楊振寧五十四年再回顧與物理的發(fā)展

江才健

摘要 1961年楊振寧在美國麻省理工學院百年慶的座談會上發(fā)表“物理學的未來”，顯現(xiàn)出當時與談者中最年輕的楊振寧對物理科學的一種深刻視野。他的觀點得到大物理學家維格納的響應贊賞。該文后來收入楊振寧60歲出版的《論文選集評注》，也受到廣泛注意和好評。2015年楊振寧在新加坡“楊一密爾斯規(guī)范場論60年研討會”上，發(fā)表“物理學的未來重新檢討”主題演講，對54年前自己的物理未來視野再次檢討，再次顯現(xiàn)了他對物理科學的審慎透思。

關(guān)鍵詞 楊振寧 物理學的未來 愛因斯坦 費曼 麻省理工學院

1961年，美國麻省理工學院為了慶祝設(shè)校百周年，舉行了一個小型的座談會，座談會的主題是“物理學的未來”，參與座談得有四位物理學家，分別是考克饒夫（J.Cockcroft）、派爾斯（R.Peierls）、費曼（R.Feynman）和楊振寧。考克饒夫是著名的英國物理學家，曾設(shè)計加速器進行粒子撞擊實驗，派爾斯在原子核物理中有關(guān)鍵貢獻，是德國出生的英國物理學家。四人當中，最年輕的楊振寧當時39歲，費曼長他4歲，最年長的派爾斯66歲，考克饒夫64歲。

楊振寧是座談會中第三個發(fā)言者，他所講的“物理學的未來”內(nèi)容，展現(xiàn)出年輕楊振寧對物理學的一種視野，當時便引起匈牙利裔大物理學家維格納（E.Wigner）的興趣，曾經(jīng)與楊振寧有書信交流討論，那篇“物理學的未來”后來收入為楊振寧60歲出版的《論文選集評注》，一直受到相當?shù)年P(guān)注。

54年前楊振寧在“物理學的未來”開頭便說：“最近四、五年間，理論物理學家致力于由物理可觀察的經(jīng)驗，向非物理范疇的分析延伸?！彼又f，“特別地，是試圖以外推探究未測知領(lǐng)域的化約齊一性?！睏钫駥幗酉聛淼慕Y(jié)論是：“這些努力一起步便困難重重。”

楊振寧當時所提“最近四、五年的理論物理”工作，應該包括20世紀40年代以降的分析延伸工作，他1954年與密爾斯（R.Mills）探討的規(guī)范對稱性，以及其后幾年基本粒子在對稱結(jié)構(gòu)數(shù)學方向上的發(fā)展。楊振寧說，雖然這些工作碰上困難，卻沒有阻止理論物理學家的興趣。他說麻省理工學院的座談會，也希望經(jīng)由外推，探索并超越過去經(jīng)驗，去認知一些當時尚未觀察到的未來物理發(fā)展。楊振寧以為，雖然這樣的嘗試極為有趣，卻不能期望在這些探索中會得到真正的成就。

楊振寧以為，到當時為止，20世紀的物理發(fā)展是令人驚嘆的。由世紀初物質(zhì)原子建構(gòu)概念才成為新的研究項目，探究能力的精細程度進展了百萬倍，由原子尺度到達次原子粒子尺度，能量由幾電子伏增加到幾十億電子伏，實驗技術(shù)也同步精進。而且物理學的發(fā)展給化學、天文學甚至生物學帶來的影響，重大到難以形容。

楊振寧接著提出他對理論物理的評價標準。他認為，“物理學的榮耀不是建立在這些影響之上，物理學家最看重的也不是這些影響?！薄吧踔廖锢韺嶒炆钊敕秶牟粩鄶U大，雖說重要，也不是物理學家最覺滿意與引以自豪的?！?/p>

他說，“使物理學成為如此一個獨特智力成就，主要在于一些概念形成的可能性，而且由這些概念出發(fā)，用愛因斯坦的話說，‘一個完整可用的理論物理系統(tǒng)能夠被建構(gòu)起來?！薄斑@樣一個系統(tǒng)體現(xiàn)了普適的基本規(guī)律，‘用這個系統(tǒng)，宇宙能夠用純粹推導的方式建構(gòu)起來?！?/p>

