楊振寧五十四年再回顧與物理的發展

江才健

摘要 1961年楊振寧在美國麻省理工學院百年慶的座談會上發表“物理學的未來”，顯現出當時與談者中最年輕的楊振寧對物理科學的一種深刻視野。他的觀點得到大物理學家維格納的響應贊賞。該文后來收入楊振寧60歲出版的《論文選集評注》，也受到廣泛注意和好評。2015年楊振寧在新加坡“楊一密爾斯規范場論60年研討會”上，發表“物理學的未來重新檢討”主題演講，對54年前自己的物理未來視野再次檢討，再次顯現了他對物理科學的審慎透思。

關鍵詞 楊振寧 物理學的未來 愛因斯坦 費曼 麻省理工學院

1961年，美國麻省理工學院為了慶祝設校百周年，舉行了一個小型的座談會，座談會的主題是“物理學的未來”，參與座談得有四位物理學家，分別是考克饒夫（J.Cockcroft）、派爾斯（R.Peierls）、費曼（R.Feynman）和楊振寧。考克饒夫是著名的英國物理學家，曾設計加速器進行粒子撞擊實驗，派爾斯在原子核物理中有關鍵貢獻，是德國出生的英國物理學家。四人當中，最年輕的楊振寧當時39歲，費曼長他4歲，最年長的派爾斯66歲，考克饒夫64歲。

楊振寧是座談會中第三個發言者，他所講的“物理學的未來”內容，展現出年輕楊振寧對物理學的一種視野，當時便引起匈牙利裔大物理學家維格納（E.Wigner）的興趣，曾經與楊振寧有書信交流討論，那篇“物理學的未來”后來收入為楊振寧60歲出版的《論文選集評注》，一直受到相當的關注。

54年前楊振寧在“物理學的未來”開頭便說：“最近四、五年間，理論物理學家致力于由物理可觀察的經驗，向非物理范疇的分析延伸。”他接著說，“特別地，是試圖以外推探究未測知領域的化約齊一性。”楊振寧接下來的結論是：“這些努力一起步便困難重重。”

楊振寧當時所提“最近四、五年的理論物理”工作，應該包括20世紀40年代以降的分析延伸工作，他1954年與密爾斯（R.Mills）探討的規范對稱性，以及其后幾年基本粒子在對稱結構數學方向上的發展。楊振寧說，雖然這些工作碰上困難，卻沒有阻止理論物理學家的興趣。他說麻省理工學院的座談會，也希望經由外推，探索并超越過去經驗，去認知一些當時尚未觀察到的未來物理發展。楊振寧以為，雖然這樣的嘗試極為有趣，卻不能期望在這些探索中會得到真正的成就。

楊振寧以為，到當時為止，20世紀的物理發展是令人驚嘆的。由世紀初物質原子建構概念才成為新的研究項目，探究能力的精細程度進展了百萬倍，由原子尺度到達次原子粒子尺度，能量由幾電子伏增加到幾十億電子伏，實驗技術也同步精進。而且物理學的發展給化學、天文學甚至生物學帶來的影響，重大到難以形容。

楊振寧接著提出他對理論物理的評價標準。他認為，“物理學的榮耀不是建立在這些影響之上，物理學家最看重的也不是這些影響。”“甚至物理實驗深入范圍的不斷擴大，雖說重要，也不是物理學家最覺滿意與引以自豪的。”

他說，“使物理學成為如此一個獨特智力成就，主要在于一些概念形成的可能性，而且由這些概念出發，用愛因斯坦的話說，‘一個完整可用的理論物理系統能夠被建構起來。”“這樣一個系統體現了普適的基本規律，‘用這個系統，宇宙能夠用純粹推導的方式建構起來。”

楊振寧以為，從這樣一個標準看，20世紀前60年的發展，恰如一首英雄史詩，在物理學領域不但有擴展我們物理知識的重大發現，還經驗到不只一個、不只兩個、而是三個物理概念的革命性變化：狹義相對論，廣義相對論以及量子理論。由這三個物理概念上的革命，形成了一個深刻、完整以及統一的物理理論體系。

楊振寧接著問到，物理的未來前景是什么？他同意派爾斯認為的，物理學的基礎以及最前沿后方的物理學，會快速擴展，他也以為未來幾年在弱作用方面會有很大的揭示，甚至可能看到弱作用各種表述的統合。

楊振寧以為，要想更進一步就十分不確定。我們已經明確的提出許多問題，而其答案十分的關鍵緊要：如何處理一個有無窮多自由度的系統？時空連續概念是否可以外推到10^-14cm到10^-17cm，甚至更小？電荷共軛不變性以及同位旋轉動的不變性基礎是什么？這與時一空對稱不同，都已知是不守恒的。強作用電磁作用和弱作用的統一基礎是什么？與之有關的引力場作用是什么？

