超越时代的科学家——杨振宁
光子盒研究院出品
导读：今年，杨振宁先生即将迎来99周岁生日。清华大学携手中国物理学会、香港中文大学，将于2021年9月23日在清华大学大礼堂举办杨振宁先生学术思想研讨会。
光子盒谨以此文预贺杨振宁先生99岁寿诞。
杨振宁，1922年10月1日生于安徽合肥，35岁获得诺贝尔奖。后来发表的杨-米尔斯理论更是与牛顿力学、麦克斯韦方程组、爱因斯坦的质能方程齐肩。
他是最早获得诺贝尔奖的华人，他的“宇称不守恒”观念颠覆了物理学的一般认识。他不仅是中国物理学史上一座难以攀登的高峰，更是世界物理学史上无出其右的引领者。
他的学说影响了20世纪后半叶以及现在的整个理论物理学的发展，有7个诺奖是因为找到杨振宁的标准理论所预测的粒子而获奖的，例如丁肇中、希格斯。研究标准理论获得诺奖的有几十个，杨振宁的影响几乎垄断了六十年来的诺奖物理奖的理论物理和粒子物理部分。
在有着数学诺贝尔奖之称的菲尔兹奖领域，有6个是研究杨振宁的方程而来(3个和杨-米尔斯方程相关，3个和杨-巴克斯特方程相关)。
但杨振宁的贡献远不止于此。更重要的是，他让国际正视中国科学家的学术科研能力，为国内科研发展推波助澜。更在高能物理界的一片狂欢中，时刻从国情出发，从未来科研方向的专业角度考虑，冷静自持，理智发声。
物理到底是什么？一般来说，物理是以观察事实为依据，探求我们身处的自然界所发生的各种现象(主要限于非生物现象)背后的规律。这对于不同人有着不同看法。而在杨振宁的眼里，物理是一个寻美求真的过程。
杨振宁天资聪颖，从小就展现出异人的天赋。他生于战乱年代，童年所留给他的模糊记忆仅剩下“跑反”——为躲避军阀混战而逃到乡下的医院或教堂。这种时代的印记所留给儿时的模糊印象，很难说没有影响到他以后所选择的生活。
后来，他出国留学的父亲归国，于1929年受聘至清华大学数学系任教。此后直至1937年“卢沟桥事变”的8年间，杨振宁在清华园度过了一个如百草园一般的奇趣无穷的少年时代。而在2003年归国定居，杨振宁也是选择回到度过他最美好少年时代的清华大学。
家庭教育的熏陶，生活环境的影响，杨振宁的聪颖与在数学方面的天赋早早就在中学时代显露出来，而真正对物理的兴趣则是在西南联大的学习。
后来，随着战乱开始，杨振宁一家前往昆明避难。他念完高二(1938年)以后，就参加了统一招生考试，在两万名考试中以第二名，考取了西南联大。存在只有8年时间的西南联大，在中国近代教育史就是一个奇迹，杨振宁也是这奇迹教育史的受益者之一。
当时，教授杨振宁大一物理的赵忠尧、大二电磁学的吴有训和力学的周培源，以及大三原子核物理的张文裕，这些都是后来在中国近代科学史上有代表地位的科学家。
而对他影响最深的两位则是吴大猷教授和王竹溪教授。吴大猷教授引领他走上对称原理的研究方向，王竹溪教授则给了他统计力学的启蒙，而这正是杨振宁后来在科学上创造顶尖地位的两个领域。
1941年，吴大猷在西南联大教古典力学和量子力学，杨振宁跟随其学习。就在这一年杨振宁寻求吴大猷指导其大学毕业论文，吴大猷教授给了他一篇讨论分子光谱学和群论关系的文章。
杨振宁回家向父亲讨教，他的父亲杨武之是中国第一代留学的数学博士，父亲虽然对物理不甚了解，但却很了解群论。于是就给了杨振宁一本狄克逊的《近代代数理论》。这本书非常精简，在20页之间就把群论中的“表示理论”完全讲解清楚了。
在杨振宁后来的回忆中，他从群论中感受到了数学的精简之美以及群论在物理中应用的深入，这对他后来的物理生涯有着巨大的影响。而在杨振宁后来的物理工作中，始终带有简约美妙的数学风格。
也正是吴大猷教授的引导，杨振宁对对称原理领域的兴趣从此一发不可收拾。对称原理也是他一生主要的研究领域，占了其研究工作的三分之二。
1942年，杨振宁后考入该西南联大研究院理科研究所物理学部(清华大学物理研究所)读研究生，师从王竹溪教授。