楊振寧以為，從這樣一個標準看，20世紀前60年的發(fā)展，恰如一首英雄史詩，在物理學領(lǐng)域不但有擴展我們物理知識的重大發(fā)現(xiàn)，還經(jīng)驗到不只一個、不只兩個、而是三個物理概念的革命性變化：狹義相對論，廣義相對論以及量子理論。由這三個物理概念上的革命，形成了一個深刻、完整以及統(tǒng)一的物理理論體系。

楊振寧接著問到，物理的未來前景是什么？他同意派爾斯認為的，物理學的基礎(chǔ)以及最前沿后方的物理學，會快速擴展，他也以為未來幾年在弱作用方面會有很大的揭示，甚至可能看到弱作用各種表述的統(tǒng)合。

楊振寧以為，要想更進一步就十分不確定。我們已經(jīng)明確的提出許多問題，而其答案十分的關(guān)鍵緊要：如何處理一個有無窮多自由度的系統(tǒng)？時空連續(xù)概念是否可以外推到10^-14cm到10^-17cm，甚至更小？電荷共軛不變性以及同位旋轉(zhuǎn)動的不變性基礎(chǔ)是什么？這與時一空對稱不同，都已知是不守恒的。強作用電磁作用和弱作用的統(tǒng)一基礎(chǔ)是什么？與之有關(guān)的引力場作用是什么？

楊振寧說這樣的問題可以繼續(xù)羅列下去，也不知道是否有意義。不過他說得很好，那就是“大多物理學的進展，事實上正是由于對過去所問無意義問題的認識中所得到?！彼J為很肯定的是知識會快速的累積，并以19世紀末邁克爾遜一莫雷的光速實驗到1905年愛因斯坦發(fā)表狹義相對論，對比當時物理科學的進展，來說明知識累積速度之快。

接著他提出關(guān)注問題的核心，那就是他前面提到的，如何面對“一個完整理論物理系統(tǒng)”的建構(gòu)，他問，“在20世紀前六十年光榮的傳統(tǒng)下，是否能合理期待進一步的成功？”

他的文章說，如同理論物理以外推確定函數(shù)奇異性所碰到的困難，以推測去預言物理概念的革命變化也是困難的。楊振寧說對于一個將來的基本理論，似乎有一種無所局限的信心，他想發(fā)表一些悲觀的看法。接著他以比較修辭性的語句說，“在這個百年的慶會上，充滿著對過往成就的自豪以及對未來前景的廣闊展望，在這樣的興奮氣氛中，插入一些不合諧的旋律也許并非全不恰當。”

他從幾個方面談論他關(guān)注的問題。首先他說，“讓我們再次強調(diào)，純粹知識的積累盡管有趣，卻與基礎(chǔ)物理的目的十分不同。”

其次他說，“次原子物理探究的內(nèi)涵與人類的直觀經(jīng)驗已經(jīng)十分遙遠，當我們探索進入更小的尺度，這種遙遠性肯定還會增加?！彼J為日益增大的實驗室規(guī)模加速器、探測器以及計算機，都是顯見的明證。

他說當時的物理實驗，“由精良設(shè)備和精確運作構(gòu)成”，“要使一個實驗的結(jié)果有意義，概念必須要建構(gòu)在我們直接感受經(jīng)驗和實驗實際運作的每一個層次上?！彼f，如此造成的困難，是概念的每一個層次，是與前一個層次相關(guān)聯(lián)，事實上是建構(gòu)在前一個層次之上。如果顯現(xiàn)出不恰當之處，就必須更深入去探究先前概念的繁復體系。隨著考慮愈深，困難的程度便愈發(fā)寬廣。楊振寧說就像是下棋，隨著棋藝的精進，要預見后一步的挑戰(zhàn)就會愈加的困難。

