杨-米尔斯理论那么重要,为何杨振宁教授大名鼎鼎,米尔斯籍籍无名?

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因为,这个理论虽然重要,却和老杨和米二斯没有什么关系。简单说,这个理论不是他们创立的,是几十位大师共同的成果。老杨为什么大名鼎鼎?一方面是因为他早年宇称不守恒带来的诺奖,更重要的是国内有一大波无底线杨吹不遗余力的鼓吹老杨。我在美国学校期间,外国人根本没有什么人整天鼓吹杨振宁比肩这比肩那的说法,他只是众多物理学大家中普通的一个。


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首先,杨-米尔斯方程实际几乎一文不值。很多人对杨振宁的吹嘘吹到天了!杨振宁回国的原因,主要是国外的学术期刊都不愿意再发表他论文了,原因就是他很久都没有新意了,唯独国内的期刊还肯发表他的论文。没人肯再发表杨振宁论文,这就是对杨振宁的评价,也就是认为他的新论文一文不值呗。

杨-米尔斯理论只是N个大统一理论中的一个,而且没有作出解,也就是没有解出来,没有任何实际用途。而真正实现了电磁力、弱作用、强作用理论统一的是别人,而且别人也因此拿了诺贝尔物理学奖:S.格拉肖、S.温伯格和萨拉姆提出的SU(2)×U(1)模型,预言了弱中性流和粲数的存在及其性质,均为以后一系列的实验所证实。由于他们对电弱统一理论的重大贡献,这三位学者获得了1979年度诺贝尔物理学奖。这三位学者的成就其实也就是对杨-米尔斯理论的否定,因为人家的模型正确统一了三大作用力,也就无需杨-米尔斯理论了。

如果杨-米尔斯理论真有价值,那么合伙人一定也会名声大噪,然而米尔斯却默默无闻,只是找到一个不知名的Oklahoma State University去当助理教授,一辈子也没什么进展,可见那个理论实际一文不值。

统一理论实际是爱因斯坦提出来的,然后N多人都想去解决,杨-米尔斯只是其中一个方程式,但是却没有解,而格拉肖等人成功用其他理论解决了三大作用力的统一,并获得实验验证。因此杨-米尔斯方程实际只是一堆失败尝试理论中的一个(没有解出来的一个方程式),却被国内某些人捧上天了。

牛顿、爱因斯坦、麦克斯韦为什么被称为大师呢?是因为他们不但提出了理论,还把公式解出来了,被实验或者观测现象所验证,并能指导实践。而杨-米尔斯理论是什么?一个没有解出来的方程式而已,没有解出来能有什么价值?大多数物理学家认为那个方程完全无解,因此也就毫无价值。

真正让杨振宁出名的还是那个宇称不守恒定律,然而那个定律其实很多科学家都早于杨振宁发现,在一个半年前的论坛上大家就已经讨论宇称不守恒了,唯独杨振宁和李政道抢先发表为论文,感觉像是抢注商标成功一样。别人为啥不抢先发论文呢?是因为大家还没想出来如何来验证。后来吴健雄想出来一个巧妙的方法:用两套实验装置观测钴60的衰变,她在极低温(0.01K)下用强磁场把一套装置中的钴60原子核自旋方向转向左旋,把另一套装置中的钴60原子核自旋方向转向右旋,这两套装置中的钴60互为镜像。实验结果表明,这两套装置中的钴60放射出来的电子数有很大差异,而且电子放射的方向也不能互相对称。实验结果证实了弱相互作用中的宇称不守恒。首先提出宇称不守恒的不是杨振宁,想出方法验证的也不是他,他却因为抢先和李政道发表论文而得奖。

因此杨振宁的贡献可有可无,少了他,也是一大堆人抢着要发表宇称不守恒的论文。而真正统一了三大作用力的也是别人的理论、别人的模型、别人的诺贝尔奖。

后来至于杨振宁大大出名主要还是靠82岁娶了28岁老婆这件奇事,以及他强烈反对中国建最新的对撞机的事。他为什么反对呢?是因为他认为高能物理已经发展到头了,再也研究不出新东西了