王竹溪教授的专长是统计力学，他把杨振宁引导进了统计力学的研究领域。而杨振宁一生的研究工作有差不多三分之一是在统计力学里面。
杨振宁在西南联大7年的学习生涯中，除了正常的课程，他还听过一个系列的电磁学方程讲座，以及王竹溪教授讲的“相变”。后来他在联大附中教书时，自学了留学过英国剑桥大学的马什骏的场论。这些学习给他打下了深厚的物理基础，后来他也在相变和场论相关的领域做出了引人注目的贡献。
这7年的学习不仅仅让他认识到物理的内涵，更是形成了他个人对物理学科独树一帜的风格和品味，而这在他后面的研究和工作生涯中一展无遗。
1944年，杨振宁西南联大研究生毕业。第二年，他得到庚子赔款奖学金赴美留学。
由于在西南联大实验的经验几乎为零，而物理的基础是实验，当时的杨振宁一心打算跟随恩利克·费米(Enrico Fermi)学习，并做一篇实验论文。
费米是20世纪最伟大的物理学家之一，被誉为“中子物理学之父”。他于1938年因“发现中子轰击产生的新放射性元素并发现用慢中子实现核反应”而获得当年的诺贝尔物理学奖。
当时，费米的实验室已经从哥伦比亚大学迁移到芝加哥大学。1946年，慕名而来跟随费米学习的研究生或博士生不在少数，而杨振宁就是这其中一员。
费米的风格严谨扎实，从理论到实验物理，从最简单的问题到最深奥的问题，都做了详细的笔记。杨振宁更加认识到，万丈高楼平地起，物理也不意外。再抽象化的问题都是在大量的基础工作之上衍生出来的，并非一蹴而就。另一方面，费米更侧重与论题的本质与使用，反对形式化的东西，也不会钻牛角尖。这些极大地影响了杨振宁对待研究的态度与观念。
后来由于费米的工作在阿贡国家实验室，与国防研究有关，身为中国人的杨振宁无法参与。费米便推荐他到爱德华·泰勒(Edward Teller)门下做一些理论的工作。
泰勒被誉为“氢弹之父，他于1930年代移民美国，并成为曼哈顿计划的早期成员，参与研制了第一颗原子弹。泰勒是一个非常强调直觉的物理学家，他的想法非常具有启发性。杨振宁在跟随泰勒学习后，他学到了注重数学跟物理的关系，证明是重要的，但发展直觉也很重要。
泰勒
在这一阶段，杨振宁尝试做了实验，但结果不尽如人意。那个时候实验室还有许多关于杨振宁的笑话，最为人津津乐道的就是“哪里有爆炸声，哪里就有杨振宁。”杨振宁至此深刻地认识到实验物理和理论物理的差异，在其导师的劝说下，他放弃了写一篇实验论文的念头，专注投身于理论物理。
1947年，杨振宁开始着手于为博士论文找选题。理论题目包括下面四项：
（1）1944年Onsager的关于伊辛模型的文章；
（2）1931年Bethe的关于自旋波的文章；
（3）1941年Pauli的关于场论的综合报告；
（4）1943年以后，许多关于角分布的文章。
而当时他自己找的这几个题目并没有成为他的博士论文，而是选择了泰勒和著名物理学家柯洛平斯基(E. Konopinski)曾发表的核反应中角分布和角动量的文章。泰勒用的是直觉的方法，而杨振宁则是用群论的方法把这一问题解决了。不过虽然当时杨振宁自己想要攻克的问题没有开花结果，但在后来影响却极大。
1948年6月，杨振宁得到了博士学位，并在这年秋天被芝加哥大学聘为讲师。这一阶段，物理学界非常关注重正化(Renormalization)的问题。杨振宁在任教期间也在一直研究这个问题。次年春天，奥本海默(Robert Oppenheimer)到芝加哥大学发表了一个关于重正化的演讲。
奥本海默被被誉为人类的“原子弹之父”，于1945年7月主导制造出了世界上第一颗原子弹，1947年开始到普林斯顿高等研究院(IAS)工作并担任院长。
这引起了杨振宁的注意，他开始向往普林斯顿研究院顶级学术象牙塔的氛围，并申请了为期一年的访学。
而这一停留，就是17年。也正是在普林斯顿研究院工作期间，杨振宁发表了他一生中影响最大也最为重要的两个理论。
