理解楊振寧(一)從宇稱到場論

科技袁人袁嵐峯 發佈 2022-10-01T20:11:35.268607+00:00

如大家所知,楊振寧先生是安徽合肥人。最近,合肥科技館打算建一個楊振寧陳列館,找我來為楊先生的科學成就做一個介紹。

(本文於2019年12月19日首發於「風雲之聲」公眾號)

如大家所知,楊振寧先生是安徽合肥人。最近,合肥科技館打算建一個楊振寧陳列館,找我來為楊先生的科學成就做一個介紹。這對我當然是一個非常榮幸的任務。

我清楚地記得,小時候看世界科學史,楊振寧和李政道獲得諾貝爾獎的故事對我就是一個巨大的鼓勵。正如楊振寧所言:「我最重要的貢獻,就是幫助克服了中國人自覺不如人的心理。」

不過,大多數人都不清楚楊振寧具體做出了什麼科學成就。這使得許多人在談到楊振寧的時候,完全不得要領。你隨便上網一看,就能見到許多無知而惡意的言論。對於這種狀況,我深感痛心。

實際上,正確的思維方式是,評論一個名人,應該先了解他的核心成就,也就是說,他是因為什麼硬的、與眾不同的事情成名的。今天,我就來向大家介紹一下楊振寧的科學成就。

可能有很多人聽說過,楊振寧和李政道獲得諾貝爾獎的原因是,發現了「宇稱不守恆」。但宇稱不守恆是什麼意思呢?大多數人恐怕還是「不明覺厲」。

我可以用一句話解釋:宇稱不守恆的意思就是,可以定義絕對的左右。這是一件非常驚人的事。

為什麼驚人呢?下面這個場景,可以讓我們理解定義左右是多麼困難。

設想我們跟一個遙遠的外星文明聯繫上了,雙方可以通話,但不能見面。大家先不要刷「不要回答!不要回答!!不要回答!!!」,我們暫且假設這個文明是善意的。雙方聊得很開心,然後很快就可以對對方有很多了解。

比如外星人問地球人:你們有多高啊?

地球人說:大約1.7米。

然後外星人問:請問什麼叫做1米?

地球人回答說:你們知道氫原子吧?就是一個質子和一個電子組成的最小的原子。按照我們的單位制,1米大約是氫原子半徑的200億倍。

外星人回答說:很好,我們知道氫原子。原來你們的身高大約是氫原子半徑的340億倍,明白了。

然後,地球人向外星人介紹自己的身體結構。但當地球人說到「我們的心臟位於左邊」的時候,外星人又要問了:請問什麼叫做左邊?

這時你就會發現,沒辦法回答他。

為什麼沒辦法呢?讓我們想想,我們平時是怎麼定義左右的。

最容易想到的定義是,左手的方向叫做左,右手的方向叫做右。但這其實是循環論證,如果不先定義左右,你怎麼知道哪只手是左手,哪只手是右手呢?

因此,當我們教一個小朋友左右的時候,少不了面對面的交流,拿著他的胳膊說:這是左手,這是右手。但現在跟外星人並不能見面,所以你沒辦法指給他看。

正是因為日常生活中左右的定義來自死記硬背,所以有不少人經常分不清左右。例如每當軍訓齊步走的時候,就會見到有人順拐!

讓我們仔細想想,為什麼對外星人解釋長度就可以,而解釋左右就不行呢?

這裡的關鍵在於,用物理規律可以分辨不同的長度,但無法分辨左右。

為了定義長度,我們告訴外星人的不是銀河系的半徑或者地球到太陽的距離,因為這些量在原理上可以在很大範圍內變化。我們告訴外星人的是氫原子的半徑,這是全宇宙統一的,只要懂得量子力學就能計算出來,所以外星人能夠理解。

而如何才能定義左右呢?它們互為鏡像,所以這個問題等價於在一對鏡像中指定一個為左,一個為右。

比如說,你在鏡子前揮舞左手,鏡子中的你在揮舞右手。如果給別人看這兩段錄像,他能不能分辨哪個是鏡子外的,哪個是鏡子內的?

