2004美女和俊男“小品”：渐近自由杨建邺

现在，建立在规范场基础的理论“量子色动力学”(QCD)——它描述夸克之间强相互作用，也获得了大量实验的支持。在强相互作用这一理论中，最引人注目的是关于夸克禁闭(quark confinement)的解释。这一解释也是建立在规范场基础上的。米尔斯在20世纪80年代说得很正确：“如果最终的[大统一]理论能被真正确认的话，那么一定会证明它是一个规范理论。这一点现在看来几乎是无可怀疑的了。”

1985年，杨振宁在纪念韦尔诞辰100周年大会上说：

由于理论和实践的进展，人们现在已清楚地认识到，对称性、李群和规范不变性在确定物理世界中基本力时起着决定性的作用。

美国著名物理学家戴森在1999年5月22日杨振宁于石溪荣休学术讨论会上发表了题为《杨振宁——保守的革命者》的演讲，他指出：

杨教授是继爱因斯坦和狄拉克之后，20世纪物理学的卓越设计师。从当年在中国当学生到以后成为石溪的哲人(Sage)，引导他的思考的，一直是他对精确分析和数学形式美的热爱。这热爱导致了他对物理学最深远的和最有创见的贡献——和米尔斯发现的非阿贝尔规范场。随着时间的推移，他所发现的非阿贝尔规范场已渐渐成为比宇称不守恒更美妙、更重要的贡献。后者使他获得了诺贝尔奖。发现宇称不守恒、发现左手和右手手套并非在各方面都对称，是一项了不起的破坏行动，它摧毁了在前进道路上的思维结构的基石。相反，非阿贝尔规范场的发现为新的思维结构垒下了基石，这个结构以后经过30年才建立起来。〔1〕今天，当代理论所描述并为当代实验证实了的物质的本质，是各种非阿贝尔规范场的组合。它们为杨在45年前首先猜测的数学对称性所支配。

〔1〕在《曙光集》(参考书目41)第292页，这句话的中译文把前半句漏译了。

和重建城市以及国际政治一样，在科学中摧毁一个老的结构比建立一个持久的新结构容易。革命领袖可以分为两类：像罗伯斯庇尔和列宁，他们摧毁的比创建的多，像富兰克林和华盛顿，他们建立的比摧毁的多。无疑，杨是属于后一类的革命者，他是一位保守的革命者。和富兰克林以及华盛顿一样，他爱护过去，尽可能少摧毁它。他对西方科学的杰出思维传统和对中国祖先的杰出文化传统同样崇敬。

我们现在已经可以清楚看出，麦克斯韦的电磁理论决定了电磁相互作用，爱因斯坦理论决定了引力相互作用，现在，杨-米尔斯理论又决定了弱相互作用和强相互作用，无论麦克斯韦的理论还是爱因斯坦的理论，都是规范场理论，这一切都是通过杨振宁和米尔斯的成就才最终了解的。因此，人们已经公认，杨-米尔斯理论是继麦克斯韦电磁理论、爱因斯坦引力理论之后对于“力”的起源最重要、最基本的理论。这是杨振宁在物理学领域里作出的最高成就。丁肇中在他写的《杨振宁小传》中有这样一句话：“1954年他与米尔斯发表的规范场理论，是一个划时代的创作，不但成为今天粒子理论的基石，并且在相对论及纯数学上也有重大的意义。”

也同样是这一原因，不少著名的物理学家认为，杨振宁完全有资格再一次获得诺贝尔物理学奖。实际上杨振宁的规范理论，比他获诺贝尔奖的伟大发现更基本、更深远。

在结束这一小节之前插人一个很有趣的插曲，一定会让读者更加深刻领会杨-米尔斯理论的重要性和普适性。这个插曲与2004年诺贝尔物理学奖有关。

三位美国物理学家格罗斯、维尔切克和波利策获得2004年诺贝尔物理学奖，他们获奖的原因是由于他们在1973年各自独立地发现：物质的最基本粒子——夸克有一种所谓“渐近自由”(asymptoticfreedom)的特性。什么是“渐近自由”？原来在强相互作用里，夸克彼此之间离开得越远它们之间的相互作用力就越大；当它们靠得很近的时候反而相互作用很小，非常自由。这显然与其他三种相互作用大不相同，例如电磁相互作用中带电粒子距离越近相互作用力越大，距离越远相互作用力越小。夸克这种渐近自由的特性决定了夸克永远囚禁在一个小小的“袋子”(bag)里，人们不可能见到单个“自由的”夸克——也就是说永远不能把它们分开。

1973年，这三位物理学家还都非常年轻：格罗斯最大也只有32岁，当时在普林斯顿大学工作；维尔切克最年轻，22岁，是格罗斯的研究生；波利策24岁，当时在哈佛大学，是科勒曼(SidneyColeman)的研究生。这年6月，格罗斯、维尔切克和波利策，各自独立地在美国《物理评论快讯》上发表了文章，声称他们发现夸克之间遵守“渐近自由”的规则——用术语说就是SU(3)。是渐近自由的；下标c表示这是一种色对称(colorsymmetry)。这说明强相互作用也照样遵守杨-米尔斯理论。

有趣的是，在公布2004年这个物理学奖项的时候，诺贝尔委员会用一个“小品”来向公众解释什么是“渐近自由”。他们请了一个美女和一个俊男上台，两人手里各抓住一条红色绸带子两端。当他们两人靠近的时候，绸带松垂着，两人之间很自由，彼此不受束缚；但是当两个人身体分开并向后仰，使得绸带绷紧了的时候，他们就不自由了，而且不能分开，除非剪断红绸子。

更有趣的是格罗斯和维尔切克的研究过程可谓一波三折。本来实验已经证实夸克是渐近自由的，但这似乎与杨-米尔斯理论有根本的矛盾。于是格罗斯和维尔切克两人想通过他们的研究，一了百了地宣判杨-米尔斯理论“死刑”，即不能用杨-米尔斯理论解释强相互作用。起初，格罗斯真的“证明”了杨-米尔斯理论不能渐近自由，但是后来发现这个证明实际上错了。改正错误以后，他们惊讶地发现：杨-米尔斯理论居然与渐近自由一点都不矛盾。格罗斯后来说：“这就好像你想从各个角度证明上帝不存在，但是在最后一个证明中，爬上山巅，却发现‘他’就出现在你的面前！”中国有一句俗语：“有心种花花不发，无心插柳柳成荫。”格罗斯和维尔切克两人的重要发现就是这样。

2004年的诺贝尔奖证实：杨一米尔斯理论的地位越来越不可动摇。解决大统一理论看来一定是包含多种杨-米尔斯场的理论。