1949年夏天，杨振宁和费米合写了一篇理论物理的论文《介子是基本粒子吗？》，提出了基本粒子的第一个复合模型。这是费米在美国和人合写的少数几篇理论论文之一，另一篇是和印度裔物理学家钱德拉塞卡尔合写的关于天文物理方面的论文。钱德拉塞卡尔后来得到了诺贝尔物理学奖。
1950年，奥本海默向访学的杨振宁伸出了橄榄枝，给出了一个为期5年，薪水一年5500美元的聘约。杨振宁当时8月与杜致礼完婚，考虑到家庭因素，他接受了普林斯顿研究院的邀约，而拒绝了芝加哥大学和罗切斯特大学的邀约。
1950年，杨振宁在《物理评论》上发表了一篇题为《一个粒子湮灭成两个光子的选择定则》，这是一篇讨论对称的理论物理文章。当时，杨振宁在物理学源于对称性的这个领域已相当出名了。
1951年，他博士期间的论文选题开花结果了。他开始深入研究伊辛模型的问题。伊辛模型(Ising model)是一类描述物质相变的随机过程(stochastic process)模型。经过长达5个月的研究计算，杨振宁讨论二维模型、有着96个公式的论文发表在物理评论上，这是杨振宁在统计物理上的重要起步。
这年秋天，经杨振宁推荐，李政道来到普林斯顿研究院学习，两人开始了合作研究，在这一阶段合写了2篇统计物理论文。
1952年，杨振宁成为普林斯顿研究院的永久成员，年薪上涨到一万美元。1953年，布鲁克海文实验室新建了一个当时能量最高的加速器，需要一位理论物理学家，杨振宁被普林斯顿研究院推荐了去。
在布鲁克海文实验室期间，杨振宁跟罗伯特·米尔斯(Robert Mills)共享一间实验室。杨振宁把自己感兴趣的场论问题分享给米尔斯，两人开始合作研究这一问题，于1954年发表一篇极为重要的论文，即“杨-米尔斯规范场论”。
这个理论通过后来许多学者于20世纪70年代引入的对称性自发破缺与渐进自由的观念，发展成今天的标准模型。最终成为20世纪最重要的理论物理架构之一，也奠定了杨振宁一代大师的地位。
“杨-米尔斯规范场论”统一了自然界中基本力的三个力：电磁力，弱力，强力，这3种力均能够用杨-米尔斯方程描述。
而在此之前，牛顿力学的三大定律和万有引力定律，把天体运动定律和地上的物体运动定律统一起来，建立了经典力学的理论大厦。麦克斯韦方程组统一了电、磁、光，从这些基础方程的相关理论，发展出现代的电力科技与电子科技。
爱因斯坦的后半生则是致力于统一引力和电磁力，尽管没有成功，足以见证用一套理论解释所有的物理现象是物理学家们的终极梦想。
在引力与电磁力之后，强力和弱力被发现。爱因斯坦没能统一引力和电磁力，杨振宁却一下统一了自然界中的3种力，该理论的地位可见一斑。
没过几年，杨振宁的又一研究巅峰接踵而至。
20世纪理论物理中，对称性一直是主旋律，也是物理学之美的一个重要体现。比如质能守恒、动量守恒、电荷守恒、色荷守恒以及洛伦兹对称性等等。从经典物理以及晶体结构，到量子力学与粒子物理，对称性分析是物理学中的有力工具。然而在1956年，他与李政道合著的论文中，提出了在弱作用中宇称不守恒，打破了物理定律的对称性，可以说是在极具对称性之美的近代物理学上撕开了一道口子。
物理定律的对称性可以理解为，如果一个物理定律在某些操作下保持不变，我们就说这个物理定律在这些操作下具有某种不变性。
比如，不管你如何转动自己的视角，从任何角度观察，篮球都会按照牛顿定律的预言落入篮球筐。也就可以说牛顿定律在旋转操作下保持不变，因此具有旋转对称性。
而在宇称不守恒提出之前，科学家们所发现的所有物理定律都是旋转对称的。比如具有时间平移对称性的能量守恒、空间平移对称性的动量守恒以及空间旋转对称性的角动量守恒。宇称守恒则是指物理理论是镜像对称的，当时科学家们默认所有物理理论均符合这一物理规律。
直到1956年，杨振宁和李政道从θ-τ之谜到讨论宇称是否可以不守恒，提出“宇称在强相互作用与电磁相互作用中守恒，但在弱相互作用中也许不守恒”的可能，将弱相互作用主宰的衰变过程独立出来，然后经具体计算，发现以前并没有实验证明在弱相互作用中宇称是否守恒。他们更指出了好几类弱相互作用关键性实验，以测试弱相互作用中宇称是否守恒。