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罗伯特·劳伦斯·米尔斯已经在1999年10月27日去世了,他一生最大的成就就是与自己的老师杨振宁先生提出了震惊世界的杨—米尔斯理论,之后再无建树。他生前一直在说,“杨-米尔斯规范对称方程是杨振宁的,自己只是有幸跟着署名”

说起杨振宁的学术成就,很多人只知道他和李政道一起提出宇称不守恒理论,获得了诺贝尔奖,但这只是他众多学术成就中的一小部分。事实上,他在统计力学、凝聚态物理、粒子物理、场论等物理学4个领域有13项世界级的贡献,这一点举世闻名,无可否认。

在这众多成就中,最熠熠生辉,甚至能值两个诺奖的学术贡献,则是大众非常陌生甚至一开始物理学界也不看重的杨—米尔斯理论,这是杨振宁与自己的学生米尔斯早于自己获得诺贝尔奖的宇称不守恒定律在1954年提出的,并直接催生了杨—米尔斯规范场论。

世界著名物理学家、诺贝尔物理学奖获得者丁肇中教授曾经在杨振宁70岁生日上这样说道:提到20世纪物理学的里程碑,我们首先想到三件事,一是爱因斯坦的相对论;二是狄拉克拉的量子力学;三是杨振宁的规范场论。

那么规范场论到底伟大在哪里呢?这就需要从四种基本力说起了。

爱因斯坦时代划分了宇宙的四种基本力。它们分别是电磁力(以多种形式存在,包括电、磁和光本身)、引力(使地球和行星保持在它们的轨道上运动,引力也约束了银河系的平衡)、强核力(为恒星燃烧提供能量。它使群星闪耀,创造出灿烂的、给予生命的阳光)、弱核力(支配某些形式的放射性衰变)。

爱因斯坦为此在生命的最后三十年执着于统一这四种力,他给这个理论创造了一个词:统一场论。遗憾的是,他探索光和引力的统一场论并未成功。他去世的时候,留下的仅是书桌上未完成的各种手稿。

杨-米尔斯理论(规范场论)的提出为大统一理论指明了方向。基于这个理论,物理学家统一了电磁力和弱核力,创立了电弱统一理论。在温度极高的早期宇宙中,电磁力和弱核力是统一的电弱力。以此为基础,粒子物理标准模型又把强核力统一进去。也就是说,在杨-米尔斯理论的框架下,除了引力之外的三种基本力已经得到统一,可谓是完成了75%的大统一理论。

不止于此,在20世纪70年代,科学家们逐渐认识到,所有的核物质的秘密都可以被杨-米尔斯规范场论解开。把物质结合在一起的木头的秘密是杨-米尔斯的规范场论,而不是爱因斯坦的几何学。

今天,杨-米尔斯规范场论已使“建立一种关于所有物质的无所不包理论”成为可能。事实上,我们是如此相信这个理论,以至亲切地称它为“标准模型”。

标准模型可以解释所有的关于亚原子粒子的实验数据,甚至可以解释大约1万亿电子伏特的能量(用1万亿伏特的电压加速一个电子而产生的能量)。这大约是目前在运转的原子加速器的极限。因此,可以毫不夸张地说,标准模型是科学史上最成功的理论。

根据标准模型,每种结合各种粒子的力都是通过交换不同种类的量子产生的。现在让我们单独讨论每种力,然后将它们组装成标准模型,于是,杨-米尔斯场又成为了时下大火的量子理论的基础。


高维宇宙观


杨-米尔斯理论,也就是杨振宁先生和米尔斯一同提出的一个描述强力场的场方程。

其中的米尔斯,全名叫做罗伯特.劳伦斯.米尔斯,是美国的物理学家,专门研究量子场论和多体理论的。


米尔斯之所以不是那么出名,主要在于他对物理学的贡献基本就是和杨振宁合作的杨-米尔斯场理论。并且,提出杨-米尔斯场理论的基本思想和整个论文工作,以及理论的推广,杨振宁先生做的事情比米尔斯多的多,这并不奇怪。