楊振寧說這樣的問題可以繼續羅列下去，也不知道是否有意義。不過他說得很好，那就是“大多物理學的進展，事實上正是由于對過去所問無意義問題的認識中所得到。”他認為很肯定的是知識會快速的累積，并以19世紀末邁克爾遜一莫雷的光速實驗到1905年愛因斯坦發表狹義相對論，對比當時物理科學的進展，來說明知識累積速度之快。

接著他提出關注問題的核心，那就是他前面提到的，如何面對“一個完整理論物理系統”的建構，他問，“在20世紀前六十年光榮的傳統下，是否能合理期待進一步的成功？”

他的文章說，如同理論物理以外推確定函數奇異性所碰到的困難，以推測去預言物理概念的革命變化也是困難的。楊振寧說對于一個將來的基本理論，似乎有一種無所局限的信心，他想發表一些悲觀的看法。接著他以比較修辭性的語句說，“在這個百年的慶會上，充滿著對過往成就的自豪以及對未來前景的廣闊展望，在這樣的興奮氣氛中，插入一些不合諧的旋律也許并非全不恰當。”

他從幾個方面談論他關注的問題。首先他說，“讓我們再次強調，純粹知識的積累盡管有趣，卻與基礎物理的目的十分不同。”

其次他說，“次原子物理探究的內涵與人類的直觀經驗已經十分遙遠，當我們探索進入更小的尺度，這種遙遠性肯定還會增加。”他認為日益增大的實驗室規模加速器、探測器以及計算機，都是顯見的明證。

他說當時的物理實驗，“由精良設備和精確運作構成”，“要使一個實驗的結果有意義，概念必須要建構在我們直接感受經驗和實驗實際運作的每一個層次上。”他說，如此造成的困難，是概念的每一個層次，是與前一個層次相關聯，事實上是建構在前一個層次之上。如果顯現出不恰當之處，就必須更深入去探究先前概念的繁復體系。隨著考慮愈深，困難的程度便愈發寬廣。楊振寧說就像是下棋，隨著棋藝的精進，要預見后一步的挑戰就會愈加的困難。

楊振寧接著提出大物理學家維格納的計算，探究當時的物理場論，概念上至少要穿透四個層次。他說，計算的細節可以討論，但無可否認，我們擬想一個更深入、更完整的理論體系結構，表現的概念至少穿透一個以上的層次。楊振寧接著清楚說明他的物理信念，“在此物理學家面對的困境，那就是物理學的最終判斷在現實中。”物理學家“不同于數學家或是藝術家，不能憑借自由想象去創造新的概念、建構新的理論。”楊振寧接著提出英國著名物理學家愛丁頓（A.S.Eddington）說的一個例子。就是一個海洋生物學家，用六英寸網眼的魚網長期探索后，得到所有的魚都比六英寸大的定律。楊振寧說，這個想象的實驗似乎十分荒謬，但是因著近代物理實驗的復雜和間接性，其中便很容易找到這樣的例子。楊振寧總結的話是，“人們沒有認識到自己的實驗的選擇性質，選擇是建立在概念上的，而概念也許是不合適的。”

最后楊振寧提出結語，物理學家日常的工作中隱含著這樣的信念，“即人類智能的力量是無限的，而自然現象的深度是有限的。”他說，“這樣的信念是有益的，或者說是健康的，因為可以給我們勇氣。但是，相信自然現象是有限的想法是不合邏輯的，相信人類智能力量的無限也是不正確的。”

楊振寧說，“一個重要的必須考慮的事實是，每個人的創造力的生理局限和社會局限，可能比自然的局限性更為嚴重。”

楊振寧最后結論說，“在說了這些告誡性的意見之后，我們必然會問，它們是否與物理學的發展有關，譬如說是否與這個世紀剩下的四十年中的物理發展有關？現在我們不知道這個問題的答案，讓我們祈望答案是否定的。”

楊振寧后來把這個簡短的評論，寄給大物理學家維格納，維格納看后給楊振寧回了一信，對楊振寧的深刻物理透視和哲思表示贊賞。1963年得到諾貝爾獎的維格納，在物理理論上多有創見，對于科學哲學造詣深刻，他曾在美國哲學學會會刊發表文章“科學的局限”，傳誦一時。