楊振寧接著提出大物理學家維格納的計算，探究當時的物理場論，概念上至少要穿透四個層次。他說，計算的細節(jié)可以討論，但無可否認，我們擬想一個更深入、更完整的理論體系結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)的概念至少穿透一個以上的層次。楊振寧接著清楚說明他的物理信念，“在此物理學家面對的困境，那就是物理學的最終判斷在現(xiàn)實中?！蔽锢韺W家“不同于數(shù)學家或是藝術(shù)家，不能憑借自由想象去創(chuàng)造新的概念、建構(gòu)新的理論?！睏钫駥幗又岢鲇锢韺W家愛丁頓（A.S.Eddington）說的一個例子。就是一個海洋生物學家，用六英寸網(wǎng)眼的魚網(wǎng)長期探索后，得到所有的魚都比六英寸大的定律。楊振寧說，這個想象的實驗似乎十分荒謬，但是因著近代物理實驗的復雜和間接性，其中便很容易找到這樣的例子。楊振寧總結(jié)的話是，“人們沒有認識到自己的實驗的選擇性質(zhì)，選擇是建立在概念上的，而概念也許是不合適的?！?/p>

最后楊振寧提出結(jié)語，物理學家日常的工作中隱含著這樣的信念，“即人類智能的力量是無限的，而自然現(xiàn)象的深度是有限的?！彼f，“這樣的信念是有益的，或者說是健康的，因為可以給我們勇氣。但是，相信自然現(xiàn)象是有限的想法是不合邏輯的，相信人類智能力量的無限也是不正確的。”

楊振寧說，“一個重要的必須考慮的事實是，每個人的創(chuàng)造力的生理局限和社會局限，可能比自然的局限性更為嚴重?！?/p>

楊振寧最后結(jié)論說，“在說了這些告誡性的意見之后，我們必然會問，它們是否與物理學的發(fā)展有關(guān)，譬如說是否與這個世紀剩下的四十年中的物理發(fā)展有關(guān)？現(xiàn)在我們不知道這個問題的答案，讓我們祈望答案是否定的?！?/p>

楊振寧后來把這個簡短的評論，寄給大物理學家維格納，維格納看后給楊振寧回了一信，對楊振寧的深刻物理透視和哲思表示贊賞。1963年得到諾貝爾獎的維格納，在物理理論上多有創(chuàng)見，對于科學哲學造詣深刻，他曾在美國哲學學會會刊發(fā)表文章“科學的局限”，傳誦一時。

1983年為紀念楊振寧60歲出版了《論文選集評注》，其中關(guān)于“物理的未來”的評注，有一段文字寫道，“二十年過去，很不幸的，我1961年所做的告誡評論，并沒有看錯。當然，在過去的二十年，在實驗和理論方面都有令人興奮而且重要的進展。但是我卻感受到當前我們這個領(lǐng)域的困境。一方面，今日的實驗復雜而且昂貴，其籌備和進展都曠日廢時，高能實驗物理的周期十分的長，不幸而令人驚恐的是未來會更長?！?/p>

“在另一方面，高能物理理論的復雜性也日增，使得理論物理學家不只與實驗疏離，彼此之間也日益疏離。其結(jié)果是使得我們的理論物理畢業(yè)生，甚至是一些實驗物理學畢業(yè)生，日益疏離了物理現(xiàn)象，物理現(xiàn)象是我們這個領(lǐng)域最終探究的泉源?！睏钫駥幷f，這不是任何人的錯，但是令人憂慮。

楊振寧說，“我擔心由愛因斯坦以至我們所有人向往的那個理論絕頂，到下一個世紀還依然無法掌握?！?/p>

32年之后，世界科技出版集團主席潘國駒特別在新加坡舉行“楊一密爾斯規(guī)范場論六十年研討會”，楊振寧在會上發(fā)表主題演講，題目是《物理的未來·重新檢討》，再談他54年前的關(guān)注。

楊振寧在《物理學的未來·重新檢討》中，先交待了54年前麻省理工學院那個座談會的來龍去脈，他說麻省理工學院沒有出版這個座談會議記錄，多年后史威柏（S.Schweber）在他的書《愛因斯坦和奧本海默》中將考克饒夫和派爾斯的意見綜合論列，楊振寧的“物理學的未來”選入他1983年的《論文選集評注》發(fā)表，而費曼的發(fā)言則是2005年發(fā)表。

楊振寧的說法，指費曼發(fā)言是費曼過世后17年，在他女兒米雪·費曼（M.Feynman）編輯的《費曼手札·不休止的鼓聲》中收錄發(fā)表。其實費曼那篇文章曾發(fā)表在麻省理工學院的《科技評論》雜志，但卻是他頭一次看到。