比如当时提出这个理论的时候,杨振宁就有一个
刺手的问题没有解决,就是传递强力场假设的零质量粒子找不到。零质量意味着强力场如同电磁场一样,可以传播很远,但这和强力属于短程力是矛盾的。理论的缺陷杨振宁是心知肚明,因此冒着“被喷”的危险去推广演讲出来,结果真被著名的物理学家“泡利”直接当场打断质疑,这些米尔斯都没有做,所以不出名也是有些原因的。

也正因为在杨-米尔斯理论刚提出的时候存在缺陷,所以起初物理学界基本没什么动静,杨-米尔斯理论的重要性是在后来众多科学家研究强力和弱力的时候凸显出来的,甚至为后来的整个弱电统一理论奠定了基础。


我们总说杨振宁堪比牛顿爱因斯坦,杨-米尔斯理论很重要,其实看懂上图也就明白为什么会这样说。

科学家一直在试图找到一个可以描述自然界四种基本力的终极(万有)理论,整个万有理论现在发展出来的只是大统一理论。引力一直没有统一,其他的三种基本力(强相互作用,弱相互作用,电磁力)说得上是基本统一了,但却一直没有得到验证,而组成大统一理论的弱电统一确实上世纪就完成并证明的,而杨振宁先生的杨-米尔斯理论奠定了弱电统一理论乃至整个万有理论的基础框架,重要性可想而知。


科学新视野


米尔斯

这写下这篇文章之前,我大量搜索了一下罗伯特·米尔斯(Robert Mills,也就是杨米尔斯理论的“米尔斯”本人)的详细资料和传记,原因在于我觉得可能我们对他的了解不足,才会认为他对于科学的贡献除了杨米尔斯理论之外再无其他。

不过,经过反复地搜索和阅读,我惊讶地发现,这位科学家基本上能拿的出手的就是:杨米尔斯理论

其他的可查就是他是俄亥俄州立大学的物理学教授,然后出版过两本书《Propagators for Many-Particle Systems and Space》以及《Time and Quantra》。

所以,我们可以说,米尔斯一生中最大的成就确实就是杨米尔斯理论,而且也是唯一个拿得出手的科学成就,事实上,放眼整个科学史的发展,这样的事情还是蛮多的,并不是什么稀奇的事,相反能够持续产出的科学家才是少之又少的,而杨振宁正好相反,杨振宁却是一个持续高产的科学家,也正是由于这点,米尔斯并没有像杨振宁那样具有非常高的科学地位。那杨振宁都有哪些学术成就呢?

杨振宁的学术成就

其实杨振宁是一个学术生涯特别长的科学家,在科学史上都是极其少见。即使如今已经90多岁的高龄,依旧还在发表论文。很多人说他回国是养老的,但是这些人从来没有去看看杨振宁在回国之后发表的论文,他是在70年代末至今,硬生生把清华大学原本没有涉及到的凝聚态物理学提升到世界前五水平的专业。

(当然,你可以会觉得我是在胡说八道,咱们做事讲究证据,下图是从谷歌学术当中找到的杨振宁相关的学术论文,然后用引用次数排列,杨振宁是从1980年开始基本上就在国内旅居搞学术了,我们可以看到,他引用排名前10的论文章,有6篇产生于回国之后。)

(当然,我也相信,你一定对于他回国的时间产生怀疑,那么我们可以再追溯一下他回国的时间,他是1971年回国的,当时毛泽东、周恩来等国家领导人都接待了他。后来,邓小平同志也多次接待过他,他曾经作为中美沟通的桥梁,后来全心全意留在中国做科研和教育工作。)

从上面的论文的截图,其中引用次数那一栏,你大概已经能够感受到他的科研成果有多么的丰富了,这其实在整个科学史上都是极为罕见。整个20世纪,具有这样多成果的科学家,一个是爱因斯坦,一个是费米,前两位都是出了名的全能物理学家。而杨振宁也是如此,他在4个领域做出了13个堪称诺奖级别的贡献。

