杨振宁：如果泡利能活到60年代乃至70年代杨建邺

1953—1954年，杨振宁和米尔斯在作了一些其他研究之后，又返回来研究规范场。他们曾经试图按费米处理电磁场的方法那样，把规范场作一些技术上的处理。但他们的尝试没有成功，因为计算太复杂了。

在1954年2月，杨振宁和米尔斯虽然已经完成了绝大部分的研究，而且在普林斯顿已经作了报告，但对是否发表这篇论文仍然犹豫不决：一个不成熟，还有一些重要问题没有解决的理论模型，到底应不应该发表？像泡利那样放到以后有转机再说？对此，杨振宁也作了深刻的思考。他写道：

我们究竟应不应该发表一篇论述规范场的论文？在我们心目中，这从来不成其为一个真正的问题。我们的想法是漂亮的，应该发表出来。但是规范粒子的质量如何？我们拿不准。只有一点是肯定的：失败的经验告诉我们，非阿贝尔情形比电磁学更错综复杂得多。我们倾向于相信，从物理学的观点看来，带电规范粒子不可能没有质量。虽然没有直说出来，但在论文的最后一节表明了我们倾向于这种观点。这一节比前面几节难写。

泡利是第一个对我们的文章表示了浓厚兴趣的物理学家。这不奇怪，因为他熟悉薛定谔的论文，而且他本人曾经试图把相互作用同几何学联系起来……我经常纳闷，如果泡利能活到60年代乃至70年代，他对此论题究竟会说些什么。

杨振宁本人特别强调突出“漂亮”(beautiful)这个词，说明“漂亮”战胜了“疑惑”。看来杨振宁一定十分欣赏狄拉克说过的一句话：“在致力于用数学形式表示自然界规律时，主要应该追求数学美。”

1954年6月28日，他和米尔斯最终决定向《物理评论》寄出他们的论文，它在三个月后的10月1日发表了。在文章的倒数第二段的结尾处，他们遗憾地指出：“我们还没有能得出关于b量子之质量的任何结论。”这里所说的b量子，指的就是新规范场所需要的新的、传递相互作用的规范粒子。

杨振宁之所以能够大胆地将他们的理论模型公之于世，显然不只是认为这个理论的数学结构很“漂亮”这一个原因，更深层次的原因还是一种深刻的科学思想在支撑着他，那就是“对称性支配相互作用”。这种思想在爱因斯坦的理论中有清晰的表现，杨振宁可说是第一个深刻领悟了这一思想的人。1979年，杨振宁在《几何与物理》一文中指出：

爱因斯坦所作的一个特别重要的结论是对称性起了非常重要的作用，在1905年以前，方程是从实验中得到的，而对称性是从方程中得到的，于是——爱因斯坦说——明可夫斯基(Minkowski)作了一个重要的贡献：他把事情翻转过来，首先是对称性，然后寻找与此对称性一致的方程。

这种思想在爱因斯坦的头脑中起着深刻的作用，从1908年起，他就想通过扩大对称性的范围来发展这一思想。他想引进广义坐标对称性，而这一点是他创造广义相对论的推动力之一。

在《美和理论物理学》中，杨振宁再次指出：

这是一个如此令人难忘的发展，爱因斯坦决定将正常的模式颠倒过来。首先从一个大的对称性出发，然后再问为了保持这样的对称性可以导出什么样的方程来。20世纪物理学的第二次革命就是这样发生的。

正是在这种深刻的科学思想引导下，杨振宁才勇敢地把他的规范对称理论公之于世，并在日后把这种科学思想提升为更简洁的表述“对称性支配相互作用”。

但在1952年，这个理论还很不完善，还缺少其他一些机制来约束它，因而呈现出令人困惑的难题。例如，如果为了使规范场理论满足规范不变性的要求，规范粒子的质量一定要是零，但是相互作用的距离反比于传递量子的质量，零质量显然意味着杨-米尔斯场的相互作用应该像电磁场和引力场那样，是长程相互作用。但是，既是长程相互作用，又为什么没有在任何实验中显示出来？而且更加严重的是，这个质量如果真有，它还会破坏规范对称的局域对称性。由于这些以及其他一些原因，杨-米尔斯场在提出来以后十多年时间里，一直被人们认为是一个有趣的，但本质上没有什么实际用途的“理论珍品”。

