爱因斯坦、物理学和人生

 

——杨振宁先生访谈录

 

刘钝、王浩强访问整理

 

2005414日上午,诺贝尔物理奖获得者杨振宁博士在清华大学高等研究院的办公室里接受了本刊的专访。采访内容涉及杨先生的个人经历、诺贝尔奖、爱因斯坦的贡献与遗产、世界物理年、对物理学的基本看法、若干热点问题的评论和展望,以及对年轻人的期望等。在此基础上我们整理成文,标题和分段标题都是本刊加的。文中的内容以及可能存在的疏漏概由采访者负责。  

以下代表本刊,代表杨振宁先生。

 

 

父亲的影响:对国家与社会的承负

 

:杨先生,谢谢您接受本刊的采访。从各方面来讲您都是一位成功人士,我们的第一个问题是,您在事业上的成功同早年的经历特别是家庭教育有什么关系?

 

杨:当然有很深的关系,但不见得都是学术上或学科上的关系,主要还是对于我怎样做人有很大的影响。我父亲是1896年出生的,他们前后一、两代的知识分子,身上带有非常深刻的忧患意识,毫无疑问地对我们这一代人也产生了影响。这里也许用一两句话是讲不清楚的,我想中国传统文化中知识分子对国家社会的道义承负,这是父亲给我的最重要影响。

 

评:这使我想起您曾多次提到,儿时从父亲那里学到过一首《中国男儿》,歌词非常感人[]

 

: 我父亲终生都喜欢这首歌。

 

评:您是非常幸运的,因为您出身于一个优秀的知识分子家庭。您的父亲武之先生不但很早就发现自己的孩子有“异禀”[],而且引导您热爱科学,还让您读《孟子》这样的经典。但是一般家庭出身的孩子可能没有这样的条件,特别是那些来自底层家庭的孩子,如我们今天在大学里就有许多贫困生。对于那些具有科学天赋却没有很好的早期教养的青少年,可能就要更多地靠自己的努力了。以您的个人经验和观察而言,对当今的父母有什么忠告?

 

杨:你讲得不错,我也有同样的感觉,在不同的场合我都说过,我的一生有很多时候赶上很幸运的事情,其中第一件大事就是我的学习环境。我这一代的中国孩子,很多没有饭吃,不要说是能够进入很好的小学、中学、大学,在一个被呵护的环境下成长。另一件对我来说非常幸运的事情,是我父亲做了一些在今天看来是相当了不起的选择,他并不是拼命地把我向科技的前沿推,而是引导我对中国传统文化和中国的社会多一些了解,这是非常非常明智的。我知道。中国也好外国也好,现在有许多聪明小孩的父母,在教育方面采取了不恰当的措施,例如让小孩在十二、三岁就大学毕业,这往往会产生悲剧性的后果。

 

 

1957年诺贝尔奖:破例的高速认可

 

评:下一个问题同您和李政道先生1957年荣获诺贝尔物理学奖有关。从我个人的专业角度出发,我对这次颁奖的经过特别感兴趣。我们都知道,诺贝尔奖的评奖委员都是些老成持重的人物,他们对待科学成果的判断是非常严谨非常慎重的,像爱因斯坦1905年提出光量子假说,16年以后才被授予诺贝尔奖,而他的狭义相对论和广义相对论始终未获奖。这只是一个例子,类似的例子还有很多,但是您和李先生获奖的经过似乎富有戏剧性。我列出了一个粗略的时间表,刨除细枝末节不说,19564月的第6次罗彻斯特会议很关键,您在会上还就奇异粒子的不同观点作了一个引导性的报告,内中涉及“θ-τ”之谜;紧接着的一、两个月内就是您和李先生的频繁讨论与紧张工作,不久就形成较成熟的想法;6月预印本已送到业内专家手中,101日论文在《物理评论》上正式出版;而吴健雄的关键性实验在当年底就证实了弱作用的宇称不守恒;尽管还有一些讨论和质疑,到次年春已殆成定论,而10月份诺贝尔奖就授给了你们两位,应该说还算是年轻人的来自东方的物理学家。我大致查了一下,在诺贝尔奖的历史上,这种速度是破天荒的。您能不能简单讲一下,为什么那些老成持重的委员,当年能够做出如此一致和干脆利落的决定?

 

杨:这个问题我也想过,而且我知道一些对物理学史有兴趣的人也考虑过。我自己的感觉是我们那个研究确实不错,这是一个破例的、高速的认可,我觉得有两个道理。第一个道理是,当初大家都不相信我们的(略停顿)建议,连我们自己也没有完全相信。如果你看李政道跟我56年那篇文章,我们并不是说宇称在弱相互作用下不守恒,那篇文章的要点只是说,以前大家都认为宇称是绝对守恒的,可是如果你去研究一下,就会发现在弱相互作用的情况下没有过去的实验证明,所以需要证明。我们没有说在弱相互作用下宇称一定是不守恒的。你要问我的话,我当然记得,李政道和我当时都觉得这个可能不会是真正的情况。

 

评:你们论文初稿的标题上还有个问号是吗?