两弹一星邓稼先就曾经对自己的夫人说过杨振宁的成就,他是这么说的:

如果不是因为诺贝尔奖有规定每个人只能在同一个领域获一次奖,那杨振宁一定可以再获得诺贝尔奖。

这和米尔斯相比,就高下立判了。所以,杨振宁能够获得如此的学术定位,其实和他自身的学术成就极其高是有关的。

而且我们上文提到的“杨米尔斯理论”是杨振宁人生中最重要的科学成果,也是被引用次数最多的论文,在学术圈,主流的观点认为是杨振宁贡献远大于米尔斯,原因是这样的,当时的杨振宁是正儿八经的科学家,而米尔斯只是杨振宁的学生,一位普通的研究生而已。而且,我们由后来两人的成就,也能够知道谁才是主导这篇论文的人。

后来到了,1994年,杨振宁在被授予鲍尔奖时,组委会给出的评语是这样的:

杨米尔斯理论的相关工作已经排列在牛顿、麦克斯韦和爱因斯坦的工作之列,并且一定会对未来几代的科学发展产生类似的影响。

其中,我们要知道牛顿、麦克斯韦、爱因斯坦是物理学史上前三顺位的科学家,由此,我们看出杨振宁的学术地位。

除了杨米尔斯理论,杨振宁还有杨巴斯特方程,宇称不守恒等巨大的科学成就。通过杨米尔斯理论和杨巴斯特方程而获得诺贝尔奖的物理学就有好几位,其中杨米尔斯理论就有五位。

而杨振宁获得诺贝尔奖的则是宇称不守恒,这是和李政道合作得到的。(当然,李政道和杨振宁分别都认为自己的贡献更大一些,不过我们要补充一点,宇称不守恒在杨振宁众多的科学成就当中,能勉强跻身第三名,所以大家可以自行体会一下。)

后来,《自然》杂志曾经在2000年评选过:“世界影响最大的20位物理学家”,杨振宁就在其中,也是唯一的一位华人,同时也是唯一一位健在的科学家。

所以,杨振宁的学术地位是远超过米尔斯的,因为他拥有的科学成就远远多于米尔斯,而且他是持续高产的全能科学家,米尔斯在这之后就没有拿出过像样的科学成就了。


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说到这个先说杨振宁当时获得诺贝尔奖的时候还是我们中国国籍,而杨振宁和米尔斯在杨振宁获得诺贝尔奖之前就已经提出了这个理论,只是在当时这个理论只是刚刚提出并不完善,而且当时这个理论刚刚提出来有许多漏洞并没有完善,所以在当时这个理论并没有在第一时间获得更高的荣誉。



1956年也就是杨,米尔斯理论提出来的两年后,杨振宁和李政道共同提出了宇宙不守恒定律,导致李政道和杨振宁名声大噪,而且在这个理论发表的一年后也就是1957年获得了诺贝尔奖,而杨,米尔斯理论是1954年发表出来的,真正让杨振宁最早名声在外的反而是诺贝尔奖,而后来的名声和地位的提高是杨,米尔斯理论。


有多厉害呢这个理论,这个理论在后来科技进步的时候培养出来了六名诺贝尔奖获得者,而真正让这个理论名声起来的是六七十年代的时候,这个理论的部分缺点和不足的地方被填补完成,这个理论成为了近现代物理科学方面的基础教学理论,而且实验室里面进行的许多实验证明了这个理论的真实性。

这个理论是杨振宁和米尔斯两个人共同提出来的,但是在物理界的地位米尔斯远没有杨振宁高,就好比李政道和杨振宁获得诺贝尔奖,但是李政道的名声和地位也远不如杨振宁高,其实两者之间的区别是杨振宁的名声和地位并不是靠诺贝尔奖,所以而李政道唯一的最高成就就是这个诺贝尔奖。


