楊振寧:我的學習與研究經歷

 

  作者:楊振寧,世界著名物理學家,中國科學院院士、美國國家科學院外籍院士、香港科學院名譽院士、俄羅斯科學院院士、英國皇家學會外籍會員,1957年獲諾貝爾物理學獎。

  出處:《物理》第41卷第1期第1頁

  1933年到1937年我在北平崇德中學念了四年書,第一次接觸到二十世紀的物理學就是在中學那間很小的圖書館看到了Jeans的《神秘的宇宙》中譯本,Jeans把1905年的狹義相對論、1915年的廣義相對論和1925年的量子力學用通俗的語言描述,使得我發生了濃厚的興趣。

楊振寧的大學入學考試準考證

  1938年秋天我成為了西南聯合大學第一屆新生。為了參加那次入學考試,我借了一本高中物理教科書,閉門自修了幾個星期,發現原來物理是很適合我研讀的學科,所以在聯大我就選擇了物理系。我在教科書中讀到,圓周運動加速的方向是向心的,而不是沿著切線方向的。最初我覺得這與我的直覺感受不同,仔細考慮后才了解,原來速度是一個向量,它不僅有大小而且是有方向的。這個故事給了我很大的啟發:一方面直覺非常重要,可是另一方面又要能及時吸取新的觀念修正自己的直覺。

青年時期的楊振寧

  1942年春天,為了準備寫一篇學士畢業論文,我去找吳大猷教授,請他做我的導師。吳大猷教授叫我去研究《現代物理評論》中一篇討論分子光譜學和群論的關系的文章。父親推薦了狄克遜的《近代代數理論》。我學到了群論的美妙和它在物理中應用的深入,對我后來的工作有決定性的影響。這個領域叫做對稱原理。我對對稱原理發生興趣是起源于吳先生的引導。對稱原理是我一生主要的研究領域,占了我研究工作的三分之二。

  1942年我考進清華大學研究院的物理系,導師是王竹溪教授,他的專長是統計力學,是他把我引導進了統計力學的研究領域。今天估計起來我一生的研究工作有差不多三分之一是在統計力學里面。

  我們所讀的課程里兩個是吳大猷教授教的經典力學和量子力學。許多關于量子力學的討論都是在吳教授的演講之后進行的。我與黃昆和張守廉經常討論和爭辯天下一切的一切,這些辯論以及我自己做教授以后的多年經驗,都告訴我:和同學討論是極好的真正學習的機會。

  1946年初我成為芝加哥大學物理系的博士生,去芝加哥的主要原因是我想跟恩里科?費米寫一篇實驗方面的博士論文??墒悄莻€時候他的實驗室在阿貢,當時是保密的,我不能進入,所以費米推薦我先跟特勒做理論工作。

  1947年對我是不快活的一年,我在給黃昆的信中曾用幻想破滅來描述我當時的心情。因為一方面我雖然努力,可是沒有做實驗的天分,而理論方面呢,幾個自己找的題目都沒有成果。博士生為找題目感到沮喪是極普遍的現象?;叵肫饋?,當年的理論題目包括下面四項:(1)1944年Onsager的關于伊辛模型的文章;(2)1931年Bethe的關于自旋波的文章;(3)1941年Pauli的關于場論的綜合報告;(4)1943年以后,許多關于角分布的文章。

  1948年夏,芝加哥大學留我做教員。一年后,我就申請去普林斯頓的IAS,待了十七年,1949-1966年。在這十七年間,上面四個題目都開花結果了。

  伊辛模型開花結果的經過可以濃縮為:王竹溪先生使我對統計力學發生興趣。芝加哥時候的努力不成功,可是做了必要的準備工作。最后吸收了新方法,就開花結果了。這個過程:興趣→準備工作→突破口,我認為是多半研究工作必經的三步曲。最后的突破口是由新的外來的啟示引導出來的??墒窃诙喟氲那樾蜗?,啟示是自己“頓悟”出來的:在準備工作后,腦子里面下意識仍在尋找新的觀念組合,最后突然找到了正確的組合,就頓悟了。

