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方略品評
從楊振寧的理論突破看路徑依賴、中美互動和制度自信
關品方
前港府中央政策組特邀顧問
2021年10月6日

幾天前楊振寧99歲壽辰。華人社會一般對耄耋之年的壽星公不提99,所以輿論界都為楊老慶祝100歲壽辰,正好與中共建黨百年契合。

楊振寧的學術成就在物理學的基礎理論方面有突破性研究。他的成就可以和牛頓以及愛因斯坦相提並論。牛頓時代(1643-1727)和之後的200年,物理學家先有假設,通過做各種實驗發現規律,最後用數學公式來解釋規律,以找到其不變性和對稱性,牛頓的三大動力學定律就是這樣得來的。如今在中學,讀理科的學生大約15歲就可以接觸到這些理論。當時的物理研究幾乎都是這樣:重複、實驗、發現規律、找到對稱性。這種研究方法十分好用,逐漸形成路徑依賴,以為這是科學實驗的唯一方法,因此限制了物理學在基礎理論研究的發展。

這個路徑框架,一直維持到愛因斯坦時代(1879-1955)。爱因斯坦在做研究的時候作出的一系列假設,無論怎樣設計方法做實驗也解決不了。他覺得可以先找到對稱性,然後根據對稱性推導出理論,最後才用實驗來證明。這樣做把過去的路徑顛倒過來,即:找到對稱性、建立理論、實驗證明。愛因斯坦打破了對前輩大師的路徑依賴,於是發現了狹義相對論和廣義相對論,開闢一個嶄新的時代。

然後輪到楊振寧。在他之前,有所謂「宇稱守恆」理論,認為一個基本粒子的對立面,亦即鏡像粒子,應該完全互相對稱。人類認為整個宇宙應該要有完美規律,人在照鏡時,鏡中的影像和真實的自己具有完全相同的性質,容貌,裝扮,表情,動作都完全一樣。那麼一切物理運動規律也應該完全一致。這個想法和中華文化道家「天道唯恆」的思想雷同。

在楊振寧之前,所有物理學大師在研究到瓶頸時都不願意碰觸宇稱守恆的問題。直到楊振寧和李政道於1956年質疑弱相互作用力有可能出現宇稱不守恆的現象。簡單地說,宇宙有四種相互作用力。第一是引力,第二是電磁力,第三是強相互作用力,第四是弱相互作用力。這四種力量包含了宇宙所有力量的一切來源,囊括了分子、原子和基本粒子物理以至宇宙間各個星體的萬有引力。這方面的理論,現時大約19歲的物理學高考學生都應該已經知道。

楊振寧最重要的成就之一是規範場論。在這之前,有所謂大一統理論。宇宙存在的四種力量即引力、電磁力、強力和弱力之間沒有一套理論可以囊括一切。過去300年來,牛頓先發現了引力,麥克斯偉後發現了電磁力。表面上這兩種力量的產生和運用有互相矛盾。誰對誰錯?愛因斯坦的狹義相對論很好地安置了電磁力,廣義相對論很好地安置了引力。在相對論的歸化之下,引力和磁力有互動的功用。然後輪到原子物理學中的強力和弱力。原子核的分裂和融合,製造出原子彈氫彈和核彈,釋放出強力。至於弱力的整合運用,發展出如今全人類日常都依賴的電子產品,電腦,手機,數據處理,通訊導航和定位系統。強力是原子核內部的力量 (E=mcc) ,一旦釋放出來,有無比威力。當今遠程核彈道導航導彈是最具殺傷力量之一。另一方面,核能源發電是最大的建設力量之一。

弱力是用原子核內部發生衰變的力量。在楊振寧之前,所有物理學家對此一籌莫展。強力和弱力之間怎樣在理論上統一起來?1954年楊振寧才32歲,帶着學生米爾斯提出規範場論,將引力之外的其他三種力統一起來。牛頓的引力,簡單地說是宏觀。麥克斯韋的電磁力可以說是細觀,強力和引力走到原子核裏面去,是微觀。20世紀的物理學,就這3個旅程。一是相對論,二是量子力學,三是規範場。楊振寧(和李政道)1957年因為弱力的宇稱不守恆理論獲得諾貝爾獎時(楊李分別是35歲和31歲),世人對楊振寧的評價是規範場理論模型可與牛頓、麥克思偉和愛因斯坦的成就比肩,將來必然產生和他們3位可相提並論的影響。

宇稱不守恆和規範場是楊振寧在理論上的兩大突破。他並不只是修訂了愛因斯坦狹義相對論裏面部分錯誤那麼簡單。化學上有所謂手型理論,右手和左手表面看來相當一致,其實有重大分別。兩隻手要配合起來才能夠有效地工作。分子結構不是一種平面安排,而是立體多維空間組合。在鏡子裏看自己,鏡內的右邊其實是真實的左邊。仔細看清楚,左右之間並不完全對稱。宇宙萬物不可能完全一致對稱守恆,虛實之間,光子和電子之間,波浪和粒子之間的互動互換,這方面的理論,估計將來還會有極大的突破和發展。佛學的必然與偶然,主觀與客觀,緣起緣滅等或然和概率問題,這些方面還須留待日後跨學科理論研究,期待中科院在高速算法和數據處理方面近期有進一步的突破。

縱合以上所述,引伸而言,凡我港人,生活在「一國兩制」的香港特區,應該堅信全世界沒有一套可以完全在任何地方都適用的理論、道路和制度。所有科學家都是站在巨人的肩膀上登高望遠。楊振寧周旋在中美兩個制度和文化之間,他在科學研究上的成就是人類綜合智慧的共同結晶。楊振寧首先是中國的,同時也是世界的。他的突破性成就,他一生最大的貢獻,是徹底改變了中國人自覺不如,仰視西方的心理作用。中國在科學實驗方面,能力完全不輸於任何其他國家。楊振寧走過的99年,伴隨着中國人民百年來的艱苦奮鬥。中國從4.5億人口發展到如今的14億,走過曲折的路途,如今走上康莊的大道,期間經歷過多少犧牲和苦難,香港的年輕一代很少知道。

鄧稼先和楊振寧是西南聯合大學的同窗。鄧曾經寫過一封信給楊,提出一個期望 : 但願人長久,千里共同途。這是中華民族的共同願望。「千里共同途」就是民族的偉大復興。港人處於特別行政區這個彈丸之地,在祖國的邊陲,面向蔚藍的海洋,通往外面的國度,有其獨特的角色可以扮演。但港人一定要立場清晰,觀點明確,方法科學。什麼立場,觀點和方法?就是國家民族的立場,為人民服務的觀點,中西互動共融的方法。不亢不卑,不慍不火,中學為體,西學為用。所以一定要有民族自信,道路自信和文化自信,拒絕被美國的當權集團推搡忽悠威嚇,着眼於人民之間的友好往來,寄希望於美國人民。楊振寧的人生歷程,繁言從簡一句話,就是百年中國回應歷史挑戰的見証。

 
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