米尔斯和杨振宁一起提出这个理论,但是名声和地位是相差天壤,主要是这个理论的主要提出者是杨振宁,而米尔斯是次要配合的,而米尔斯的一生中也只有配合杨振宁的这个理论的成就,其他没有太多拿的出手的东西,而杨振宁不一样,不仅是宇宙不守恒定律的提出者之一,还是杨,米尔斯理论的主要提出者,一加一远远大于二。

而杨振宁的这个理论的确是近现代物理基础理论的巅峰,现在的许多物理基础研究都建立在这个理论上,而米尔斯在这个伟大的理论里面的贡献只是辅助作用,并不是主要的提出者,所以名声远没有杨振宁高,当一个人的成就太高的时候会把自己身边的人的光芒掩盖完,为什么米尔斯名声不如杨振宁,其实就可以从名声和地位看出来这个理论里面谁是主要的谁是次要的,也可以看出这个理论的贡献率大小而已。


杨振宁在物理界的地位可以说是泰山北斗,在外国都是备受尊重的,只是只有我们国内的人揪着他的一些问题不放,怎么说对于这种死抓不放的行为也只有我们一些国人做得出出,还整天是包容,其实最斤斤计较的反而是我们自己,整天揪着别人的生活不放,人家两厢情愿其实也好像没有碍着谁呀。

再者当年没有第一时间回国当然是有原因的,在那种环境下不回来其实可以理解,毕竟回来他的下场绝对好不到哪里去,甚至躲不过十年的文革,其实杨振宁的父亲到死没有原谅杨振宁,其实并不是计较他当时没有第一时间回国,而是计较他后来加入了美国国籍。


杨振宁在七十年代就已经回国做贡献,还获得了毛主席和周总理的接见,这种待遇也只有钱学森和早期的邓稼先有这样的待遇,也说明了杨振宁在国家的地位,没有贡献是不可能有这个待遇的,有些贡献是普通人看不到的,但是却是真实存在的,隐形的贡献并不比看得见的贡献低,只是不懂的人整天知道挖苦,讽刺为国家贡献和对世界贡献的伟大科学家,也只有我们国内的一些人能做得出来,其实挺可悲的。


无法超越的足迹


米尔斯当时是杨振宁带的研究生,这篇论文和宇称不守恒论文不一样,那篇是杨李并列作者,这篇杨振宁是第一作者和通讯作者。米尔斯后来在采访中自己也承认,自己只是做了一些打下手的计算工作,主要思想都是杨振宁的。米尔斯后来也没有其他的突出成就,所以并不出名。


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米尔斯

米尔斯全名罗伯特·劳伦斯·米尔斯,1927年出生,1999年去世,杨振宁与米尔斯是老师与学生的关系,后来在美国的俄亥俄大学做教授。

从学术成就上面来说,米尔斯并没有青出于蓝而胜于蓝,最著名的成果就是与杨振宁合作的研究成果杨-米尔斯理论。从年龄上来说,杨振宁是世界唯一还在世的排名物理学史前20位的物理学家。从国籍上来说,杨振宁祖籍是安徽合肥,早年在美国求学并开启科学研究生涯,后回到祖国贡献力量,这同样吸取了更多的关注。当然,科学家的真正的国际地位来自于他的研究成果,而不是那些花边新闻,所以我们就着重介绍一下杨振宁的研究成果。

杨振宁的研究成果

在科学家眼里,最重要的还是自己的科学研究,1956年,杨振宁与李政道合作发表了研究成果宇称不守恒,1957年,经过华裔科学家吴健雄的实验验证,很快就获得了当年的诺贝尔物理学奖。这也是米尔斯一辈子也无法企及的。

爱因斯坦因光电效应而获得诺贝尔奖,跟爱因斯坦一样,杨振宁获得的诺贝尔奖并不是他最伟大的成就,他最伟大的成就是本文题目中提到的杨米尔斯理论。1954年,杨振宁同他的学生米尔斯共同发表了杨-米尔斯规范场论,这个理论当时并没有获得物理学界的重视,但是经过几十年的发展,由此理论逐步发展成为当今统一三大力的标准模型。

