撰文 | 吴詠时（犹他大学物理与天文学系）
来源 | 本文选自《物理》2021年第9期
当今世界 ， 诺贝尔奖是公认的科学(不包括数学) 界的顶尖奖项 。 当然诺贝尔奖也有遗珠之憾 。 没得到诺贝尔奖 ， 不一定意味着水平不够或贡献不大 。 另一方面 ， 得了诺贝尔奖的工作 ， 也不一定就是得奖者最好的工作 。 这样的科学家凤毛麟角 ， 极为罕见 。 在物理学领域除了爱因斯坦 ， 似乎只有杨振宁先生了 。
1957年诺贝尔物理学奖堪称一个传奇 。 该奖颁发给杨振宁和李政道 ， 是因为前一年他们二位合作发表了一篇粒子(高能) 物理学的文章 ， 质疑公认的左右(镜像) 对称性 ， 提出它可能在弱相互作用中不成立 ， 并建议了若干实验以进行检验 。 该文发表后受到了高能物理界的普遍冷遇、怀疑甚至否定 。 一些非常知名的理论物理学家纷纷表示 ， 不相信左右镜像这样简单和基本的操作会导致不同的结果 。 许多实验物理学家也不愿意浪费精力在这些“注定没有正面结果”的实验上 。 只有吴健雄“独具慧眼” ， 立即决定放弃旅行计划 ， 开始准备开展李—杨文章中建议的一个难度相当大的实验 。 到1957年初她的实验结果明确显示 ， 左右镜像对称性在原子核的贝塔衰变中发生了确凿的破坏 。 随即有关的加速器实验也很快验证了类似的现象 。 消息传出 ， 立即轰动了全球物理学界 。 粒子物理学的理论和实验就此掀开新篇章 ， 出现新高潮 。 1957年诺贝尔物理学奖也创造了一个新记录 ， 即获奖工作的发表到颁奖之间的最短时间差 。
这样的诺贝尔奖 ， 按时下中国网络的语言 ， 真是“太牛了” 。 还能有什么样的工作或贡献比这还“牛”？回答是：真的还有 。 这就是杨-米尔斯的规范场理论和规范原理 。 在此庆贺杨振宁先生百岁华诞之际 ， 本文意向读者尽可能通俗地介绍杨先生这个世纪性的伟大贡献 。
1 20世纪下半叶物质结构和相互作用理论微观尺度的大推进
20世纪是物理学空前蓬勃、迅猛发展的辉煌世纪 。 从基础物理学的角度 ， 人类对于物质结构及其相互作用的动力学 ， 在微观尺度上推进了至少18个数量级 ， 即10的18次幂 。 19世纪 ， 物理学的主要进展在热力学和宏观电磁学 ， 其实验基础都在于日常生活尺度的物体系统；化学已经触及了原子层级 ， 但令物理学家普遍接受原子存在的实验尚未出现 。 到20世纪20年代末 ， 量子力学已经发展成熟 ， 可以用来理解元素周期表和化学的许多细节 。 至此古希腊关于物质结构的原子学说得到20世纪科学的确证 。 这是人类科学史上一个历史性的里程碑 。 这个里程碑所跨越的尺度是从日常生活(米的量级) 到原子大小(0.1 nm) ， 大约是一百亿倍 。 从假说到科学的认知 ， 原子论的成功花费了人类两千多年的时间 。 但是 ， 物理学家没有时间在这一历史成就前停步 ， 认识自然的下一个挑战很快就摆在他/她们的面前 。 1932年中子(作为原子核的组分粒子) 的发现 ， 开启了人类迈向亚原子尺度的粒子物理(或高能物理) ， 研究更深层次的物质结构及其动力学的伟大征程 。 当时人们没有料到的是 ， 下一个里程碑的到来是如此之快 。 2012年欧洲核子研究中心的大型强子对撞机上希格斯粒子的发现 ， 从实验上补全了粒子物理标准模型的最后一块拼图 。 迄今为止 ， 所有的实验结果都和标准模型的预言一致 ， 并未发现超出标准模型的确凿证据 。 如此人类就达到了科学史上关于物质结构及相互作用动力学的一个新的辉煌的里程碑——粒子物理标准模型的提出和确立 。 这个里程碑所跨越的尺度是从原子大小(0.1 nm) 到电子大小的上界 (纳米的十亿分之一) 。 所花的时间 ， 距离上一个(原子论) 里程碑 ， 还不到一个世纪 。 我下面要讲的是 ， 杨—米尔斯规范场理论和规范原理 ， 在实现20世纪后半叶物理学新的里程碑的过程中 ， 起到了巨大的奠基作用 。
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