 

杨:对,对极了。那个稿子是我写的,上面写了在弱相互作用下宇称是否守恒?,后来那个问号被古兹密特(Samuel Goudsmit[]拿掉了,因为他不喜欢题目里有个问号。这时候没有人相信宇称在弱相互作用下是不守恒的,包括吴健雄自己在内。吴健雄高明的地方,就是大家都认为这里面没有什么好做的,而且这个实验不容易做,至少在当时不容易做,于是就不肯去做;只有吴健雄独具慧眼,因为她的想法是:如果费了半天劲做这个实验,结果只是证明在弱相互作用下宇称还是守恒的,那么就不会引起大的惊异。她的见解的高明之处,就是不管结果怎样,这个测试是值得的,因为物理学是建筑在实验的结果上的。当然等她做出来发现宇称不守恒时,这一来就不同寻常了。所有的人,包括吴健雄自己,也包括李政道和我,当时都觉得这条路不见得是真正解决“θ-τ”之谜的路,正因为本来大家都不相信有这样一条路径,所以后来的震惊和影响就很大。我想诺贝尔奖的评奖委员们一定也考虑了这种因素。但是这不是惟一的道理。还有第二个道理,第二个道理也许更重要一点。就是吴健雄那个实验一讲出来之后,于是大家都觉得我们当初所提出来的别的实验也应该去做,我们提了五、六个实验,这纷纷一做的结果就热闹了。大概是四、五天之内吧,另一个实验就做出来了,这就说明宇称在弱相互作用下的不守恒,不只是“θ-τ”之谜,不只是吴健雄所做的实验,有种种的方向,比如说在高能物理、核物理、原子物理中,都需要讨论宇称守恒不守恒。这个发现引出的不是一个特定的实验,而是一种整体的观念上的改变,即不同的相互作用下都要考虑的问题。所以几个月之内文章就多得不得了,而且大家纷纷停止他们本来的实验,也来关注宇称不守恒问题。所以要想讲得简单些呢,这是一个全面的观念性的改变,意义不在一个、两个实验,而是触及整个物理世界的深层本质,所以这个影响比较大。我想诺贝尔奖评委们的考虑是有这样的道理的。

 

评:这就是奥本海默(Robert Oppenheimer)为什么会说走出了房门go out the door,而带头走出这个困住当时理论物理学家的囚室的,却是两位来自中国的青年物理学家。

 

:既然说到这个话题,我还可以给你讲一段逸事。我有一个很熟的朋友,现在不在了,叫卢廷格(J. M. Luttinger),他后来曾经做过哥伦比亚大学的物理系主任,是一位很有名的凝聚态理论物理学家。我因为跟他很熟,得了诺贝尔奖之后有一天他就问我,说你们得奖这么快,是不是因为你们是中国人?我后来想了想,觉得他这个话可能有些道理。现在大家都知道的,诺贝尔奖评选委员会,他们希望(将该奖事的影响)覆盖全球,所以我想,他们是比较愿意看到东方再有人得诺贝尔奖的。到那个时候为止,也就是1957年以前,只有汤川秀树(Hideki Yukawa[]是东方人获得过诺贝尔奖,如果不算同英国有较深渊源关系的印度的话。所以不是不可能,他们很愿意给中国人,但是事实是否如此我不知道。当然前面讲的那两个道理应该是最主要的理由。

 

 

成功的原因:年轻人的干劲和勇气

 

评:这很有趣。关于那一段激动人心的经历,我读过一些东西,也有很多人关注这段故事。当时的情况是,同时有一些人对“θ-τ”一类的问题产生了兴趣,而您和李先生却跑在最前面。我有一个也许不够恰当的比较,我读沃森(James Watson)写的《双螺旋》,发现您和李先生在1956年春夏之交的那些日子里的行为,很可以同克里克(Francis Crick)和沃森他们在1953提出DNA模型之前的经历作一比较,那是一场智力、勤奋和运气的竞赛。对遗传物质的分子结构,50年代初有很多人,如美国的泡林(Linus Pauling)、英国的威尔金斯(Maurice Wilkins)和弗兰克林(Rosalind Franklin)等,从不同的方向进行探索,而最终却由两位精力充沛和勇往直前的年轻人捷足先登,不知您是否认同这样的比喻?

 

杨:很显然你把沃森的书看得很细。这本书我认为写得非常好,很多人不满意,它也确实存在一些不为人取的地方,不过我认为从整体上来看,它所描述的事件经过,就像你刚才讲的那样。沃森并没有说他自己是个学问很深的人,他所要讲的就是一个美国的年轻人,天不怕地不怕,知识不太多,没关系,一般的行为也不见得是大家都赞许的,可是他们猛向前冲,结果成功了。我认为这是整部书的核心,这个主旨我认为非常重要。为什么呢?因为这个至少代表了美国今天科技非常成功的道理的一半,尤其值得中国的父母、中国的领导人注意,就是沃森书中流露出的那种勇往直前的精神。至于说把我们的工作风格与他们比较,不错,我们是两个年轻人,他们也是两个年轻人,都在各自领域中完成了一项重要的工作,所以有些相像的地方,不过也有些不同的地方。第一,当然我们所做的事是非常重要的,不客气地讲,确实应该得到诺贝尔奖,不过我想从重要意义上来说还不能同沃森与克里克相比。也许会有人说,我们所做的工作是当时物理学界10年之内最重要的一、两篇文章之一;沃森他们的文章,我认为是世纪性的。

 

评:您太谦虚了,据说您小时候是个左撇子,是母亲给您板过来的。指出上帝有时候偏爱用左手是一个了不起的贡献,20世纪后半叶粒子物理的许多重要进展都同这一观念上的突破有关。

 

杨:第二呢,我们同他们确实有些不一样的地方,他们两个人当时确实是猛冲,沃森很年轻,克拉克比他大12岁,不过他们当时都不是大家公认的那个领域里最最重要的学者。你从书里可以看出来,他们非常怕泡林,因为泡林在当时是大专家;而李政道跟我在56年的时候,已经公认是这方面最大的专家,所以这也是不太一样的地方。

 

评:这一点也可以从其他文献得到证明,例如聪明绝顶而又颇为自负的费曼(Richard Feynman),在其传记中就坦承在那个时候还不大懂得您和李先生讨论的问题。

 

杨:总之,我想同沃森他们相类似的地方, 就是年轻人胆子大,不怕对那些过去大家认为是对的东西进行质疑,并敏锐地抓住最本质的东西深入下去,这一点是相同的。

 

评:最本质的东西,对沃森他们来说就是双螺旋构造的特殊形式,如碱基两两配对、双链走向相反等细节,对你们来说可能是对奇异粒子现象保持一种开放的姿态,并将弱作用的宇称问题和强作用的宇称问题区别看待。

 

杨:我不反对这样的概括。

 

 

爱因斯坦:个人的观察与接触

 

:今年是爱因斯坦奇迹年的百年纪念,您能否谈一下您所了解的这位科学巨人的情况?

