杨振宁五十四年再回顾与物理的发展

摘要 1961年杨振宁在美国麻省理工学院百年庆的座谈会上发表“物理学的未来”，显现出当时与谈者中最年轻的杨振宁对物理科学的一种深刻视野。他的观点得到大物理学家维格纳的响应赞赏。该文后来收入杨振宁60岁出版的《论文选集评注》，也受到广泛注意和好评。2015年杨振宁在新加坡“杨一密尔斯规范场论60年研讨会”上，发表“物理学的未来重新检讨”主题演讲，对54年前自己的物理未来视野再次检讨，再次显现了他对物理科学的审慎透思。

关键词 杨振宁 物理学的未来 爱因斯坦 费曼 麻省理工学院

1961年，美国麻省理工学院为了庆祝设校百周年，举行了一个小型的座谈会，座谈会的主题是“物理学的未来”，参与座谈得有四位物理学家，分别是考克饶夫（J.Cockcroft）、派尔斯（R.Peierls）、费曼（R.Feynman）和杨振宁。考克饶夫是著名的英国物理学家，曾设计加速器进行粒子撞击实验，派尔斯在原子核物理中有关键贡献，是德国出生的英国物理学家。四人当中，最年轻的杨振宁当时39岁，费曼长他4岁，最年长的派尔斯66岁，考克饶夫64岁。

杨振宁是座谈会中第三个发言者，他所讲的“物理学的未来”内容，展现出年轻杨振宁对物理学的一种视野，当时便引起匈牙利裔大物理学家维格纳（E.Wigner）的兴趣，曾经与杨振宁有书信交流讨论，那篇“物理学的未来”后来收入为杨振宁60岁出版的《论文选集评注》，一直受到相当的关注。

54年前杨振宁在“物理学的未来”开头便说：“最近四、五年间，理论物理学家致力于由物理可观察的经验，向非物理范畴的分析延伸。”他接着说，“特别地，是试图以外推探究未测知领域的化约齐一性。”杨振宁接下来的结论是：“这些努力一起步便困难重重。”

杨振宁当时所提“最近四、五年的理论物理”工作，应该包括20世纪40年代以降的分析延伸工作，他1954年与密尔斯（R.Mills）探讨的规范对称性，以及其后几年基本粒子在对称结构数学方向上的发展。杨振宁说，虽然这些工作碰上困难，却没有阻止理论物理学家的兴趣。他说麻省理工学院的座谈会，也希望经由外推，探索并超越过去经验，去认知一些当时尚未观察到的未来物理发展。杨振宁以为，虽然这样的尝试极为有趣，却不能期望在这些探索中会得到真正的成就。

杨振宁以为，到当时为止，20世纪的物理发展是令人惊叹的。由世纪初物质原子建构概念才成为新的研究项目，探究能力的精细程度进展了百万倍，由原子尺度到达次原子粒子尺度，能量由几电子伏增加到几十亿电子伏，实验技术也同步精进。而且物理学的发展给化学、天文学甚至生物学带来的影响，重大到难以形容。

杨振宁接着提出他对理论物理的评价标准。他认为，“物理学的荣耀不是建立在这些影响之上，物理学家最看重的也不是这些影响。”“甚至物理实验深入范围的不断扩大，虽说重要，也不是物理学家最觉满意与引以自豪的。”

他说，“使物理学成为如此一个独特智力成就，主要在于一些概念形成的可能性，而且由这些概念出发，用爱因斯坦的话说，‘一个完整可用的理论物理系统’能够被建构起来。”“这样一个系统体现了普适的基本规律，‘用这个系统，宇宙能够用纯粹推导的方式建构起来’。”

杨振宁以为，从这样一个标准看，20世纪前60年的发展，恰如一首英雄史诗，在物理学领域不但有扩展我们物理知识的重大发现，还经验到不只一个、不只两个、而是三个物理概念的革命性变化：狭义相对论，广义相对论以及量子理论。由这三个物理概念上的革命，形成了一个深刻、完整以及统一的物理理论体系。

杨振宁接着问到，物理的未来前景是什么？他同意派尔斯认为的，物理学的基础以及最前沿后方的物理学，会快速扩展，他也以为未来几年在弱作用方面会有很大的揭示，甚至可能看到弱作用各种表述的统合。

杨振宁以为，要想更进一步就十分不确定。我们已经明确的提出许多问题，而其答案十分的关键紧要：如何处理一个有无穷多自由度的系统？时空连续概念是否可以外推到10^-14cm到10^-17cm，甚至更小？电荷共轭不变性以及同位旋转动的不变性基础是什么？这与时一空对称不同，都已知是不守恒的。强作用电磁作用和弱作用的统一基础是什么？与之有关的引力场作用是什么？

