都说杨振宁是目前顶级的科学家,那他到底有什么伟大成就?能通俗地讲一下么?
通俗地来说,杨振宁之于物理的伟大成就,等同于秦始皇统一中国,统一度量衡。
杨振宁是因为弱相互作用下宇称不守恒理论一举获得诺贝尔物理学奖的。然而,这还不是他的最高成就,他还有更多开创性的研究。
比如,相变理论的研究他早了其他同仁十余年之久,在后来引发了爱因斯坦的高度关注。他的杨- Baxter方程,超导体磁通量子化的理论解释,杨- Mills规范场论等诸多理论,在后来的物理学研究中被广泛运用,成了现代物理科学的基础理论。
其中,杨-米尔斯理论是杨振宁最大的贡献,这是现代规范场论和粒子物理标准模型的基础。
物理学家到底在研究什么?
自然界中有各种各样的现象,有跟物体运动相关的,有跟声音、光、热相关的,有跟闪电、磁铁相关的,也有跟放射性相关的等等。物理学家们就是去研究各种现象背后的各种规律,然后得到了大一堆关于力学、声学、光学、热学方面的定律。
但是物理学家们并不满意,因为各种定律太多了!想想看,如果每一种现象都要用一种定律来描述,那就相当于你去买苹果要带一杆秤,去买梨要换一杆秤,去买大米的时候又要换另一杆秤,你得准备多少秤阿。所以物理学家就有一个理想:用更少的定律来描述更多的现象。把一些表面上看起来毫不相关的现象用同一种理论去描述,或者最终用一套理论来描述所有的已知现象。简单来说,物理世界最好也只用一杆秤。
这个事情,本质上来说其实就跟秦始皇要统一六国一样,不允许有各自为政的国家存在,必须让所有人遵守同样的法令,用同样的语言和文字,同样的度量衡,这样麻烦才少。所以物理学家位一直在不孜孜不倦地追求最终的统一之路。
统一,统一,还是统一!
首先,牛顿统一了天上和地上的力。其次,麦克斯韦统一了电、磁、光。
于是,到了19世纪,随着人们对微观世界研究的深入,许多在宏观上风牛马不相及的东西,在微观层面上却很好地统一了起来。比如支持力、弹力、摩擦力之类的东西,在宏观上它们确实是不同的东西,但是到了微观层面,这些乱七八糟的力全都是分子间作用力形成的,而分子间作用力本质上就是电磁力。再深入,这些分子、原子运动的快慢,在宏观层面上居然体现为温度,然后热现象就变成了一种力学现象。所以,到了19世纪末,人类所有已知现象背后的力就都归结为引力和电磁力,其中引力由牛顿的万有引力定律描述,电磁力由麦克斯韦方程组描述。
但是问题也随之出现了,那就是麦克斯韦方程组和牛顿力学这套框架居然是矛盾的,难道是他们谁错了?爱因斯坦老先生研究了一下,说麦克斯韦方程组没毛病,牛顿的力学框架有问题。于是爱因斯坦熬夜升级了一下牛顿的力学的框架,在新框架下跟麦克斯韦方程组就不冲突了,这套升级后的新框架后来有了一个响亮的名字——狭义相对论(我们称新秤)。
让爱因斯坦都头疼的难题
在狭义相对论下,麦克斯韦方程组不用做任何修改就能直接用新秤称。另外,牛顿力学里有些东西虽然不能直接搬过来秤,但是稍微修改一下就可以用新秤称。但也有一类东西,无论怎么改都没办法用新秤称,我们暂时叫它——刺头。
刺头很让人很头痛,不过好在就一个,它就是——引力。牛顿的万有引力定律装在牛顿力学的秤称一点问题没有,但不管怎么改,它就是没办法狭义相对论这杆秤称,那要怎么办呢?于是爱因斯坦另辟蹊径,另外提出了一套新理论来描述引力,这相当于给“引力”单独准备了另一杆秤。结果这套新“引力”理论大获成功,而且爱因斯坦提出这套新理论的方式跟以往的物理学家们提出新理论的方式完全不一样,这种新手法带来梦幻般的成功惊呆了全世界的物理学家,然后爱因斯坦就成了神一般的人物,这套新理论后来也有了一个响亮的名字——广义相对论。
至此,爱因斯坦用狭义相对论安置好了电磁力,用广义相对论驯服了引力之后,接下来要做的事情就很明显了:要统一引力和电磁力,就像当年麦克斯韦统一电、磁、光那样,毕竟用一套理论解释所以的物理现象是物理学家们的终极梦想。
然而,爱因斯坦穷尽他的后半生都没能统一引力和电磁力。不仅如此,随着实验仪器的进步,人们撬开了原子核,在原子核内部又发现了两种新的力:强力和弱力。这下可好,不但没能统一引力和电磁力,居然又冒出来两种新的力。所以,摆在科学家面前的局面又变成了有四种力:引力、电磁力、强力和弱力各自为战,并且强力和弱力都暂时还没有称它的秤,说统一就更谈不到了。
到了这里,杨振宁的杨-米尔斯理论就登场了。
直接说结论:现在强力就是用杨-米尔斯理论描述的,弱力和电磁力现在已经实现了完全的统一,统一之后的电弱力也是用杨-米尔斯理论描述的。也就是说,在四种基本力里,除了引力,其它三种力都是用杨-米尔斯理论描述的,所以你说杨-米尔斯理论有多重要?你说杨振宁的成就有多伟大?
杨振宁是世界上最伟大的物理学家之一
除了上面的贡献,杨振宁在粒子物理学,统计力学和凝聚态物理等领域同样做出了里程碑式的贡献。他甚至提出过其他诸多理论和模型,虽然在当时他提出的很多内容无法用实验来验证正确与否,但随着近些年来科学技术他的越来越多的理论都得到了证实。他的成就足以睥睨世界科学史上任何一位伟大的科学巨匠,人们将他与爱因斯坦并举,说他是在世最伟大的物理学家之一,他是实至名归!