当时人们还没有认识到，正是这个规范粒子的质量问题，需要新的物理学思想来解决。

在20世纪60年代初，物理学家们由超导理论的发展中认识到一种重要的对称破缺方式，即“自发对称破缺”。1965年，物理学家彼特·希格斯(PeterHiggs)在研究区域对称性自发破缺时，发现杨-米尔斯场规范粒子可以在自发对称破缺时获得质量。这种获得质量的机制被称为“希格斯机制”。

有了这一重要进展，人们开始尝试用杨-米尔斯场来统一弱相互作用和电磁相互作用。1967年前后，在美国物理学家格拉肖(SheldonGlashaw，1932—)、温伯格(StevenWeinberg，1933—)和巴基斯坦物理学家萨拉姆(AbdusSalam，1926—)的共同努力下，建立在规范场理论之上的弱电统一理论的基本框架终于建立起来。到1972年，物理学家们又证实杨-米尔斯场是可以重整化的，这样，杨振宁的规范场论就成了一个自洽的理论，规范场理论的最后一个障碍也终于被克服了。

1973年，欧洲核子研究中心(CERN)的实验室宣布，他们的实验间接地证明了格拉肖—温伯格—萨拉姆(GWS)弱电统一理论预言的规范场粒子中的一个中性粒子Z是存在的。GWS理论预言了三个规范粒子W+、W-和Z°，现在只有Z°已经被“间接”证明的确存在。但有意思的是，在这种并没完全被确证的情形下，1979年，瑞典诺贝尔奖评选委员会将这一年的诺贝尔物理学奖授予了萨拉姆、温伯格和格拉肖，原因是“因为对基本粒子之间的弱相互作用和电磁相互作用的统一理论的贡献”。这可以说是规范场理论在发展过程中第一次促使诺贝尔物理学奖的颁发。格拉肖在获奖后幽默地说：“诺贝尔奖委员会是在搞赌博。”以前，这个委员会只把奖金授予被实验证实了的理论，这次可说是少有的破例。不过，当时绝大部分物理学家已经确信：找到W⁺、W-和Z粒子只是一个时间的问题。这充分说明，美妙的理论会给人们以多么充分的信心。

果然，到1983年上半年，CERN宣布三种粒子都找到了。至此，建立在杨一米尔斯场基础上的弱电统一理论，终于被公认是真实反映自然界相互作用本质的理论，被认为是20世纪重大成就之一。正如潘国驹先生所说："1983年发现的重光子〔1〕证实了杨-米尔斯规范场不但是一个'漂亮’的理论，更重要的是，它符合了实验结果。它的重要性可以与爱因斯坦的相对论相比。应该说杨先生是继爱因斯坦之后，最有贡献的物理学家。”

〔1〕电磁场的规范粒子是光子；弱电场的规范粒子是W和Z，它们也被称为“重光子”(heavyphoton)。

1983年1月26日是宣布发现W#粒子的重要日子。派斯参加了这个发布会，他用妙笔生花的文章描述了这一天他的感受，并且把这一感受作为他的名作《基本粒子物理学史》一书的开篇。由此可见，W#粒子发现具有多么重大的意义。

统一了电磁相互作用和弱相互作用以后，物理学家普遍认为物理学向"统一场论”前进了巨大的一步。这曾经是爱因斯坦梦寐以求的目标。接下去，人们自然会想到，既然利用规范场理论统一了两种表面上看来截然不同的相互作用，那么杨振宁的规范场理论也很有可能把强相互作用统一进去，这种设想中的统一理论称为“大统一理论”。