費曼當時的發(fā)言，說對于考克饒夫、派爾斯和楊振寧的意見他大都同意，只有楊振寧認為事情會愈加困難的觀點，他不大同意。費曼的意見是，任何時代都有困難，他也有悲觀的一面，但是仍然很有勇氣。

費曼一開始就限定自己的討論，是與基本物理定律的發(fā)現(xiàn)有關(guān)的問題，也就是物理研究的最前線。另外他也覺得，在預測物理的未來時，應該同時考慮物理學所存在的政治與社會環(huán)境脈絡。

費曼接著用他的傳記所描述的他的風格，以一種善于言辭的表達方式作了較長論述。他認為譬如派爾斯所做的比較保守的，對四分之一世紀后的預測，其實也是有風險的，因此他想談談一千年的尺度，他問我們可以想象公元2961年的物理科學發(fā)展嗎？或者如果回顧公元961年，又如何能夠想象今日的成就。

費曼接著提到政治和社會的觀點，他認為可能發(fā)生一場毀滅的戰(zhàn)爭，基礎(chǔ)物理受到徹底破壞而無法復原。他認為基礎(chǔ)物理的發(fā)展，譬如高能物理所需要的實驗設(shè)施受到傷害，就會影響物理的發(fā)展，另外他認為物理學要有所進展，還必須要建立適合發(fā)展的文明環(huán)境。

如果物理一時沒有新的發(fā)現(xiàn)，譬如高能物理之類的基礎(chǔ)物理又沒有什么實際的用途，而人為的戰(zhàn)爭災難的巨變，就一定會激起反科學思潮，歸罪于科學和科學家，認為他們是罪魁禍首。他特別強調(diào)了一件事，那就是“科學研究的精神不一定會再度萌生，因為科學精神主要是靠北半球的先進國家在發(fā)揚，不是普遍存在于世界各地?！?/p>

費曼也說，不要太悲觀泄氣，因為一千年的時間中，也可能再出現(xiàn)萌生科學的新文藝復興，也可能是在物理之外的領(lǐng)域，而這種把科學態(tài)度當成一種類似于道德的規(guī)范，應用在社會、政治和商業(yè)領(lǐng)域的文藝復興，如果能夠讓一個國家在一些方面得到成功的果實，科學便有機會再受到社會的重視。

費曼說如果沒有人為的災難或文明的崩潰，目前的社會體系繼續(xù)發(fā)展一千年，一個可能就是科學上出現(xiàn)了最終的答案。費曼說，“我不同意楊教授認為物理定律本身已經(jīng)把這種可能性否決掉的看法?！彼靡粋€人由一扇門走進一棟建筑物來比喻探究，他認為我們無從知道這一棟房子是無限大的，還是有限大的。因此最終的答案是可能存在的。

他說這里的最終答案，就是發(fā)現(xiàn)了一組基本定律，所有的實驗結(jié)果都在重復這組已知的定律，這時候研究工作就愈來愈無聊，于是大家就把注意力轉(zhuǎn)到第二線的應用性工作。

他說如果發(fā)現(xiàn)了這樣的最終答案，會發(fā)生的一件事就是目前活躍的科學哲學將會式微。他說我們現(xiàn)在之所以能夠成功地對抗那些科學哲學家，或者一些議論知識以及知識獲取方式的蠢材，原因居然出在我們還沒有完全成功。他認為科學哲學做不出像樣的預測，因為他們對現(xiàn)實沒有真正的了解，今天科學哲學之所以活躍，是因為我們還掙扎于追求最終答案。

費曼說如果我們進入的房間，真的如楊振寧所說的有無窮大，那么另一個可能就是會不斷的有令人刺激的發(fā)現(xiàn)，但是一千年里會繼續(xù)有幾十個重大發(fā)現(xiàn)嗎？因此另一個可能是問題越來越難，進展越來越慢，他提出一些專業(yè)的內(nèi)容，譬如強耦合已經(jīng)分析，弱耦合部分分析了，分析更弱的耦合則更難，譬如三階張量場，耦合常數(shù)可能不到重力常數(shù)的十的負三十次方。

費曼說這后續(xù)的發(fā)展，物理學可能包括一些不一樣的內(nèi)容，像派爾斯說的會涵蓋天文史和宇宙學，定律會是一些包含時間項在內(nèi)的微分方程，問題是什么決定了現(xiàn)在的條件，什么決定了整個宇宙發(fā)展的歷程。它可能不再叫做天文史，因為物理定律可能已經(jīng)把時間的變化考慮在內(nèi)，如果是這樣，表述定律和發(fā)現(xiàn)歷史這兩件事將沒法區(qū)分。