 

:在西南联大读研究生的时候,我已经对爱因斯坦钦佩不已。1949年,我从芝加哥大学获得博士学位一年后,应邀前往新泽西州的普林斯顿高等研究院,而爱因斯坦自1933年以来就在那里当教授。1949年爱因斯坦已经70岁了,虽然退休,他依然拥有自己的办公室,并且每天步行前往,他不驾车。他在普林斯顿继续进行自己的研究,直到1955年去世。当时,高等研究院有大约30多名博士后,我也是其中的一员。大家都深深地尊敬和崇拜爱因斯坦,但是我们也认为不应该打搅他;况且他的兴趣是在被称作统一场论的方向上,而我们没有一个人做这方面的研究。我们当时主要是从事现在被称作核物理的研究。1930年以后,尤其是受到世界大战的影响,核物理成为一个新领域,人们显然非常需要了解核子的结构。因而,我们所有人都或多或少地介入了核物理的领域,而这个领域与爱因斯坦的兴趣所在相距甚远,所以我们没有主动找他谈过。但是就在那个时候,爱因斯坦完成了《相对论的意义》的新附录。此书篇幅不大,之前已经被多次出版过,此时他又增加了一个附录。因此,他找到当时担任研究院院长的奥本海默,说自己对于统一场理论有了一些新想法,他把这些想法写在了新的附录中,并希望就此做一个演讲。奥本海默当然很高兴。但是他马上就遇到一个难题,因为一些不在高等研究院工作的物理学家也一定希望出席这个讲座,所以他必须公开发布这一信息;但是他知道,一旦透露这个消息,上百个媒体记者就会蜂拥而至。所以,他把这些记者召集在一起,说:好吧,我允许你们来。但是你们只能有五分钟拍照的时间,然后你们必须离开讲演厅。 最后就是这样安排的。我记得爱因斯坦在研究院的一间小教室做了三个系列讲座。当时研究院很小,现在也小,不过当时更小。那个讲演厅里有,我想,大约有十五排,每排大约有八个座位。大部分听众是研究院的物理学家,大约有三、四十个人,还有几位来自普林斯顿大学的人。爱因斯坦总是穿着一件毛衣,他是个不太在意穿着的人,讲话速度非常慢。我不知道他的健康是不是有问题。他能够步行到研究所,单程大约两公里。但是要知道几年后他就去世了。所以,当时他的健康可能已经出现了一些问题,这个我不太清楚。应该说,他的讲座不是很成功,因为他想做的是改变广义相对论中引力场方程的矩阵,这是个最终被证明是个很难有收获的方向。演讲中他使用了很多德文术语,所以他的讲座对我来说也很难懂。但是听众中有能讲德文的人,尤其是巴格曼(Valentine Bargmann,他就给爱因斯坦当翻译。

 

评:您同爱因斯坦有无个人的接触?

 

杨:我想,那是在1952年,我同爱因斯坦有过一次更近距离的接触。李政道和我当时发表了关于相变的两篇论文。相变是物理学中一个非常重要的课题,是指类似于水转变成蒸汽或者冰转变成水这类事情。李政道和我在这个领域有一些很好的结果。爱因斯坦注意到了,而相变也是他最喜爱的领域之一。他对经典物理学的研究主要基于两个方面:一是统计力学,其中包含相变理论;另一个是电磁学。他在这两个方面都做出了杰出的贡献。总之,他看到我们的论文很感兴趣,所以他让当时的助理考夫曼(Bruria Kaufman)过来,找我去跟他谈谈[]。所以我就去了。我跟他谈话的时间应该有一个半小时左右。他讲了很多内容,还在黑板上画了一个麦克斯韦曲线图,但是我没明白他所说的主要观点,因为面对这样一位令人敬仰的伟人我有点拘束,而且他把德语和英语混在一起,使我不大听得懂。

 

评:您也有过在伟人面前感到局促的经历,这在我们普通人看来十分有趣。

 

杨:我和爱因斯坦还有一次近距离的接触。那是在尼耳斯·玻尔来访问的时候。玻尔是20世纪最伟大的理论物理学家之一,他是爱因斯坦的朋友,也是对手。那是一个比较通俗的演讲,会场设在一个普通的大屋子里,由于没有足够的椅子,我们很多人就坐在地上。爱因斯坦也参加了这次演讲。从传播知识的角度看,那次演讲非常失败,因为玻尔的母语是丹麦语,对于多数听众来说他的口音很重。如果我没记错的话,爱因斯坦最后问了一、两个问题,不是很多。我想我们大多数的年轻人只是坐在那里,观察这两位伟大的物理学家的反应,而并不真正懂得发生着什么事情。要知道,爱因斯坦和玻尔的学术争论是历史上最重要的思想交锋,他们的对话试图阐明量子力学的意义。玻尔对于在1927年那次会议中他同爱因斯坦之间不同寻常的对话感到非常自豪[],他在此后的那些年里反复使用他当年在黑板上所绘出的图示。据说那幅图解在他去世的当天还留在办公室的黑板上,有人还在他刚去世时拍下了照片。

 

:这些故事非常有趣。想必您在见过爱因斯坦之前,已经仰慕他很久了。请问您是什么时候、在怎样的情况下知道爱因斯坦的?