杨振宁说这样的问题可以继续罗列下去，也不知道是否有意义。不过他说得很好，那就是“大多物理学的进展，事实上正是由于对过去所问无意义问题的认识中所得到。”他认为很肯定的是知识会快速的累积，并以19世纪末迈克尔逊一莫雷的光速实验到1905年爱因斯坦发表狭义相对论，对比当时物理科学的进展，来说明知识累积速度之快。

接着他提出关注问题的核心，那就是他前面提到的，如何面对“一个完整理论物理系统”的建构，他问，“在20世纪前六十年光荣的传统下，是否能合理期待进一步的成功？”

他的文章说，如同理论物理以外推确定函数奇异性所碰到的困难，以推测去预言物理概念的革命变化也是困难的。杨振宁说对于一个将来的基本理论，似乎有一种无所局限的信心，他想发表一些悲观的看法。接着他以比较修辞性的语句说，“在这个百年的庆会上，充满着对过往成就的自豪以及对未来前景的广阔展望，在这样的兴奋气氛中，插入一些不合谐的旋律也许并非全不恰当。”

他从几个方面谈论他关注的问题。首先他说，“让我们再次强调，纯粹知识的积累尽管有趣，却与基础物理的目的十分不同。”

其次他说，“次原子物理探究的内涵与人类的直观经验已经十分遥远，当我们探索进入更小的尺度，这种遥远性肯定还会增加。”他认为日益增大的实验室规模加速器、探测器以及计算机，都是显见的明证。

他说当时的物理实验，“由精良设备和精确运作构成”，“要使一个实验的结果有意义，概念必须要建构在我们直接感受经验和实验实际运作的每一个层次上。”他说，如此造成的困难，是概念的每一个层次，是与前一个层次相关联，事实上是建构在前一个层次之上。如果显现出不恰当之处，就必须更深入去探究先前概念的繁复体系。随着考虑愈深，困难的程度便愈发宽广。杨振宁说就像是下棋，随着棋艺的精进，要预见后一步的挑战就会愈加的困难。

杨振宁接着提出大物理学家维格纳的计算，探究当时的物理场论，概念上至少要穿透四个层次。他说，计算的细节可以讨论，但无可否认，我们拟想一个更深入、更完整的理论体系结构，表现的概念至少穿透一个以上的层次。杨振宁接着清楚说明他的物理信念，“在此物理学家面对的困境，那就是物理学的最终判断在现实中。”物理学家“不同于数学家或是艺术家，不能凭借自由想象去创造新的概念、建构新的理论。”杨振宁接着提出英国著名物理学家爱丁顿（A.S.Eddington）说的一个例子。就是一个海洋生物学家，用六英寸网眼的鱼网长期探索后，得到所有的鱼都比六英寸大的定律。杨振宁说，这个想象的实验似乎十分荒谬，但是因着近代物理实验的复杂和间接性，其中便很容易找到这样的例子。杨振宁总结的话是，“人们没有认识到自己的实验的选择性质，选择是建立在概念上的，而概念也许是不合适的。”

最后杨振宁提出结语，物理学家日常的工作中隐含着这样的信念，“即人类智能的力量是无限的，而自然现象的深度是有限的。”他说，“这样的信念是有益的，或者说是健康的，因为可以给我们勇气。但是，相信自然现象是有限的想法是不合逻辑的，相信人类智能力量的无限也是不正确的。”

杨振宁说，“一个重要的必须考虑的事实是，每个人的创造力的生理局限和社会局限，可能比自然的局限性更为严重。”

杨振宁最后结论说，“在说了这些告诫性的意见之后，我们必然会问，它们是否与物理学的发展有关，譬如说是否与这个世纪剩下的四十年中的物理发展有关？现在我们不知道这个问题的答案，让我们祈望答案是否定的。”

杨振宁后来把这个简短的评论，寄给大物理学家维格纳，维格纳看后给杨振宁回了一信，对杨振宁的深刻物理透视和哲思表示赞赏。1963年得到诺贝尔奖的维格纳，在物理理论上多有创见，对于科学哲学造诣深刻，他曾在美国哲学学会会刊发表文章“科学的局限”，传诵一时。