普林斯顿大学实验物理学家吴健雄于1956年夏决定做他们指出的几类实验中的一项关于60Coβ衰变的实验。次年1月，她领导的实验组通过该实验证明在弱相互作用中宇称确实不守恒，引起全物理学界的大震荡。宇称守恒至此被打破，因为这项工作，杨振宁和李政道获得1957年的诺贝尔物理学奖。
以宇称不守恒定律为开端，粒子世界物理规律的对称性相继破碎，世界从本质上被证明了是不完美的、有缺陷的。
李政道（左）和杨振宁（右）
1966年，杨振宁离开了普林斯顿研究院，前往纽约州立大学石溪分校担任艾伯特·爱因斯坦讲座教授，并任新成立的理论物理研究所所长。从44岁直到77岁退休，杨振宁在纽约州立大学石溪分校待了33年。
在这期间，杨振宁的学术成果主要有4个领域：
一、统计力学
1. 1952 Phase Transition(相变理论)。论文序号：52a，52b，52c。
2. 1957 Bosons(玻色子多体问题)。论文序号：57h，57i，57q。
3. 1967 Yang—Baxter Equation(杨—Baxter方程)。论文序号：67e。
4. 1969 Finite Temperature(1 维δ函数排斥势中的玻色子在有限温度的严格解)。论文序号：69a。
二、凝聚态物理
1. 1961 Flux Quantization(超导体磁通量子化的理论解释)。论文序号：61c。
2. 1962 ODLRO(非对角长程序)。论文序号：62j。
三、粒子物理
1. 1956 Parity Nonconservation (弱相互作用中宇称不守恒)。论文序号：56h。
2. 1957 T，C and P (时间反演、电荷共轭和宇称三种分立对称性)。论文序号：57e。
3. 1960 Neutrino Experiment (高能中微子实验的理论探讨)。论文序号：60d。
4. 1964 CP Nonconservation (CP 不守恒的唯象框架)。论文序号：64f。
四、场论
1. 1954 Gauge Theory( 杨—Mills 规范场论)。论文序号：54b，54c。
2. 1974 Integral Formalism(规范场论的积分形式)。论文序号：74c。
3. 1975 Fibre Bundle(规范场论与纤维丛理论的对应)。论文序号：75c。
1964年，杨振宁加入美国籍。但杨振宁的爱国精神，绝对是不容置疑的。
1971年，他毅然决然回国讲学，是中美关系解冻后的第一位来华访学的知名华裔科学家。他到上海之后定了一份要见的亲友名单，其中第一个就是邓稼先。
随后，他一回到美国，即应“保钓”学生的邀请，穿梭在全美各高校演讲，以所见中国不屈不挠之精神示于学生，感染了一批热血青年立下报国之念。
他在保钓学生中发表题为《我对中华人民共和国的印象》的演讲，轰动异常。他和历史学家何炳棣、数学家陈省身都坚决支持保钓运动，被称之为运动的精神导师。
1971年10月，杨振宁在美国参议院外交关系委员会举行的“归还冲绳协定”听证会上作证。他从历史、地理和现实的角度全面讲述了钓鱼岛是中国领土的事实，为维护中国领土完整做出了重要贡献。
从1971年开始，借着每年回国探亲，杨振宁催生了建国后第一批学术留学，还帮助中国科学界筹措了大量资金。
1974年，杨振宁推动美国纽约州立大学石溪分校同复旦签订交流协议，开始了与复旦大学谷超豪等十几位教师长达数年富有成果的合作。
1978年3月，在李政道、杨振宁等人的倡导下，中科大创建首期少年班。
1980年，杨振宁在纽约州立大学石溪分校发起成立“与中国学术交流委员会”，资助中国学者去该校进修一年。