 

:在我还是个孩子的时候,爱因斯坦已经非常有名了。所以,我在读小学的时候就已经听说过他的名字。当然,那个时候我什么也不懂。之后大约在1934年或1935年,我读了爱丁顿(Arthur Eddington)和金斯(James Jeans)的两本书。爱丁顿和金斯是和爱因斯坦同时代的重要物理学家。20世纪早期的三次科学革命之后,关于这些革命的通俗读物大量出现,尤其是爱丁顿和金斯的书流传很广。他们两个都是英国有名的物理学家,也是优秀的科普作者。其中一本叫做《神秘的宇宙》,写得非常好,我在读初中的时候就有中文译本。我读了此书并被它迷住了。当我回忆自己和20世纪物理学的那些未解之谜的初次接触时,至今仍能体会到当时所感受的那份震撼。所以,那很可能是我第一次被爱因斯坦的研究成果所深深迷住。此后,当抗日战争时期、在昆明读大学的时候以及随后读研究生的两年里,我开始更深入地了解爱因斯坦的物理学。我在什么地方写过,在那些年里我在物理学方面打下了非常全面的基础;然而更重要的是,我对于物理学的本质有了一定的认识。

 

:您是如何看待爱因斯坦对美国物理学发展所起的作用的?

 

:爱因斯坦没有收过研究生。 他是1933年到高等研究院的。如同过去一样,普林斯顿高等研究院现在仍然没有研究生。爱因斯坦在高等研究院有一些助手。每年他都会有一位助手,这位助手将跟随他工作两年。后来他的助手中有一些人成了非常著名的物理学家。但是,因为爱因斯坦所作的演讲不多,所以我想他对美国物理学的影响是通过早期的工作得以实现的,而不是通过他1933年后在美国的定居所直接产生的。第二次世界大战后,他就再没回过欧洲。也许你知道爱因斯坦被邀担任以色列总统一事,但是他拒绝了。据我所知,自从爱因斯坦到普林斯顿之后,他对旅行的兴趣就不大。他喜欢驾帆船,因为纽约东面的长岛离普林斯顿不远,所以爱因斯坦曾数次于夏季在长岛上度假,有时驾帆船沿着长岛海岸航行。因为爱因斯坦喜欢住在水边,他于40年代在那里租过数处居所。后来我在1966年后搬到石溪,也在长岛上面。我记得至少20年以前,当时的房主人在门口竖了一个牌子,上面写道:爱因斯坦曾经在此处居住。我想爱因斯坦在二战后没有去过西海岸。在2030 年代,他去过加利福尼亚。我记得见过一张他同卓别林的合影,还有一张与密立根(Robert Millikan)的合影;密立根是诺贝尔物理奖获得者和加州理工学院的创办人之一及院长。由此我们知道爱因斯坦曾在二战前去过加利福尼亚。但是战后,我相信他没有再去过。从某些意义上讲,爱因斯坦的举止完全像一个退休隐居的教授;但是实际上,他一直在为统一场论而进行研究。

 

:有一个故事说卓别林见到爱因斯坦,对他说:全世界都知道我们俩:人们知道我是因为谁都知道我在干什么,而人们知道您是因为没有几个人知道您在干什么。您刚才还提到爱因斯坦拒绝出任以色列总统,这与我下面的问题相关:您能大致谈一下爱因斯坦的政治生活吗?

 

:大家都知道当年爱因斯坦是应普朗克(Max Planck)的邀请从瑞士去德国的。他在柏林的最初生活,相对而言是比较平静的。爱因斯坦就是在那几年里做出了具有深远影响的贡献。例如,在1915年和1916年他创立了广义相对论,然后对量子物理进行了深刻的考察。在1924年,他进一步推进了自己原先在凝聚态物理方面的观点,而这些理论的应用在最近几年才变成现实。在上个世纪20年代初期,希特勒开始掌权以前,有些人刁难爱因斯坦,就因为他是犹太人出身。希特勒上台后事情变得更加令人厌恶。我们可以清楚地看到,在那些年代里,爱因斯坦一直强烈地反对德国社会上的种族歧视。我对他为什么拒绝担任以色列总统知道的不多。他在二战前就已经为魏茨曼研究所筹集过资金。二战期间,爱因斯坦参与签署了致罗斯福总统的一封非常著名的信,信中强烈敦促美国要注意将来可能问世的原子武器。二战结束后,他在多次政治声明中主要关注的是国际间可能的合作,人权与正义,以及先进武器所具有的危险等,包括临终前几天在著名的罗素-爱因斯坦宣言上签名。战后爱因斯坦的公众形象被他的一尊塑像生动地摹画出来,该塑像矗立在华盛顿特区的美国国家科学院的院子里。它是一尊巨大的铜像。这座塑像的头一定有这么大(手势)!塑像可以很好地代表爱因斯坦在公众心目中的形象,它确实体现了爱因斯坦的精神面貌:他的眼神茫然,好像已经置身世外,专注地思考着什么。我认为这个雕塑确实是一件杰作,因为它很传神,同时又表现出了爱因斯坦在公众心目中的形象。由于雕像是露天放置的,所以它已经成为一个公众喜爱的旅游景点,尤其是孩子们喜欢坐在雕像的膝上留影。

 

评:我知道您为自己儿子拍过一张与爱因斯坦在一起的照片。

 

杨:是的,那是在1954年秋天,在普林斯顿。实际上,爱因斯坦是一个非常和蔼的人。邻居家的小孩子们都认识他,当他向高等研究院走去时,他们有时候会跑过去问爱因斯坦一些几何问题。有一本不厚的书不知你看过没有,这是一本非常不错的书,名叫《爱因斯坦的人性》。这本书收集了爱因斯坦给那些写信求教的人的一些复信,甚至包括对某些幼稚问题的更正。如果你读过这本书,相信你会看到爱因斯坦的另一面:他的确是一位非常人性的敏锐的观察者,这一点与我刚才说的那个雕像形成鲜明的对照:雕像中的爱因斯坦超凡脱俗,心事浩茫连广宇,与尘世毫无瓜葛。但是,如果你细读他的文章,就会发现他对世事与人性的了解洞若观火。研究过他演讲的人都会发现他从来不写冗长的文章,但是他有很多简短的作品,其中一些是他的讲演稿。如果你读这些讲演稿的话,你就会意识到:第一,爱因斯坦的文笔特别优雅,用词遣句恰到好处,特别是,我听说他的德文更是文采飞扬;第二,爱因斯坦对人性了解甚深。当然,这些都是目前大家已经知道的事实。然而,爱因斯坦似乎不知道如何与女性相处。在他临终时,他说自己在同女性的交往中不止一次地失败。关于这方面,在最近几年,通过有关的研究,如通过分析人们提供的有关爱因斯坦的通信,一个比较清晰的图像已经初步形成。我想今年在柏林揭幕的爱因斯坦展览里,相关的内容可能会得到展示。

 

评:请问爱因斯坦当年在普林斯顿的学术圈中扮演了什么样的角色?