1983年為紀念楊振寧60歲出版了《論文選集評注》，其中關于“物理的未來”的評注，有一段文字寫道，“二十年過去，很不幸的，我1961年所做的告誡評論，并沒有看錯。當然，在過去的二十年，在實驗和理論方面都有令人興奮而且重要的進展。但是我卻感受到當前我們這個領域的困境。一方面，今日的實驗復雜而且昂貴，其籌備和進展都曠日廢時，高能實驗物理的周期十分的長，不幸而令人驚恐的是未來會更長。”

“在另一方面，高能物理理論的復雜性也日增，使得理論物理學家不只與實驗疏離，彼此之間也日益疏離。其結果是使得我們的理論物理畢業生，甚至是一些實驗物理學畢業生，日益疏離了物理現象，物理現象是我們這個領域最終探究的泉源。”楊振寧說，這不是任何人的錯，但是令人憂慮。

楊振寧說，“我擔心由愛因斯坦以至我們所有人向往的那個理論絕頂，到下一個世紀還依然無法掌握。”

32年之后，世界科技出版集團主席潘國駒特別在新加坡舉行“楊一密爾斯規范場論六十年研討會”，楊振寧在會上發表主題演講，題目是《物理的未來·重新檢討》，再談他54年前的關注。

楊振寧在《物理學的未來·重新檢討》中，先交待了54年前麻省理工學院那個座談會的來龍去脈，他說麻省理工學院沒有出版這個座談會議記錄，多年后史威柏（S.Schweber）在他的書《愛因斯坦和奧本海默》中將考克饒夫和派爾斯的意見綜合論列，楊振寧的“物理學的未來”選入他1983年的《論文選集評注》發表，而費曼的發言則是2005年發表。

楊振寧的說法，指費曼發言是費曼過世后17年，在他女兒米雪·費曼（M.Feynman）編輯的《費曼手札·不休止的鼓聲》中收錄發表。其實費曼那篇文章曾發表在麻省理工學院的《科技評論》雜志，但卻是他頭一次看到。

費曼當時的發言，說對于考克饒夫、派爾斯和楊振寧的意見他大都同意，只有楊振寧認為事情會愈加困難的觀點，他不大同意。費曼的意見是，任何時代都有困難，他也有悲觀的一面，但是仍然很有勇氣。

費曼一開始就限定自己的討論，是與基本物理定律的發現有關的問題，也就是物理研究的最前線。另外他也覺得，在預測物理的未來時，應該同時考慮物理學所存在的政治與社會環境脈絡。

費曼接著用他的傳記所描述的他的風格，以一種善于言辭的表達方式作了較長論述。他認為譬如派爾斯所做的比較保守的，對四分之一世紀后的預測，其實也是有風險的，因此他想談談一千年的尺度，他問我們可以想象公元2961年的物理科學發展嗎？或者如果回顧公元961年，又如何能夠想象今日的成就。

費曼接著提到政治和社會的觀點，他認為可能發生一場毀滅的戰爭，基礎物理受到徹底破壞而無法復原。他認為基礎物理的發展，譬如高能物理所需要的實驗設施受到傷害，就會影響物理的發展，另外他認為物理學要有所進展，還必須要建立適合發展的文明環境。

如果物理一時沒有新的發現，譬如高能物理之類的基礎物理又沒有什么實際的用途，而人為的戰爭災難的巨變，就一定會激起反科學思潮，歸罪于科學和科學家，認為他們是罪魁禍首。他特別強調了一件事，那就是“科學研究的精神不一定會再度萌生，因為科學精神主要是靠北半球的先進國家在發揚，不是普遍存在于世界各地。”

費曼也說，不要太悲觀泄氣，因為一千年的時間中，也可能再出現萌生科學的新文藝復興，也可能是在物理之外的領域，而這種把科學態度當成一種類似于道德的規范，應用在社會、政治和商業領域的文藝復興，如果能夠讓一個國家在一些方面得到成功的果實，科學便有機會再受到社會的重視。

費曼說如果沒有人為的災難或文明的崩潰，目前的社會體系繼續發展一千年，一個可能就是科學上出現了最終的答案。費曼說，“我不同意楊教授認為物理定律本身已經把這種可能性否決掉的看法。”他用一個人由一扇門走進一棟建筑物來比喻探究，他認為我們無從知道這一棟房子是無限大的，還是有限大的。因此最終的答案是可能存在的。

他說這里的最終答案，就是發現了一組基本定律，所有的實驗結果都在重復這組已知的定律，這時候研究工作就愈來愈無聊，于是大家就把注意力轉到第二線的應用性工作。

他說如果發現了這樣的最終答案，會發生的一件事就是目前活躍的科學哲學將會式微。他說我們現在之所以能夠成功地對抗那些科學哲學家，或者一些議論知識以及知識獲取方式的蠢材，原因居然出在我們還沒有完全成功。他認為科學哲學做不出像樣的預測，因為他們對現實沒有真正的了解，今天科學哲學之所以活躍，是因為我們還掙扎于追求最終答案。