在日常經驗的範圍內,答案顯然是:無法分辨。

為什麼無法分辨呢?因為鏡像世界和現實世界服從相同的物理規律,兩者同樣都是有可能出現的現象。

這種狀況,就叫做宇稱守恆(parity conservation)。我們平常所知的物理規律,無論是力學規律、電磁學規律還是熱學規律,全都是宇稱守恆的,也就是說無法分辨鏡像和現實。

也許你還想問,「宇稱」(parity)這個詞是什麼意思?

宇稱是一種對稱性,「稱」字來自對稱。「宇」字表示空間,正如古人常說的:「四方上下曰宇,往古來今曰宙。」所以看到宇稱這個詞,你很容易就可以理解它是一種關於空間的對稱性。

具體而言,宇稱是關於空間反演的對稱性。所謂空間反演就是把坐標矢量反向,也就是把x變成-x,把y變成-y,把z變成-z,由此造成的效果相當於鏡像。所以在宇稱守恆的操作下,一個現象如果是可以出現的,那麼它的鏡像同樣也是可以出現的,兩者同等的合法。

了解了這些定義之後,顯而易見的想法就是:物理規律當然應該是宇稱守恆的,這簡直是天經地義的。怎麼可能不是呢?你能想像大自然天生就區分左右嗎?

然而,楊振寧和李政道說的就是,宇稱其實並不守恆!他們指出了一類物理現象,這類現象會出現,而它的鏡像不會出現。我們由此就可以分辨現實世界與鏡像世界,也就可以定義絕對的左右。

回到跟外星人通話的例子,現在我們可以對他們說:在極低溫下給大量的鈷-60原子核加個磁場,讓它們的自旋整齊地排列起來,然後觀察它們發射出的電子的角度分布。假如宇稱守恆,這個角度分布就是均勻的,從中不能提取出任何信息。但這裡宇稱不守恆,所以這個分布並不均勻。事實上,大多數電子是從與磁場相反的方向發射出去的。由此就可以把大多數電子的發射方向稱為「上」,把磁場方向稱為「下」。而在確定磁場方向時,用到了左手定則。所以,把這種磁場方向定義為「下」的那隻手就叫做左手!

這些話對普通人也許難以理解,但如果外星人精通物理學,他們就會去按這樣做個實驗,然後恍然大悟:原來你們說的左邊就是這邊,明白了!

大家現在可以理解這是多麼震撼了吧?怪不得他們在1956年發表這個成果,1957年就拿了諾貝爾獎。一般而言,從做出諾貝爾獎的工作到獲獎,往往要等待幾十年。但李楊二人卻創造了一個奇蹟,第二年就獲獎了。這充分表現了,這個成果是多麼基本,多麼偉大。

特別值得一提的是,他們是以中國國籍獲獎的。這對中華民族提升對科研的自信心,當然是一個了不起的貢獻!

如果你還想問,宇稱不守恆的是什麼樣的物理現象呢?回答是:所有涉及弱相互作用的現象。

讓我們做一個簡短的說明。人類已知的基本作用力有四種,分別是萬有引力、電磁力、強相互作用和弱相互作用。其中前兩種是大家非常熟悉的,初中就學到了,後兩種是比較高深的。

在原子核中,把質子和中子束縛在一起的,就是強相互作用。對,就是《三體》中用來製造「水滴」的那個。

而質子和中子也不是固定不變的,它們之間可以互相轉化,使它們轉化的就是弱相互作用。在上面Co-60發射出電子的例子中,發生的就是中子變成質子和電子,這叫做β衰變(β decay),它就是由弱相互作用導致的。

在楊李之前,人們已經發現了這四種相互作用。但默認的看法是,這四種力都是宇稱守恆的。李楊卻敏銳地指出,弱相互作用中的宇稱守恆其實一直沒有得到過實驗驗證,只是個基於習慣的信念而已,因為另外三種力的宇稱守恆確實是有充分的實驗證據的。