 

:我不太清楚上个世纪30年代里发生了什么?但是在1949年之后,在我去普林斯顿高等研究院以后,他就很少与普林斯顿的学术圈来往了。他住在一栋朴素的房子里。我自己在普林斯顿生活了17年。在最初的六年里,当爱因斯坦还健在的时候,我觉得他从来都不在自己的家里举行任何聚会。众所周知,他每天都到自己的办公室,而且身边通常会有一位助手,有时也就是他的合作者。据我所知,他在普林斯顿最知心的朋友是伟大的逻辑学家哥德尔(Kurt Gödel)。有一次爱因斯坦对自己的助手说:只是在遇见了哥德尔之后,我才知道数学是这么一回事。

 

评:还有一个传说是,爱因斯坦说自己每天到高等研究院来,不过是要享受同哥德尔一道散步回家的乐趣。

 

杨:除此之外,我认为他很少与研究院以外的人接触。在奥本海默家中举行的聚会上,我从来没有看见到爱因斯坦。除了前面提到的那次演讲以外,在我的记忆中,他似乎极少在其它的演讲中露面[]。爱因斯坦在普林斯顿有几个朋友,也许都是以前在欧洲时的老朋友。

 

 

对称性:物理学中的伟大旋律

 

评:除了爱因斯坦,20世纪的物理学家中您最佩服的还有谁?

 

杨:我最敬佩的三名物理学家是爱因斯坦、狄拉克(Paul Dirac)和费米(Enrico Fermi),这三个人我后来都认识了。我很了解费米,因为他是我的老师。我跟狄拉克也很熟,因为我在普林斯顿的时候,他常访问高等研究院,而且我搬到石溪之后,还曾经邀请他到石溪进行过为期半年的访问。实际上,我们打算邀请他留在石溪的纽约州立大学。六十年代末他从英国剑桥退休后打算搬到美国,所以我们请他在石溪做一名教授,但是他没有接受我们的邀请,而去了气候好一些的佛罗里达。然后,他在那里一直待到1984年逝世。在这三名物理学家中,我对爱因斯坦的了解是最少的,部分原因是年龄上的:因为他比费米和狄拉克大20岁,比我大43岁,而费米比我大21岁。所以,我们是三个不同时代的物理学家。

 

:您刚才提到20世纪早期有三次科学革命,它们是否都与爱因斯坦有关? 对此您能否多讲几句?

 

:当然,爱因斯坦对于整个当代物理学的所有领域都有深远的影响。我前面提到20世纪早期物理学有三次革命,也就是狭义相对论、广义相对论和量子力学。爱因斯坦对于前两次革命有着百分之百的贡献;几乎可以这样说,他单枪匹马地完成了这两次革命。第三次革命是很多人努力的结果,其中包括爱因斯坦。如果将他对量子力学的贡献用一句话来概括的话,那就是他坚持了电磁波也是粒子这个论点,我们现在将它称为光子。光子这个词不是爱因斯坦发明的,但是这个概念是爱因斯坦首先引出的。

 

评:您认为导致爱因斯坦产生相对论的核心观念是什么?

 

杨:好,现在我就来谈谈狭义相对论。1905年,爱因斯坦这位名不见经传的26岁的专利局职员,能够得到那种骇世惊俗的理论思考和伟大贡献,实在是令人惊异。在不久的将来,我将尝试讨论他为什么会在那么年轻的时候就能做出如此重要的贡献来。但是,我也可以这样说,以今天的眼光回顾过去,狭义相对论不仅仅是一个划时代的革命,它也有某些爱因斯坦最初并未自觉意识到的深远影响,那就是对称性原理的应用。爱因斯坦在1905年发表关于狭义相对论的论文时,他并没有充分意识到自己所提出的是一个对称理论。所以,在1905年的时候,爱因斯坦的思想距离对称性支配相互作用还是很远的。然而在两、三年后,伟大的数学家闵可夫斯基(Hermann Minkowski指出爱因斯坦所做的研究,在更深层的角度来看是对称性原理的应用。爱因斯坦一开始不喜欢这种说法;实际上,他认为闵可夫斯基的这种复杂想法是多余的东西,于是他想:好吧,那又会怎样呢?不过他很快就改变了想法。他不仅认识到狭义相对论的理论框架十分对称这个事实,而且还开始表示应该对对称性观念进行推广。我们怎么知道这一点的呢?他在创造广义相对论的时候并没有这样说,但是在他老年的时候,在他所写的自传中,他明确地谈到自己如何根据狭义相对论发展出了广义相对论。其中他提到,在1905年提出狭义相对论三年之后,他感到狭义相对论中的对称性受到了限制,应该对对称性的应用加以扩充,这一思想同物理学上称为等效原理的思想结合起来,导致爱因斯坦完成了广义相对论。

 

评:这一事实充分揭示了数学观念与物理实在的关系,由此可以想见老年的法拉第在得知麦克斯韦成功地用数学方程说明电磁现象时的惊讶和喜悦。

 

杨:是的,这个比喻很恰当。我为什么特别提到这个问题呢?因为对称性是20世纪物理学中一个最重要的课题,而且很明显也将在21世纪的物理学中发挥主导作用。所以,狭义相对论本身不仅仅是一个重要的物理学理论,它也为物理学的基本概念引进了一种新的要素,我把它称做旋律melody)。对称性是20世纪物理学的重要旋律之一,而且这一旋律将在21世纪很好地继续下去。这个观点现在已为所有的理论物理学家和数学家普遍接受。广义相对论是爱因斯坦异常美丽的创造,它有着深远的影响。尤其是最近在天体物理学中出现了一些谜团,一些惊人的发现,这些发现理解起来非常困难。很明显,这些东西与人们对广义相对论的发展、评估或修改是紧密结合在一起的。宇宙学本身就是由爱因斯坦所创建的学科,在完成广义相对论几年之后,他写了一篇论文,那篇论文被认为是当代宇宙学的开端。所以,一个人能在一生中对整个物理学领域、而且通过融会贯通这个领域,实际上对整个现代科学的诸多方面产生如此深远而重要的影响,这的确是非同寻常的。

 

:您能否给我们介绍一下爱因斯坦对统一场论的探索?

