有 7 个诺贝尔奖，是直接利用杨-米尔斯方程拿到的；有几十个诺贝尔奖，是和杨振宁提出的理论有关；还有 6 个数学界诺贝尔奖，也是研究杨-米尔斯方程得到的。

杨振宁的几大研究，几乎奠定了整个 20 世纪后半叶基础物理学的总成就。

杨振宁的成就有多伟大？

诺贝尔物理奖获得者丁肇中这样评价：提到 20 世纪的物理学的里程碑，我们首先想到三件事：一是相对论，二是量子力学，三是规范场。

1999年5月，在纽约州立大学石溪分校石溪理论物理研究所为杨振宁举行盛大的退休仪式。

图自网络美国声誉卓著的鲍尔奖，在给杨振宁颁奖时评价说：这个理论模型，已经与牛顿、麦克斯韦、爱因斯坦的成就比肩，并必然将对未来产生可相提并论的影响。

2000年，全球著名科技期刊《自然》，评选了人类千年以来最伟大的二十位物理学家。

这个榜单，霍金并没有入选，但杨振宁入选了，而且他是这个榜单里唯一在世的物理学家。

与他一同登上这个榜单的其他人，全部都是已作古的大牛，牛顿，爱因斯坦，麦克斯韦，薛定谔，波尔……杨振宁被过誉了吗？

没有，他一直都被低估了。

科普作家卓克曾说：与杨振宁生活在同一个时代，是我们这代人的幸运。

这种幸运，当然不应该被忽视和辜负。

杨振宁的科学成就解析：宇称不守恒与规范场论

本文旨在简洁、清晰、专业地解释和总结著名物理学家杨振宁（1922-2025）的主要科学成就，重点剖析“宇称不守恒”和“杨-米尔斯规范场论”这两项里程碑式的工作，并阐述其在现代物理学中的地位。

一、科学研究范式的演变与路径依赖

在深入探讨杨振宁的具体贡献前，理解物理学研究范式的演变至关重要。在牛顿时代及其后的约两百年间，物理学研究遵循一条明确的路径：反复实验 $\rightarrow$ 发现规律 $\rightarrow$ 寻找数学对称性以解释规律。这套方法论高效且成功，但同时也形成了“路径依赖”，即过度依赖经验观察的先导地位。

爱因斯坦是首位打破这一路径依赖的巨匠。面对实验无法解决的难题，他反其道而行之，采取了找到对称性 $\rightarrow$ 建立理论 $\rightarrow$ 实验验证的全新范式，这直接导向了狭义相对论和广义相对论的诞生，开辟了现代物理学的新纪元。

杨振宁的伟大之处，恰恰在于他继承并发展了爱因斯坦式的创新精神，在既有的理论框架中，敢于质疑被视为铁律的“对称性”，并创造性地引入了新的数学结构。

二、宇称不守恒（Parity Non-Conservation）

1. 宇称守恒的背景

“宇称”（Parity）在当时物理学中被视为一项基本对称性。它描述的是一个基本粒子与其镜像粒子（仿佛通过镜子反射的像）在所有性质上保持完全一致的特性。在粒子相互作用中，物理学家普遍相信，任何物理过程都应该与其镜像过程保持对称性，即“宇称守恒”。包括费曼、泡利、朗道在内的顶尖物理学家，在面对理论瓶颈时，都不愿轻易假设宇称不守恒。

2. 杨振宁与李政道的突破

杨振宁与李政道于 1956 年共同发表了具有革命性的论文《对于弱相互作用中宇称守恒的质疑》。他们挑战了既有的范式，提出在弱相互作用（例如放射性衰变）中，宇称可能不守恒。

3. 科学意义与影响

这项质疑立即引发了物理学界的巨大震动和实验检验。实验（如吴健雄的 $\beta$ 衰变实验）迅速证实了杨振宁和李政道的预言。

• 革命性地位：宇称不守恒的发现，彻底推翻了物理学中一项根深蒂固的假设，被誉为是囊括分子、原子和基本粒子物理的一个“基本革命”。
• 诺贝尔奖：由于其影响的深远和发现的及时性，杨振宁和李政道于 1957 年即获得了诺贝尔物理学奖，创下了诺奖史上获奖速度的纪录。