我们知道,科学家将世界上的力的现象分成四种力,分别为强相互作用力,弱相互作用力,电磁力,和引力。其中,电磁力早前由麦克斯韦的麦克斯方程组所描述,而引力是由爱因斯坦的相对论引出的引力场方程所描述。而杨米尔斯理论中的杨米尔斯方程就是用来描述强相互作用力与弱相互作用力的。科学史上有这么一种说法,一牛二爱三麦,也就是说杨米尔斯理论可以与麦克斯韦方程组与相对论并驾齐驱。毫无疑问,杨米尔斯理论是诺奖级别的研究成果。

除了此外,杨振宁是一位研究范围非常广的科学家,他先后在统计力学,凝聚态物理,粒子物理与场论发表过多篇划时代的论文。

世纪之交时,专业杂志《自然》曾评选“影响世界最大的20位科学家”,杨振宁位列其中,可以看出,杨振宁不仅仅是在国内有相当高的地位,在国际上同样是物理学界大神,而且今年已经90多岁的高龄了,依然活跃在科学界。

当然,米尔斯因为杨米尔斯理论已经可以称得上是一位有名气的科学家了,但是要与杨振宁相比,他的研究成果及知名度还是有较大差距的。


科学认识论


罗伯特·劳伦斯·米尔斯(英语:Robert Laurence Mills,1927年4月15日-1999年10月27日),美国物理学家,生于新泽西州恩格尔伍德。1956年成为俄亥俄州立大学的物理学教授。主要贡献是与杨振宁合作的杨-米尔斯理论。

主要是没有后续的突破性贡献,应该是蹭了老杨的成果! 这么重要的结果,没个白人参与,他们脸上无光啊!


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杨-米尔斯理论是20世纪下半叶最为重要的物理理论,是1954年杨振宁和其学生杨-米尔斯一起提出来的。

这个理论提出的时间要早于宇称不守恒定律,宇称不守恒定律是1956年和李政道一起提出的,之后该定律被吴健雄设计的Co原子核衰变所证明,杨振宁和李政道因此获得1957年的诺贝尔奖而名声大造。当时包括杨振宁在内的所有科学家都未对杨-米尔斯理论重视,认为该理论并没有什么特别大的意义。然而随着粒子物理学的发展,特别是对称性自发破缺与渐进自由的观念的诞生,促使科学家们发现此理论竟然可以完善成一个可以统一强力、弱相互作用和电磁力的规范场论。几乎差一点就成为万物理论,现在该理论基本上囊括了除了引力外其它三种基本力下,任何粒子和物质。如果这个理论在进一步发展,能够把引力也成功描述的话,那它就会成为爱因斯坦辛苦了后半生却没有找到的大一统理论。所以,该理论的物理学意义十分重大。


但奈何杨振宁和其学生米尔斯提出该理论的时候,很多基本粒子还没有发现,很多模型还不够完善,甚至说杨-米尔斯理论本身都存在很多不完善的地方,所以并没有吸引科学家们的注意。后来经过很多科学家的完善,才使得此理论发展成为了标准模型。而且,很多因为对该理论贡献很大的科学家都获得了诺贝尔奖,反倒是杨振宁没有获得。这或许和该理论提出的时候并未阐明其意义,而且还不完善有关。所以,有些人甚至认为杨振宁和米尔斯只是搞出了个壳子,并未有什么重大贡献,反倒是后续完善此理论的科学家贡献不容忽视。

不过,杨振宁也并不是靠着一个理论而成名的。但是其合作者也是其学生米尔斯,自次理论提出来之后,再也没有什么拿得出手的成果,所以逐渐就被人们遗忘了。除了这个理论上带有他的名字之外,其它的和米尔斯就毫无关系了。而且此论文发表的时候杨振宁排在前面,所以基本上米尔斯可以认为是“蹭”了杨振宁的研究结果而已。


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