 

:广义相对论的成功使爱因斯坦能够对世人讲,好了,作为一个研究领域,我们对重力的本质算是搞清楚了,因为广义相对论实际上就是关于重力的理论。同时他也会说,我们还有一个已经搞得很清楚的研究领域叫做电磁场,现在应该试图把这两个领域统一起来,并融合到一个几何学的框架之中来。就这样,爱因斯坦领悟到应该有一个统一的场理论,这就成为他注意力的重心所在。我们可以讲,从1927年,或者更肯定一点,从1933年他移居普林斯顿之后,建立统一场论就成为他的最终学术目标。爱因斯坦去世后的1020年间,很多人觉得他在晚年已经变成一个产出贫乏的科学家,脱离了那种使他早年成为伟大物理学家的物理学,而专心探索一种虚幻的、不存在的东西。1979年,在爱因斯坦诞生100周年的纪念会上,我对这种观点提出了异议,我说:或许有人可以将爱因斯坦晚年的追求称之为痴迷;但是,它是一种美丽的痴迷,正是这种痴迷使现代物理学找到了方向。今天,这一论点比1979年时更加清晰和有力。因此,我想说今日基础物理学中最重要的问题依然是对统一场论的探索。自爱因斯坦逝世到今天,问题变得日趋明朗,对于爱因斯坦痴迷于统一场论的轻蔑态度已经日渐消失;取而代之的是,大家都认为这是一个正确的方向。但是,如何完成爱因斯坦的梦想,我认为仍然存在着难以想象的困难;或许,由于各种技术上的原因,是今后3050年内都解决不了的问题。但是无论如何,这种痴迷代表的是正确的方向——这一点,大家都会接受。

 

评:您刚才对爱因斯坦的生活与科学贡献作了非常生动的描述。我还有一个事关他的哲学信念的重要疑问,我想请教一下,为什么爱因斯坦对量子力学持如此强烈的怀疑态度?

 

:我想这个问题应该倒过来问,为什么人们相信现在对量子理论的解释是正确的呢?目前对量子力学的解释和我们日常生活的经验是截然不同的。尽管量子力学取得了伟大的成功,爱因斯坦仍然有勇气坚持说目前对量子理论的解释并不是最后的定论,这种想法他一直坚持到生命的最终。我想现在几乎每个人,我指的是以物理学为职业的专业人士,都赞成他的这种看法。但是这并不意味着我们不接受量子力学的哥本哈根诠释以及这一理论所取得的成功,后者已通过不同的实验事实一再地显现出来。尽管如此,几乎每一位物理学家都相信这不会是最后的定论。最近几年来,由于相关技术的发展和需要,纳米物理学正在蓬勃兴起,这是一门介于宏观物理学和微观物理学之间的学科。因此,早晚有一天,我们或许会对量子力学中的一些特殊部分得到更深刻的认识。

 

 

统一理论:21世纪物理前沿的热门

 

评:您能不能简单谈一下爱因斯坦的统一场理论对21世纪物理学的重要意义?

 

:这个问题回答起来还有一点难度,我们现在所谈论的事情与爱因斯坦发起的两个半科学革命是相关的。但是如果你问我他的影响的话,除此之外,就未来而言,我想说,第一是他对统一场论的持之以恒;第二就是他所强调的统一场论中的两个必不可少的概念,即:一、对称性,它是推动统一场论的一个重要元素,或者说21世纪理论物理学中的一个主旋律;二、统一场论必然基于一种几何学的概念。这两个观点现在已经被大家广为认同。

 

评:您能不能用通俗一点的语言,对我们的读者介绍一下当今物理学前沿的热门问题是什么?

 

杨:今年大家都在庆祝爱因斯坦1905年的大成就,毫无疑问爱因斯坦是超越世纪的,他是历史上最伟大的两个物理学家之一,直接影响到整个物理学的发展。他在1916年以后就提出统一场论的思想,1937年到美国之后更专心致力于这一理论。什么叫统一场论呢?通俗说就是,物理世界的所有力量都有一个统一的结构,这个方向是爱因斯坦指出来的,而且他的最后20年完全用在这上面,但是没有成功。所以在5060年代,有很多物理学家说爱因斯坦晚年走错了路,我一直认为这种看法是完全错误的。不错,他是没有成功,可是方向绝对是正确的。从今天21世纪初的观点来看,这是目前理论物理学中最重要的方向。所以如果你问我什么是物理学中最重要、最吸引人的方向,我想统一场论是一个。不过我个人认为,这个方向恐怕一时还不能达到成功,从爱因斯坦逝世以来的50来年,有了相当重要的突破,所以今天大家对统一场论的态度同过去已经完全不一样了。那个时候只是认为统一场论是爱因斯坦的一个错误的执着选择,现在大家都同意他这个方向是对的,虽然没有做出来,或者说没有尽全功,所以大家都在努力以毕其功。你大概听说过超弦理论,就是要向这个方向努力的。我自己对超弦理论成功的可能不太乐观,持怀疑态度,我觉得在今后3050年内恐怕不能尽全功。不过这并不是说理论物理学里就没有重要的东西了,现在物理学里新的花样多得不得了,只是不全在爱因斯坦所注意的那些事情上面。