  第三個題目是關于Pauli的有名的綜合報告中關于電磁學之規范不變性。這是外爾于1918-1929年間發現的。我對此很妙的不變性非常感興趣,想把它推廣,但沒成功。1953-1954年,我在布魯克海文國家實驗室訪問時,和米爾斯談到了關于推廣規范不變性的不成功的嘗試。我們當時決定先嘗試二次的多項式,幸運地,我們發現加上極簡單的二次多項式,以后的計算就越算越簡單。有了這項突破,我們很快就寫下了很漂亮的規范場方程式??墒切聠栴}出現了:這些方程式似乎顯示要有帶電荷而質量為零的粒子,這是沒有見過的粒子,也是理論上講不通的。雖然此問題沒有解決,但整個想法太漂亮,應該發表文章。這篇文章是我一生最重要的工作,從中認識到:物理中的難題,往往不能求一舉完全解決。關于和米爾斯合作,我認為:和別人討論往往是十分有用的研究方法。

1957年,楊振寧和李政道獲諾貝爾物理學獎

  1956年夏天,李政道和我在仔細檢驗過去五類所謂證明弱相互作用中宇稱守恒的試驗后,發現原來它們都并沒有證明宇稱守恒:它們都不夠復雜。我們也從而指出幾類夠復雜的試驗可以檢測宇稱在弱相互作用中究竟是否守恒??墒峭袀円恢碌幕貞河罘Q絕對不會不守恒,楊李所建議的實驗都是浪費時間與資源!只有吳健雄獨具慧眼,她雖然受了Pauli的影響也不相信宇稱會不守恒,可是她認為既然過去在β-衰變中并沒有證明宇稱是否守恒,那么現在就應該用實驗去測試這個基本定律。

  經過六個月的努力,她于1957年初宣布:在弱相互作用中宇稱并不守恒,而且是極度不守恒。這項結果影響了物理學里面的多個領域,震驚了整個物理學界。吳健雄的成功的啟示是:永遠不要把所謂“不驗自明”的定律視為是必然的。

2019年4月29日,楊振寧先生再次與中國科學院大學的研究生分享自己的學習與研究經歷

  上面講到了好多項我個人多年來得到的啟發與感受:

 ?。?)一方面直覺非常重要,可是另一方面又要及時吸取新的觀念修正自己的直覺。(2)和同學討論是極好的真正學習的機會。(3)博士生為找題目感到沮喪是極普遍的現象。(4)最好在領域開始時進入一個新領域。(5)興趣→準備工作→突破口。(6)物理中的難題,往往不能求一舉完全解決。(7)和別人討論往往是十分有用的研究方法。(8)永遠不要把所謂“不驗自明”的定律視為是必然的。(9)把問題擴大往往會引導出好的新發展方向。(10)一個研究生最好不要進入粥少僧多的領域。

  其中我覺得特別值得注意的是:興趣→準備工作→突破口。下面我對從興趣到準備工作到突破口的三步曲做兩點補充:

 ?。?)我父親是研究數學的,我小時候他很自然地給我講了一些“雞兔同籠”、“韓信點兵”等四則問題。我學得很快,他很高興。很多年以后在美國,我有三個孩子,他們小時候我也介紹給他們“雞兔同籠”、“韓信點兵”等問題,他們也都學得很快,我也很高興??墒俏遗c他們有一個區別:我父親介紹給我四則問題之后,過了一年他再問我,我都記得很清楚;我的孩子們,我一年后再問他們,他們就把四則問題完全忘得精光。這給我們一個啟示:外來的信息如果能夠融入個人腦子里面的軟件之中,就可能會“情有獨鐘”,有繼續發展的可能,像是一粒小種子,如再有好土壤、有陽光、有水,就可能發展成一種偏好,可以使這個人喜歡去鉆研某類問題,喜歡向哪些方向去做“準備工作”,如果再幸運的話,也就可能發展出一個突破口,而最后開花結果。

 ?。?)詩人、畫家范曾于2004年作了一張大畫送給南開大學陳省身數學研究所。畫上他題了一首詩,其最后七個字是錘煉出來的美麗詩句:真情妙悟鑄文章。范曾從來沒有和陳先生、也沒有和我,談起科學創作的過程。他的詩句似乎表明藝術家的創作過程也和科學家一樣遵循同樣的三步曲吧。

誦讀人:物理所 孫亮 研究員/超導黨支部紀檢委員

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