1981年，杨振宁在美国石溪分校设立了CEEC奖金，从美国和香港募集资金，专门支持中国各大学、各研究所人员到石溪做访问学者，到90年代初，共有80余名中国学者得到此奖金支持成功赴美，其中绝大部分按时回国到原单位服务。
1983年，杨振宁在香港发起创立中山大学高等学术研究中心基金会，基金会从成立到2007年结束的24年中，资助金额累计达2000多万元港币，资助基础研究项目数百个。
1985年，杨振宁倡议建立亿利达青少年发明奖。同期，杨振宁促成了“吴健雄物理奖”、“陈省身数学奖”等多个奖项。杨振宁注意到，学习能力强但缺乏科学研究创意是亚洲学生普遍存在的问题，因此他于1986年倡导兴办了“陈嘉庚青少年发明奖”，鼓励青少年勤于思考，为国家发明有经济效益的新产品。
1986年，杨振宁应美籍华裔数学大师陈省身之邀，在南开大学数学所建立理论物理研究室。研究室建立后，本着“立足南开，面向全国，放眼世界”的开放精神，开展了一系列研究工作，为中国培养了一大批人才。
1997年，清华大学为加快理科发展，时任校长王大中与杨振宁教授反复磋商后，决定根据普林斯顿高等研究院的经验，成立清华大学高等研究中心，将它建成一个高水平的纯学术性单位(2009年更名为清华大学高等研究院)。
该研究院已在理论凝聚态物理、冷原子物理、理论计算机等领域取得了一批重要成果，汇聚了众多国际一流学者。杨振宁出任清华大学高等研究中心荣誉主任，推动成立清华大学高等研究中心，帮助清华引进了首位华人图灵奖获得者姚期智等顶尖人才，为清华在香港、美国分别设立了两个基金会，并成功募集巨额办学资金。
清华高等学术研究中心，是杨振宁仿照美国普林斯顿高等研究中心模式创立的，规模不大、人数不多，但人员和研究项目都一定是第一流的。
2003年，杨振宁教授自美国返清华正式定居的。
头一年，他亲自执教“大一物理”；之后，他便放下了教学工作，全部精力集中到发展清华高等学术研究中心的工作上。在清华期间，在冷原子物理和统计物理领域发表了13篇SCI研究论文，亲自做了很多重要的研究工作。当时他已经80多岁了，但全部研究工作都还是自己独力而为，最多有时有一个合作者。
2015年，杨振宁放弃美国国籍，成为中国公民。2017年，杨振宁正式转为中国科学院院士。
而在这期间还有一个小插曲。2016年，杨振宁公开发声反对建造超大对撞机，此事一经他表明反对态度后，引起各方广泛讨论。
作为高能理论奠基人之一，杨先生认为高能物理将不再是以巨资建高能加速器为主导方向。杨振宁通过7个角度，以国情出发，剖析高能物理的未来，严肃审视现阶段中国科技的发展，字里行间无不是对当下过于激进的担忧。自始至终，他在用良知捍卫初心。
回顾杨振宁先生几十年的科研生涯，贡献卓越，难以企及。而一些人无视这些成就，不愿去理解科学的真正意义与本质，只愿以自己的偏见去衡量，既是无知也是愚昧。
刘慈欣在《三体》中这样写道：“弱小和无知，不是生存的障碍，傲慢才是。”科技的进步与人类文明的延续是无止境的。让现实的沉重枷锁给科学的真与美蒙上尘埃，是不值得的。
如今国家强盛，越来越多留学海外的研究者归国，这是国家之幸事，国民之幸事。
鹤归华表，代马依风。跨越了一个世纪，几近百岁的杨振宁院士在故土之上，依旧尽全力为祖国做贡献。
物理学的未来、中国科技的未来，有了光明而又坚定的方向。
参考文献：
[1]江行健.规范与对称之美——杨振宁传[M].广东：广东经济出版社，2011.
[2]施郁.物理学之美：杨振宁的13项重要科学贡献[J].物理,2014,1.
[3]杨振宁：我的学习与研究经历[J].物理,2020,41(1):1.
[4]宇称不守恒到底说了啥？杨振宁和李政道的发现究竟有多大意义？长尾科技
[5]杨-米尔斯理论说了啥？为什么说这是杨振宁超越他诺奖的贡献？长尾科技
[6]https://www.163.com/dy/article/EGJLLE0A05458FHR.html