 

评:您对超弦的前景不乐观,但是一些人仍然认为超弦理论是实现大统一的最主要候选者。

 

杨:我记得费米说过,太形式化的东西不是不可能引出重要的物理,但可能性通常很小。超弦中有很妙的数学结构,它假设在我们熟悉的时空维度之外还有若干维度,这是迄今为止无法验证的。

 

评:我倒是想起科学史上的一个例子:托勒玫体系在解释天体运动时需要引进本轮和偏心圆等概念,为了应付不断观测到的行星运动的逆、留、疾、迟等现象,该体系就需要不断地创造一系列的轮中之轮,结果把宇宙这部机器搞得异常复杂,哪里有个轮子出了问题,整部机器就瘫痪了。很难设想喜欢简洁和美的上帝会设计这样笨重的机器。

 

杨:在我看来托勒玫体系的唯象意义还是蛮成功的,超弦的唯象解释至今还非常牵强。

 

评:会不会再出来一个哥白尼,告诉大家这条路不通,上帝根本就不是这样设计的呢?

 

杨:这也是可能的。无论如何,现在有很多方案致力于解决大统一问题,大统一这个方向是正确的。此外,在理论物理学的上面或底下,本着理论物理学所发展出来一些方向,如波色-爱因斯坦凝聚Bose-Einstein CondensationBEC),这方面的新进展已经获得诺贝尔奖[]。这是1995年前后做出来的,这个工作跟爱因斯坦1917年以前的工作,还有1924年波色(Satyendra Bose)的论文有密切的关系,这也显示了爱因斯坦厉害的地方:他有远见,而且能够一针见血地看出别人看不出来的、在未来将显示重要性的地方,例如现在搞得很热的量子通讯就将有赖于特殊物理状态下形成的量子纠缠(Quantum Entanglement)。除了这个以外,我想以后二、三十年物理学最重要的发展将体现在应用方面,比如说激光,在五、六十年代被发现,现在它的应用已经遍及军事、工业、医药,而且还要继续发展下去。另外一个重要的发展,现在很多国家都在搞的自由电子激光(Free Electron Laser),就是把激光的波长缩小到x光的波长范围,波长短了以后就很难造成激光,所以到现在还没有完全做成,不过已经有了办法,这个做成之后肯定会有革命性的应用。还有象天文物理学,最近这三、四十年里涌现出一些新的现象,这些现象都与理论物理学有很密切的关系。

 

 

科学革命:物理学家的机遇和挑战

 

评:您刚才几次提到了革命,上一世纪物理学中诞生了量子力学与相对论。站在新世纪的起点上,我们发现现在有些地方同20世纪初非常类似,您刚才也提到出现了一些新观察到的奇异现象,还没有得到完满的解释。根据库恩(Thomas Kuhn)的理论,“反常现象”的出现通常是科学革命的前兆。您可不可以就此做一比较?21世纪物理学的走向将会怎样?当代物理学面临着什么样的挑战和机遇?

 

杨:如果撇开天文物理学不讲,我想,21世纪至少在它的头50年里,物理学最重要的发展将是一些不同的应用。为什么这样说呢?因为基础物理的发展遇到两个很大的问题:一个是费用太高,基础物理发展来发展去就成了高能物理,高能物理需要越来越高的能量,越来越高的能量需要越来越大的加速器,越来越大的加速器需要更多的经费,现在已经达到了几十亿美元的量级了。欧洲核研究中心(CERN)现在在做下一个很大的加速器,这个加速器做过之后,我想在几十年之内不容易再有更大的机器,这一来就会使整个领域的发展大大放慢。至于理论方面,同时也出现了问题,因为有非常困难的数学问题现在还不会处理。不过这并不代表整个物理学的停顿,过去的物理学革命对物理学的应用打开了许多新的门,这些门可以通向很多应用,这些应用的背后都是财富,所以今后三、五十年内物理学的应用将有蓬勃的发展,这是不可避免的。不过我刚才开始这段话的时候,我说过天文物理除外,为什么讲这句话呢?因为现在天文物理中确实发现了一些不好理解的东西,所谓暗物质(dark matter)、暗能量(dark energy)就是非常稀奇的事物,这里面我想是可能引出基本物理学中革命性的发展来的。

 

评:20世纪初的物理学上空有所谓两朵乌云之说,即以太漂移黑体辐射问题,它们引出了相对论和量子力学,是否可以把暗物质和暗能量的发现同100年前物理学家的困惑相比较?

 

杨:20世纪初年物理学发展的主要动力,是因为19世纪以前大家所讨论的经典物理,是日常生活尺度的物理,适用于宏观的世界,但是将它用在微观世界里面之后,发现有些地方不对头,于是产生了20世纪的革命。你也可以说,现在天文物理学中出现的一些奇怪现象,就是我们把微观世界与宏观世界的物理用在天文学的尺度上,也就是推广到宇观世界,那就走得非常非常之远了,这里面可能会有新的革命,至于会不会发生我不敢讲。假如一个年轻人,他觉得自己一生的目的就是要做革命性的发展的话,他应该去学习天文物理学。

 

 

物理和数学:进步、期望与兴趣

 

:今年是世界物理年,而三年前是世界数学年,我记得陈省身大师在2002年的国际数学家大会上提出过一个有名的论题,即中国在21世纪将成为一个数学大国。在迎接世界物理年到来的时刻,您认为中国的物理学研究在世界上的地位如何?主要差距在哪里?对中国物理学的未来有什么期望和建议?