他們不但提出了弱相互作用中宇稱不守恆的可能性,而且建議了用來驗證這個假設的實驗。幾個月以後,華人女物理學家吳健雄就和同事們做了實驗,證實了他們的預測。前面說的給外星人定義左右的實驗,就是吳健雄做的。遺憾的是,吳健雄沒有獲得諾貝爾獎,這是諾貝爾獎歷史上一個著名的缺憾。

打個比方,有四個人去過安檢(你可以把他們想像成F4或者劉關張趙或者唐僧師徒四人等等),安檢員本來就覺得他們不可能攜帶危險品。查了前三個人都沒問題,然後安檢員就覺得第四個人理所當然也沒問題,讓他混進去了。這時有人跳出來說,且慢,第四個人還沒查呢!結果仔細一查,——發現他帶了根雷管。

事後看來,楊李對弱相互作用的懷疑是很合理的。因為當時有一個著名的疑難,叫做θ-τ之謎。實驗發現了兩種粒子,分別把它們叫做θ粒子和τ粒子。但很快就發現,它們的質量、壽命以及能測量出來的任何性質都是相同的,除了宇稱以外。

所以很自然的問題就是:θ和τ是兩種粒子,還是一種粒子?如果是兩種粒子,那為什麼它們的這麼多性質都相同?但如果是一種粒子,為什麼它們的宇稱又不同?這個兩難選擇令無數人的頭髮狂掉,所以叫做θ-τ之謎。

李楊對此給出了明確的回答:θ和τ就是一種粒子,它們看起來宇稱不同並不構成問題,因為用來確定它們宇稱的實驗都涉及到了弱相互作用,這時宇稱本來就是不守恆的。這就是他們關注弱相互作用中宇稱問題的初始動機。

其實,當時有類似想法的科學家遠不止他們兩人。但其他人提出類似的想法時,都被權威壓制下去了。他們的卓越之處,在於勇敢地堅持自己的看法,做出了細緻的分析,而且提出了可操作的驗證實驗。

例如蘇聯神奇的物理學家朗道(Lev Davidovich Landau,1908 - 1968),他有位學生沙皮羅寫了這樣一篇論文給他看,被他直接扔一邊去了。後來,他追悔莫及。

又如提出泡利不相容原理的泡利(Wolfgang Ernst Pauli,1900 - 1958),在楊李的文章發表後,表示他願意下任何賭注來賭這樣的實驗不會成功。用他的話說,上帝不可能是個左撇子。實驗結果出來以後,泡利不得不承認上帝確實是左撇子,然後自嘲說幸好沒人跟他賭,否則他就破產了,這次他損失的只是聲譽,幸好聲譽他還有很多。


我在以前多次引用過的非常有意思的費曼(Richard P. Feynman,1918 - 1988)先生,當時也已經是個權威人物了。李楊的文章發表後,有一位物理學家拉姆齊想做實驗來驗證。費曼對拉姆齊說,他願意用一萬比1的賭注來賭這個實驗不會成功,後來改成了50比1。拉姆齊聽了他的沒做實驗,結果虧大了,於是費曼真的給了拉姆齊50美元。喂,110嗎?這裡有人聚賭!

現在,你可以理解宇稱不守恆驚人到什麼程度了吧?左右居然可以給出絕對的定義,連這麼多大科學家都無法想像,對普通人來說就更不可思議了。這稱得上物理學史上的一次革命!

一個人一生能做出一個像宇稱不守恆這樣的成果,就足以永垂史冊了。但對楊振寧來說,這還不是他最重要的成果。

楊振寧最重要的成果是什麼呢?叫做楊-米爾斯場論(Yang-Mills field theory),或者稱為非阿貝爾規範場論(non-Abelian gauge field theory)。

限於篇幅,我們在這裡不能詳細介紹楊-米爾斯場論,因為這是個相當高深的理論。相比之下,宇稱不守恆是很容易解釋的,簡直像白居易的詩一樣,老太太都能聽懂。

非常簡短地說,楊-米爾斯場論是一種數學框架。它的核心思想是,對稱性決定相互作用。只要你指定一種相互作用的對稱性,這個數學框架就會告訴你,這種相互作用涉及到多少種粒子,它們有什麼樣的性質等等。

