最后的粒子 基本粒子 相互作用机制

七、规范场与宇称不守恒

1948年杨振宁获得博士学位以后，应校方的聘请，留在芝加哥大学物理系当了一年教员。1949年，美国的“原子弹之父”、普林斯顿高等学术研究所所长奥本海默教授，应邀到芝加哥大学进行演讲。杨振宁久慕普林斯顿那里研究理论物理人才济济，奥本海默来芝加哥演讲后，更激起了他去普林斯顿的愿望。他去找泰勒和费密，告诉他们，希望能到普林斯顿研究所去做理论研究，请他们帮助他，为他写推荐信。奥本海默收到推荐信后很快就回了信，同意接受杨振宁。

在杨振宁离开芝加哥时，费密曾告诫过他：高等学术研究所很有必要去，但不宜久留，待一段时间后就应离开，因为那儿的研究太形式化，是座“修道院”，是培养“传教士”的地方。去了那里一年后，杨振宁非常喜欢普林斯顿高等研究所的研究风格，那里学术气氛非常活跃，一群年轻的学者经常讨论，经常辩论，而杨振宁在那里的研究工作也做得很出色。1950年初，奥本海默聘任他长期留在普林斯顿工作。杨振宁考虑了许久，决定留下。其实，他没有忘记费密的忠告。影响他的决定的，是当时他正热恋之中，他的女友在纽约读书，离普林斯顿很近。

杨振宁在普林斯顿前后工作了十七年。那是他一生之中研究工作做得最好的时期。这个时期，他完成了主要的两项工作。

1、最高成就一一杨一密耳斯规范场

今天物理学家们都知道，杨振宁在物理学领域的最高成就并不是获得诺贝尔奖的宇称不守恒，而是早在1945年他和密耳斯共同发表的被称为杨一密耳斯场的规范场的理论。这个理论已被世界物理学家们公认为是20世纪最伟大的理论结论之一。

今天物理学研究的最基本最主要的内容是场。而目前为止，人类只发现了三个场：第一个是麦克斯韦的电磁场；第二个是爱因斯坦的广义相对论引力场；第三个就是杨振宁的规范场。规范场理论是十分专门深奥，不过杨振宁对它作过通俗的解释：“我们研究化学、物理的人，是要研究物质的构造。我们现在知道物质是由分子、原子构成的，原子又有更小的结构，是由质子、中子跟电子构成的，而质子、中子现在又知道是夸克构成的，所以我们研究的对象之一，就是发知道这最后的粒子是什么，我们的学问也就叫基本粒子。可是，单知道灾些粒子是夸克以后，也可以说是即要知道它基本的结构是什么东西？是什么粒子？还要知道粒子之间的力量。最近这20多年来，发现所有这些基本的力量，都是用一种理论可以表示的，这理论就叫‘规范场’。”

1992年杨振宁获得了富兰克林奖章，同时获得了由富兰克林学会颁发的鲍尔奖。按照此奖的颁奖规则，获奖科学家的获奖项目，必须是还没有得过诺贝尔奖的项目，这样杨振宁是第一位因为其他项目而荣获过诺贝尔奖的鲍尔奖获得者。也是获得此奖项的第一位物理学家。

有趣的是，富兰克林学会是为了纪念富兰克林而命名的。富兰克林是美国18世纪时仅次于华盛顿的著名人物，他既参加了独立宣言和美国宪法的起草，也有过像避雷针这样的了不起的科学发明。学生时代的杨振宁十分崇敬这位伟大的发明家和思想家，为之，他在1945年刚到美国留学时，按照那里的习俗，给自己起的英文名字就叫弗兰克。后来他还将自己一个小孩的名字叫做富兰克林。

对他的成就，颁奖颂词中这样评价：“对规范场理论的途述综合了有关自然界的物理规律，并且增加了我们对宇宙基本动力的理解，作为20世纪观念上的杰作，它解释了原子内部粒子的相互作用，他的理论很大程度上重构了近40年来的物理学和现代几何学。”

2、诺贝尔奖一一宇称不守恒

杨振宁与李政道由于宇称方面的工作共同获得了1957年诺贝尔物理学奖金。宇称不守恒是什么样的科研成果呢？1986年11月杨振宁接受著名作家徐迟采访时，按徐迟的要求用了十句话给出了一个比较容易了解的话。他是这样说的：

“在自然界里面有四种基本力量：强力量（使中子和质子在原子核中结合的力量）、电磁力量、弱力量（控制中微子相互作用的力量）以及万有引力，自然界里所有的一切都是由这四种力量组织想来的。”

“1956年以前，众所周知，所有的试验也都表明，这四种力量的每一种都左右对称，正像每一事物都和它镜中对影是一模一样的，专门的术语称之为定称守恒。”

“如果你说，人并不对称，人的心脏在左边，这并不违反物理学，因为你给一个人制造一个相反的人，他的心脏在右边，只要这两人吃一样的东西，吃的东西的分子螺旋是相反方向旋转，则两个人一定是一模一样的，也就是说，宇称守恒的。”

“可是在1956年前后却发现了一些新粒子，它们有着令人非常迷惑的无法解释，当时就成为物理学家们最关切的热门问题了。”

“那一年夏天，李政道和我两人在离这儿不远的布鲁克海文试验室里研究这个问题时，曾大胆设想，左右对称，即宇称宇恒这件事差不多完全对，却不是完全都对，不是绝对的对，在弱力量里不对，在弱力量里宇称不守恒。”

“但是，以前做过了很多弱力量试验，为什么没有发现过不对称不守恒的现象呢？”

“以前做过的弱力量试验，因未涉及到对称、守恒问题，所以没有发现不对称、不守恒的现象，而现在已经发现了这么一些不能解释的现象了，因而应当专门为此作一个试验来证明在弱力量那里是左右不对称，宇称不守恒，那时这一些不能解释的新粒子现象就可以得到解释了。”

“李政道和我提出，要用这样一组设备，还用另一组如同前者的镜中映相，反过来的设备，两者同时来做一个弱力量为主要环节的试验，看做出来的结果，如果确证左右竟不对称，弱力量里宇称不守恒，就可以解释为什么弱力量里出现了那些令人迷惑的新粒子了。”

“由吴健雄和美国度量局的四位科学一共5人，按照我们两人提出的设计和设备做了半年时间的试验，果然证明了我们两人的猜想，弱力量的宇称不守恒，即震动了世界物理界，从而半年后，我们两人得到了诺贝尔奖。”

“现已证明，所有弱力量的宇称都不守恒。它已成了弱力量的理论基石。”