1983年为纪念杨振宁60岁出版了《论文选集评注》，其中关于“物理的未来”的评注，有一段文字写道，“二十年过去，很不幸的，我1961年所做的告诫评论，并没有看错。当然，在过去的二十年，在实验和理论方面都有令人兴奋而且重要的进展。但是我却感受到当前我们这个领域的困境。一方面，今日的实验复杂而且昂贵，其筹备和进展都旷日废时，高能实验物理的周期十分的长，不幸而令人惊恐的是未来会更长。”

“在另一方面，高能物理理论的复杂性也日增，使得理论物理学家不只与实验疏离，彼此之间也日益疏离。其结果是使得我们的理论物理毕业生，甚至是一些实验物理学毕业生，日益疏离了物理现象，物理现象是我们这个领域最终探究的泉源。”杨振宁说，这不是任何人的错，但是令人忧虑。

杨振宁说，“我担心由爱因斯坦以至我们所有人向往的那个理论绝顶，到下一个世纪还依然无法掌握。”

32年之后，世界科技出版集团主席潘国驹特别在新加坡举行“杨一密尔斯规范场论六十年研讨会”，杨振宁在会上发表主题演讲，题目是《物理的未来·重新检讨》，再谈他54年前的关注。

杨振宁在《物理学的未来·重新检讨》中，先交待了54年前麻省理工学院那个座谈会的来龙去脉，他说麻省理工学院没有出版这个座谈会议记录，多年后史威柏（S.Schweber）在他的书《爱因斯坦和奥本海默》中将考克饶夫和派尔斯的意见综合论列，杨振宁的“物理学的未来”选入他1983年的《论文选集评注》发表，而费曼的发言则是2005年发表。

杨振宁的说法，指费曼发言是费曼过世后17年，在他女儿米雪·费曼（M.Feynman）编辑的《费曼手札·不休止的鼓声》中收录发表。其实费曼那篇文章曾发表在麻省理工学院的《科技评论》杂志，但却是他头一次看到。

费曼当时的发言，说对于考克饶夫、派尔斯和杨振宁的意见他大都同意，只有杨振宁认为事情会愈加困难的观点，他不大同意。费曼的意见是，任何时代都有困难，他也有悲观的一面，但是仍然很有勇气。

费曼一开始就限定自己的讨论，是与基本物理定律的发现有关的问题，也就是物理研究的最前线。另外他也觉得，在预测物理的未来时，应该同时考虑物理学所存在的政治与社会环境脉络。

费曼接着用他的传记所描述的他的风格，以一种善于言辞的表达方式作了较长论述。他认为譬如派尔斯所做的比较保守的，对四分之一世纪后的预测，其实也是有风险的，因此他想谈谈一千年的尺度，他问我们可以想象公元2961年的物理科学发展吗？或者如果回顾公元961年，又如何能够想象今日的成就。

费曼接着提到政治和社会的观点，他认为可能发生一场毁灭的战争，基础物理受到彻底破坏而无法复原。他认为基础物理的发展，譬如高能物理所需要的实验设施受到伤害，就会影响物理的发展，另外他认为物理学要有所进展，还必须要建立适合发展的文明环境。

如果物理一时没有新的发现，譬如高能物理之类的基础物理又没有什么实际的用途，而人为的战争灾难的巨变，就一定会激起反科学思潮，归罪于科学和科学家，认为他们是罪魁祸首。他特别强调了一件事，那就是“科学研究的精神不一定会再度萌生，因为科学精神主要是靠北半球的先进国家在发扬，不是普遍存在于世界各地。”

费曼也说，不要太悲观泄气，因为一千年的时间中，也可能再出现萌生科学的新文艺复兴，也可能是在物理之外的领域，而这种把科学态度当成一种类似于道德的规范，应用在社会、政治和商业领域的文艺复兴，如果能够让一个国家在一些方面得到成功的果实，科学便有机会再受到社会的重视。

费曼说如果没有人为的灾难或文明的崩溃，目前的社会体系继续发展一千年，一个可能就是科学上出现了最终的答案。费曼说，“我不同意杨教授认为物理定律本身已经把这种可能性否决掉的看法。”他用一个人由一扇门走进一栋建筑物来比喻探究，他认为我们无从知道这一栋房子是无限大的，还是有限大的。因此最终的答案是可能存在的。

他说这里的最终答案，就是发现了一组基本定律，所有的实验结果都在重复这组已知的定律，这时候研究工作就愈来愈无聊，于是大家就把注意力转到第二线的应用性工作。

他说如果发现了这样的最终答案，会发生的一件事就是目前活跃的科学哲学将会式微。他说我们现在之所以能够成功地对抗那些科学哲学家，或者一些议论知识以及知识获取方式的蠢材，原因居然出在我们还没有完全成功。他认为科学哲学做不出像样的预测，因为他们对现实没有真正的了解，今天科学哲学之所以活跃，是因为我们还挣扎于追求最终答案。