費曼說如果我們進入的房間，真的如楊振寧所說的有無窮大，那么另一個可能就是會不斷的有令人刺激的發現，但是一千年里會繼續有幾十個重大發現嗎？因此另一個可能是問題越來越難，進展越來越慢，他提出一些專業的內容，譬如強耦合已經分析，弱耦合部分分析了，分析更弱的耦合則更難，譬如三階張量場，耦合常數可能不到重力常數的十的負三十次方。

費曼說這后續的發展，物理學可能包括一些不一樣的內容，像派爾斯說的會涵蓋天文史和宇宙學，定律會是一些包含時間項在內的微分方程，問題是什么決定了現在的條件，什么決定了整個宇宙發展的歷程。它可能不再叫做天文史，因為物理定律可能已經把時間的變化考慮在內，如果是這樣，表述定律和發現歷史這兩件事將沒法區分。

費曼認為當時科學處在一個史無前例、美妙興奮又刺激的時代，而且除了基礎物理，還有許多可以研究的領域，雖然基礎物理不可能永遠發展，但是他認為還有好長一陣子可忙，也完全不準備離開基礎物理的領域。

楊振寧今年5月的《物理的未來·重新檢討》演講，延續了他一貫的簡潔風格。他簡單地提到他當年認為的基礎物理根本困難，也簡單提出費曼所說找到最終答案的一段文字。楊振寧說：

費曼是與我同時代一位具有了不起直觀的物理學家。看他的這些文句，

我好奇的是：

（1）1961年他腦中想的最終答案是什么形式，而

（2）他最后是否依然有那樣樂觀的看法。

楊振寧接著寫道：

我們在1961年座談會之后的五十多年又獲知了什么？

很多。由于理論與實驗物理學家十分密集的合作，提出并且驗證了許

多重要概念的進展：

一個特殊的對稱破缺模型

電弱理論

非交換規范理論的重整化

漸近自由和量色動力學

居冠于這些發展的是2012年希格斯粒子戲劇性的實驗發現。

我們現在有一個可運作的標準模型，一個SU（3）×SU（2）×U（1）規范場。

因此1961年以后的五十多年，在過去所有物理概念層次以及許多極大

型實驗的基礎上，我們在物理概念上更上了一個層次。

是不是有更多的物理概念層次，比我們現在所達到層次更深一層？我

相信有，而且很多。

我們何時可能達到下一個層次？如果有可能，我相信也是在遙遠的將

來。

為什么你如此悲觀？我不是悲觀，我只是實事求是。

今年7月底在北京，我曾經以他今年這篇先諭式的文章，以及當年他的看法與費曼十分樂觀看法的差異，就教于他。楊振寧當時說的是，“我在1961年對物理學前途的態度與費曼面對物理學前途的態度，基本反應了兩個不同文化背景對物理學前途的認識。我是從中國傳統儒家‘吾日三省吾身的教訓下引導出來的一種世界觀，他是美國文化的世界觀。”

楊振寧與我的談話，后來成為一篇訪問文章，刊登在《環球科學》十月號的愛因斯坦廣義相對論一百年專題。我有一個對他提出的問題：

“回到您1961年的文章，您說宇宙的奧妙結構是無窮的，人類的智慧是有窮的，用有窮的智慧去追求無窮的宇宙，是不可能完全掌握的。這一點上，您和愛因斯坦講的有些相似。愛因斯坦說，他只知道兩個事情是無限的，一個是宇宙，另一個是人類的愚昧，他說他對前一個還不能確定。我們都知道，您的好朋友戴森（F.Dyson）在他有名的‘愛因斯坦講座《鳥與青蛙》中提到，一些科學家像鳥兒一樣，有全觀的眼光，他將您列于其一。我們看到，現在的很多新理論用數學推演的很好，但他們在物理上卻面臨著是否可以運作的問題。這是一個終極的哲學問題，也是一個科學問題。”

楊振寧回答說，“不錯。像超弦論，它已有了極重要的數學影響，但是否與物理現象有關還是未知數。另外，我對超對稱不那么樂觀。有兩個原因，第一，一個數學的東西如果被基本物理學采用，就一定是很妙的數學，這有很多過去的例子。可是超對稱的數學不是最妙的，所以我猜想不是基本物理的基石。關于這一點我在1979年的一次紀念愛因斯坦誕辰百周年討論會上就討論過。另外，它搞了好幾十年，還沒有任何與實驗相關的結果，所以我對它的未來表示懷疑。”