尽管宇称不守恒是一项划时代的成就，但它主要针对弱相互作用的特定对称性，并非杨振宁最宏大、影响最深远的贡献。

三、规范场论（Gauge Field Theory）：杨-米尔斯方程

杨振宁最重要的成就，被公认为规范场论（Gauge Theory），特别是他与学生米尔斯在 1954 年提出的杨-米尔斯方程（Yang-Mills Equations）。

1. 统一理论的时代背景

物理学的终极目标之一是建立“大一统理论”（GUT），即找到一个单一的框架来描述宇宙中的四种基本相互作用力：引力、电磁力、强核力、弱核力。

• 早期统一：牛顿奠定了力学框架，麦克斯韦统一了电磁学。
• 相对论的整合：爱因斯坦的相对论成功地将引力与电磁力纳入相对论框架内，使两者和平共存。
• 新力的出现：随着对原子核的研究深入，人们发现了强核力和弱核力。理论物理学家面临的新任务是：如何将这新增的强力和弱力，用一个统一的数学结构来描述？爱因斯坦穷尽后半生也未能解决这一问题。

2. 规范场的引入与发展

规范场理论正是解决这一统一难题的关键工具。它的核心思想是基于特定的“局域对称性”来构建物理理论。

在杨振宁提出杨-米尔斯方程之前，物理学中已存在基于“全局对称性”的规范理论（如描述电磁力的 U(1) 规范群）。

杨振宁和米尔斯将对称性从“全局”（所有空间点操作一致）推广到了“局域”（空间每一点都可以有不同的、相互关联的对称性操作）。这种推广引入了新的场——规范场，其量子态就是规范玻色子（如光子、胶子、W/Z 玻色子）。

3. 杨-米尔斯方程的地位与影响

杨-米尔斯方程为非阿贝尔（Non-Abelian，即与乘法交换律不满足）规范场论奠定了数学基础。

• 统一电弱和强相互作用：杨-米尔斯理论是描述电磁力、弱核力和强核力的标准模型（Standard Model）的理论基石。标准模型成功地将电磁力和弱力统一为电弱理论，并用量子色动力学（QCD）描述强力。引力除外，规范场论为实现四种力的统一迈出了最关键的一步。
• 巨大的衍生价值：杨-米尔斯方程的威力远超粒子物理学本身。
  • 物理学诺奖：直接利用或基于该理论的成果，已获得至少 7 项诺贝尔物理学奖。
  • 相关诺奖：数十项诺贝尔奖的工作与杨振宁的理论密切相关。
  • 数学奖项：该方程在数学上的深刻性，也使其成为纯数学研究的核心对象，并带来了 6 个数学领域的顶尖奖项（如阿贝尔奖）。

4. 科学界的最高评价

杨振宁的规范场理论被公认为 20 世纪下半叶基础物理学的核心成就。

• 丁肇中（诺奖得主）：将 20 世纪物理学的三大里程碑概括为：相对论、量子力学和规范场。
• 鲍尔奖（Bauer Prize）：评价杨-米尔斯理论“已经与牛顿、麦克斯韦、爱因斯坦的成就比肩，并必然将对未来产生可相提并论的影响”。
• 《自然》评选：在 2000 年《自然》评选的“千年以来最伟大的二十位物理学家”榜单中，杨振宁是唯一在世的入选者，与牛顿、爱因斯坦等已故巨匠并列。

总结

杨振宁先生的科学贡献是奠基性的，他不仅解决了具体问题，更是从根本上重塑了描述宇宙的数学和概念语言。他通过质疑宇称守恒，拓宽了对称性的边界；更通过开创杨-米尔斯规范场论，为现代粒子物理学的标准模型和未来的大统一理论提供了不可或缺的数学框架。他的工作深刻地改变了物理学家理解和构建基本理论的方式，确保了其在科学史上的不朽地位。