 

:中国物理学的发展,跟过去相比,现在有了长足的进步和充分的影响;但是同世界上最先进的国家来比,我们的物理学还差一大截。上个学期我在清华物理系为大一物理专业的学生开课,我深深了解到中国有非常优秀的学生,而且这些学生能够被调动起来集中到朝他们有利的方向发展,这一点跟美国同年级的学生非常不一样。所以我想中国的经济条件变好了以后,中国的物理学会继续快速地发展,但是具体说要花多少年走在世界前列是很难估计的。事实上,如果你要问20年以前在国内有什么人能够看到2005年中国的经济情形、教育情形、城市建设情形,我想这是当时无人可以想象到的。最重要的问题是讨论中国是否已经符合基本的条件。我觉得从学生的素质、从教育的传统、从全民的决心这些方面讲,中国现在是处在最好的状态,还差的是经济支援的不够。经济支援不够的原因很简单:以前的经济底子太薄。虽然现在好了一点,但是需要用钱的地方多得很。任何人到贫穷的地方看一下就知道中国的问题还多得很。在这种情况下能够拿出多少钱来帮助科技的发展,可以想象是个非常困难的问题。我想这就是中国科技不能像期望地那样快地发展的主要原因。

 

评:我这里想问一个有点俗的问题,那就是——如果您可以重新开始自己的一生,您是否还会选择物理学?

 

杨:这个问题其实我也问过自己。今天的物理学跟五十、六十年以前我开始念书的时候情形已经不大一样了,那个时候跟100年以前更不一样。我自己知道我在数学方面的能力很强,物理跟数学又有很密切的关系。如果你单问我,一个年轻人在这方面有兴趣而又有些能力,在100年以前、50年前,或者是今天,他会选择的方向是不是有区别,回答是有区别的。比如说50年以前、60年以前,在我读大学的时候,那个时候基本物理可能发展的东西还相当多;今天呢,象我刚才讲的,不是那么乐观。假如我现在是一个20岁的大学生,或者25岁的研究生的话,如果对于现在发展的情况比较了解的话,我想非常可能的我会走向数学。因为,我刚才不是讲了半天的应用吗?物理学应用的方向现在多得不得了,可是我想我对那些应用热心的程度不如对基本物理学热心的程度大,或者说没有我对纯粹数学的兴趣大,所以我想我会倾向于走向数学方面。

 

评:或者说数学物理?

 

杨:不完全是这个意思,数学物理里面有比较纯粹的,也有些应用的,我是会比较想向纯粹的方向走,但是这个方向现在不容易发展,所以我会走到数学。

 

评:其实您在这方面已经有过很多了不起的贡献,如我们今天完全没有谈到的规范场理论和统计物理中的巴克斯特方程Yang-Baxter Equation)等。让我来做一个假设:如果可以重新开始您的研究生涯的话,您多半会从事同广义相对论及统一场论相关的题目,如探索时空结构和宇宙常数项这样最根本的问题,但不会在超弦理论的精致化或量子电动力学的重整化这样的方向上发展。

 

杨:你怎么得出这一假设的呢?

 

评:因为您的学术风格和研究品味,陈省身说杨子始开大道深[],您似乎特别钟爱几何学和关注对称性问题。我在江才健的书中还找到一条线索,书中引了您在1979年评论爱因斯坦的话,是这样说的——“如果我们接受爱因斯坦偏爱几何的论点,那么甚至可以把这论点进一步发挥,认为爱因斯坦喜欢波动力学,因为它比较几何化,而他不喜欢矩阵力学,因为它比较代数化。”您这样推崇爱因斯坦的风格,想必此话也是您自己心灵的写照。

 

 

杨:也许是吧。

 

评:今年7月要在北京召开第22届国际科学史大会,很高兴您接受我们的邀请作一个大会报告,您能透漏一下将谈些什么内容吗?

 

杨:我现在正在准备这个演讲,我想大体上会就爱因斯坦成功的因素做一些个人的分析,这是一个很复杂的题目,牵涉的问题很多,不过我觉得做点研究也许可以对后人有所启发。

 

评:再次谢谢您,杨先生,我们期盼着在北京大会上聆听您的报告。

 

原载《科学文化评论》第2卷第3期,2005年,72-89


 

作者简介:刘钝,1947年生,中国科学院自然科学史研究所研究员;王浩强,1974年生,中国科学院自然科学史研究所研究助理。

[] 据杨先生回忆,歌词片断为:“中国男儿,中国男儿,要将只手撑天空。长江大河,亚洲之东,峨峨昆仑……古今多少奇丈夫,碎首黄尘,燕然勒功,至今热血犹殷红。”本文中的所有脚注都是采访人根据有关文献补充的,为避免喧宾夺主,一律省略出处。

[] 杨武之先生曾在杨振宁12岁半时所摄照片的背后题书:“振宁似有异禀,吾欲字以伯瓌。”

 

[]   荷兰出生的美籍物理学家,时任《物理评论》主编,曾同乌伦贝克(George Uhlenbeck)于1925年提出电子自旋的概念,但他最有名的事迹是在二战后期出任“阿尔索斯”(Alsos)小组 首席科学家,该小组的使命是调查纳粹德国研制核武器的机密。

[]  日本理论物理学家,因预言π介子的存在荣获1949年诺贝尔物理学奖。

[]根据李政道先生的回忆,他也参加了这次同爱因斯坦的谈话。

[] 这里指1927年在布鲁塞尔召开的第五次索耳维会议,当时欧美几乎所有重要的理论物理学家都到会了,而爱因斯坦与玻尔关于量子力学诠释的争论成为科学史上最重要的事件。

[] 这里有一个十分有意思的旁证,据费曼说,有一次轮到他作报告,维格纳(Eugene Wigner)跑来告诉他:“爱因斯坦教授很少参加我们每周一次的研讨会,可是你这个题目太有趣了,因此我特别去邀请他。”一向喜欢调皮捣蛋的费曼一听此话脸都变绿了。

[] 2001年诺贝尔物理奖授予三位美国人Eric CornellWolfgang KetterleCarl Wieman,表彰他们成功获得费米子模态的BEC并对其性质进行的研究。

[] 陈省身赋诗道:“爱翁初启几何门,杨子始开大道深。物理几何是一家,炎黄子孙跻西贤。”诗末注“爱因斯坦的广义相对论将物理视为几何。规范场论作成大道,令人鼓舞。”