费曼说如果我们进入的房间，真的如杨振宁所说的有无穷大，那么另一个可能就是会不断的有令人刺激的发现，但是一千年里会继续有几十个重大发现吗？因此另一个可能是问题越来越难，进展越来越慢，他提出一些专业的内容，譬如强耦合已经分析，弱耦合部分分析了，分析更弱的耦合则更难，譬如三阶张量场，耦合常数可能不到重力常数的十的负三十次方。

费曼说这后续的发展，物理学可能包括一些不一样的内容，像派尔斯说的会涵盖天文史和宇宙学，定律会是一些包含时间项在内的微分方程，问题是什么决定了现在的条件，什么决定了整个宇宙发展的历程。它可能不再叫做天文史，因为物理定律可能已经把时间的变化考虑在内，如果是这样，表述定律和发现历史这两件事将没法区分。

费曼认为当时科学处在一个史无前例、美妙兴奋又刺激的时代，而且除了基础物理，还有许多可以研究的领域，虽然基础物理不可能永远发展，但是他认为还有好长一阵子可忙，也完全不准备离开基础物理的领域。

杨振宁今年5月的《物理的未来·重新检讨》演讲，延续了他一贯的简洁风格。他简单地提到他当年认为的基础物理根本困难，也简单提出费曼所说找到最终答案的一段文字。杨振宁说：

费曼是与我同时代一位具有了不起直观的物理学家。看他的这些文句，

我好奇的是：

（1）1961年他脑中想的最终答案是什么形式，而

（2）他最后是否依然有那样乐观的看法。

杨振宁接着写道：

我们在1961年座谈会之后的五十多年又获知了什么？

很多。由于理论与实验物理学家十分密集的合作，提出并且验证了许

多重要概念的进展：

一个特殊的对称破缺模型

电弱理论

非交换规范理论的重整化

渐近自由和量色动力学

居冠于这些发展的是2012年希格斯粒子戏剧性的实验发现。

我们现在有一个可运作的标准模型，一个SU（3）×SU（2）×U（1）规范场。

因此1961年以后的五十多年，在过去所有物理概念层次以及许多极大

型实验的基础上，我们在物理概念上更上了一个层次。

是不是有更多的物理概念层次，比我们现在所达到层次更深一层？我

相信有，而且很多。

我们何时可能达到下一个层次？如果有可能，我相信也是在遥远的将

来。

为什么你如此悲观？我不是悲观，我只是实事求是。

今年7月底在北京，我曾经以他今年这篇先谕式的文章，以及当年他的看法与费曼十分乐观看法的差异，就教于他。杨振宁当时说的是，“我在1961年对物理学前途的态度与费曼面对物理学前途的态度，基本反应了两个不同文化背景对物理学前途的认识。我是从中国传统儒家‘吾日三省吾身’的教训下引导出来的一种世界观，他是美国文化的世界观。”

杨振宁与我的谈话，后来成为一篇访问文章，刊登在《环球科学》十月号的爱因斯坦广义相对论一百年专题。我有一个对他提出的问题：

“回到您1961年的文章，您说宇宙的奥妙结构是无穷的，人类的智慧是有穷的，用有穷的智慧去追求无穷的宇宙，是不可能完全掌握的。这一点上，您和爱因斯坦讲的有些相似。爱因斯坦说，他只知道两个事情是无限的，一个是宇宙，另一个是人类的愚昧，他说他对前一个还不能确定。我们都知道，您的好朋友戴森（F.Dyson）在他有名的‘爱因斯坦讲座’《鸟与青蛙》中提到，一些科学家像鸟儿一样，有全观的眼光，他将您列于其一。我们看到，现在的很多新理论用数学推演的很好，但他们在物理上却面临着是否可以运作的问题。这是一个终极的哲学问题，也是一个科学问题。”

杨振宁回答说，“不错。像超弦论，它已有了极重要的数学影响，但是否与物理现象有关还是未知数。另外，我对超对称不那么乐观。有两个原因，第一，一个数学的东西如果被基本物理学采用，就一定是很妙的数学，这有很多过去的例子。可是超对称的数学不是最妙的，所以我猜想不是基本物理的基石。关于这一点我在1979年的一次纪念爱因斯坦诞辰百周年讨论会上就讨论过。另外，它搞了好几十年，还没有任何与实验相关的结果，所以我对它的未来表示怀疑。”

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