費曼認為當時科學處在一個史無前例、美妙興奮又刺激的時代，而且除了基礎(chǔ)物理，還有許多可以研究的領(lǐng)域，雖然基礎(chǔ)物理不可能永遠發(fā)展，但是他認為還有好長一陣子可忙，也完全不準備離開基礎(chǔ)物理的領(lǐng)域。

楊振寧今年5月的《物理的未來·重新檢討》演講，延續(xù)了他一貫的簡潔風格。他簡單地提到他當年認為的基礎(chǔ)物理根本困難，也簡單提出費曼所說找到最終答案的一段文字。楊振寧說：

費曼是與我同時代一位具有了不起直觀的物理學家。看他的這些文句，

我好奇的是：

（1）1961年他腦中想的最終答案是什么形式，而

（2）他最后是否依然有那樣樂觀的看法。

楊振寧接著寫道：

我們在1961年座談會之后的五十多年又獲知了什么？

很多。由于理論與實驗物理學家十分密集的合作，提出并且驗證了許

多重要概念的進展：

一個特殊的對稱破缺模型

電弱理論

非交換規(guī)范理論的重整化

漸近自由和量色動力學

居冠于這些發(fā)展的是2012年希格斯粒子戲劇性的實驗發(fā)現(xiàn)。

我們現(xiàn)在有一個可運作的標準模型，一個SU（3）×SU（2）×U（1）規(guī)范場。

因此1961年以后的五十多年，在過去所有物理概念層次以及許多極大

型實驗的基礎(chǔ)上，我們在物理概念上更上了一個層次。

是不是有更多的物理概念層次，比我們現(xiàn)在所達到層次更深一層？我

相信有，而且很多。

我們何時可能達到下一個層次？如果有可能，我相信也是在遙遠的將

來。

為什么你如此悲觀？我不是悲觀，我只是實事求是。

今年7月底在北京，我曾經(jīng)以他今年這篇先諭式的文章，以及當年他的看法與費曼十分樂觀看法的差異，就教于他。楊振寧當時說的是，“我在1961年對物理學前途的態(tài)度與費曼面對物理學前途的態(tài)度，基本反應了兩個不同文化背景對物理學前途的認識。我是從中國傳統(tǒng)儒家‘吾日三省吾身的教訓下引導出來的一種世界觀，他是美國文化的世界觀。”

楊振寧與我的談話，后來成為一篇訪問文章，刊登在《環(huán)球科學》十月號的愛因斯坦廣義相對論一百年專題。我有一個對他提出的問題：

“回到您1961年的文章，您說宇宙的奧妙結(jié)構(gòu)是無窮的，人類的智慧是有窮的，用有窮的智慧去追求無窮的宇宙，是不可能完全掌握的。這一點上，您和愛因斯坦講的有些相似。愛因斯坦說，他只知道兩個事情是無限的，一個是宇宙，另一個是人類的愚昧，他說他對前一個還不能確定。我們都知道，您的好朋友戴森（F.Dyson）在他有名的‘愛因斯坦講座《鳥與青蛙》中提到，一些科學家像鳥兒一樣，有全觀的眼光，他將您列于其一。我們看到，現(xiàn)在的很多新理論用數(shù)學推演的很好，但他們在物理上卻面臨著是否可以運作的問題。這是一個終極的哲學問題，也是一個科學問題?！?/p>

楊振寧回答說，“不錯。像超弦論，它已有了極重要的數(shù)學影響，但是否與物理現(xiàn)象有關(guān)還是未知數(shù)。另外，我對超對稱不那么樂觀。有兩個原因，第一，一個數(shù)學的東西如果被基本物理學采用，就一定是很妙的數(shù)學，這有很多過去的例子?？墒浅瑢ΨQ的數(shù)學不是最妙的，所以我猜想不是基本物理的基石。關(guān)于這一點我在1979年的一次紀念愛因斯坦誕辰百周年討論會上就討論過。另外，它搞了好幾十年，還沒有任何與實驗相關(guān)的結(jié)果，所以我對它的未來表示懷疑?！?/p>