目前,人類對強相互作用和弱相互作用的數學描述,都是建立在楊-米爾斯場論的基礎上的。也就是說,四種基本相互作用中的兩種,都以它為基礎。這四種基本相互作用還不見得真正基本,人們還在繼續嘗試把它們都統一起來,這種努力也是以楊-米爾斯場論為框架的。所以跟宇稱不守恆相比,楊-米爾斯場論的影響更加深遠,幾乎是無遠弗屆。

因此,普遍認為楊振寧在整個物理學史上,都具有非常重要的位置,可以和提出經典力學的牛頓、提出電磁理論的麥克斯韋和提出相對論的愛因斯坦以及提出量子力學的普朗克、玻爾、海森堡、薛丁格、狄拉克等人相提並論。雖然由於歷史原因不如他們,但都屬於提出基本理論框架的人,具有這樣重要程度的科學家鳳毛麟角。

絕大多數科學家的工作,是在已有的框架中做改進,重要性自然就差一個層次了。例如,一些善於寫科普著作的科學家在世界公眾中的名氣比楊振寧大得多,但他們的科學成就不是跟楊振寧一個量級的。當然,這不是說他們的成果不重要,更不是說科普不好。無論能做好什麼事,都是對人類的貢獻。

除了宇稱不守恆和楊-米爾斯場論以外,楊振寧在統計力學、凝聚態物理、粒子物理等領域中還有很多重要的貢獻,也歡迎有興趣的同學去了解。

談論這些科學成果,對我是非常愉快的事。這就引出了我一直想強調的一個基本價值觀:對於科學家,首先應該關心的是他的科學成果,而不是他的生活八卦以及誰比誰強、誰誰誰都是渣這種無聊的口水戰。科學本身就是最有趣的,科學家不是來打擂台評座次的。大家都是同一個偉大事業中的戰友,共同把科學推向前進。

正如李政道經常引用的杜甫的詩:「細推物理須行樂,何用浮名絆此身。」如果你能理解這個價值觀,你就能把自己、把社會和把科學推向更加高遠的境界。

關鍵字:

臉不是有洗就好嗎,用哪隻洗面乳都一樣吧🤔

2021-11-15T07:12:52.204026+00:00

至少在靠它把豆花洗少之前,我是這麼覺得的!...

這是最近一隻很紅的洗面乳,光看外盒我就想買了,我就是會從包裝挑東西的人 😹

還好毛孔是真的清乾淨,加了34%胺基酸的保濕度也很舒服

 

 

我習慣先「用溫水沖臉,幫助毛孔打開」會洗得更乾淨!

它也算我用過數一數二好沖洗的,不用擔心用完還滑滑的像殘留 🤔

 

「最油的鼻翼,我會讓泡泡停留多作用一下」之前去清粉刺才被美容師唸爆!

為何油質積了一堆在那,所以習慣加強局部,該搓的就搓幾下,不放過任何一角

 

✅ 也推薦輕輕敷在臉上,讓泡沫的成分清潔附在毛孔的髒東西和殘妝,不會過度清潔。

我一摸臉還是感覺非常保濕,不會太繃 😇

 

我最近臉過敏,長很多粉刺QQ 但這家的是溫和不刺激,混合肌的我已證實!

另外想誇獎它的香味很自然 💜 起床或下班回家洗完臉,心情就會很好

 

最後小提醒,沒事別讓男友用,我家那隻一用整個刁住!

現在還會跟我搶,傻爆眼… 連男生都這麼愛是怎樣

➡️https://www.cashin.tw/product/000000000034858
 


商品資訊

第一支專洗毛孔的洗面乳

MAGICOM 34%胺基酸洗面乳》

市售最高日本34%胺基酸x專利補水嫩白因子x尿囊素萃取

 

https://www.cashin.tw/product/000000000034858