杨振宁 2001年4月26日
杨振宁，安徽省合肥市人。著名美籍华裔科学家、物理学大师、诺贝尔物理学奖获得者。1957年与李政道提出的“弱相互作用中宇称不守恒”观念被实验证明而共同获得诺贝尔物理学奖；其于1954年提出的规范场理论，则于70年代发展成为统合与了解基本粒子强、弱、电磁等三种相互作用力的基础；此外曾在统计物理、凝聚态物理、量子场论、数学物理等领域作出多项卓越的贡献。
19世纪物理学最重要的两个贡献，一个是电磁学，一个是统计力学。统计力学最主要的创建人是三个，一个是麦克斯韦，一个玻尔兹曼，一个叫做吉布斯，其中玻尔兹曼写过很多通俗的文章，那么我今天就从他的一段话作为开始来跟大家谈谈。他说：“一个音乐家在听到几个音节以后，就能辨认出来莫扎特、贝多芬或者舒伯特的音乐，同样一个数学家或物理学家，也能在念了几页文字以后，就能辨认出来柯西、高斯、雅可比、亥姆霍兹或者克尔期豪夫的工作”，他的这段话我觉得很有意思，为了解释这段话，我曾经跟几个朋友这样讲，我说：“大家知道，每一个画家、音乐家、作家都有他自己独特的风格，也许有人会以为，科学与文艺不同，科学是研究事实的，事实就是事实，什么叫做风格，要讨论这一点，让我们拿物理学来讲，物理学的原理有它的结构，这个结构有它的‘美’跟‘妙’的地方，而各个物理学工作者对于这个结构的不同的‘美’跟‘妙’的地方的感受，有不同的了解，因为大家有不同的感受，所以每一个工作者就会发展他自己独特的研究方向跟研究方法，也就是说他会形成他自己的风格”，那么这段话我希望在下面用几十分钟给大家详细解释一下。
为了做这件事情，我先给大家介绍两个20世纪的大物理学家，第一位叫做狄拉克，他是英国人，1902年出生，1984年去世的，我带了一张相片，不过我想大家看不见，这是他在1969年从剑桥大学退休了以后到美国去，那时我们在Stony Brook（纽约州立大学石溪分校）访问他，我的一个喜爱照相的同事给照的，这张相片我觉得照得很好。
他是一个非常有意思的人，很少讲话，而你要听他讲话的话，就会觉得他的想法跟一般的人都不一样，那么关于他的故事非常之多，我给大家只讲一两个。
第一个例子，有一天在他演讲完了以后有个学生说：“狄拉克教授，我不懂您刚才所讲的理论”，于是狄拉克就又解释了一下，解释完了以后，那个学生说：“狄拉克教授您刚才讲的这个，跟您以前所讲的每一个字都是一样的”，狄拉克说：“这不稀奇，因为这是最好的讲法”。另外一个故事是，他在普林斯顿演讲时，为他作介绍的教授在他演讲完了以后说：“狄拉克教授可以回答你们的问题”，有的学生就说：“狄拉克教授您刚才那个方程式（3），是怎么从方程式（2）演化出来的？”，狄拉克不讲话，于是介绍他的人等了几分钟，就说：“狄拉克教授，请您回答他的问题”，狄拉克说：“他只讲了一句话，他没有问问题”。
狄拉克最重要的工作，是在1928年，他写了一篇文章，这个文章上面有一个很简单的一个方程式，我念这个方程式给大家听[pα+mcβ]ψ=Eψ，这是一个非常简单的方程式，可是这个方程式有不得了的贡献，它奠定了今天原子、分子结构的基础，它解释了为什么电子有自旋，自旋的意思就是每一个电子都是在那儿像陀螺一样地转，电子有自旋这个事情不是狄拉克发现的，在那以前几年，已经有人提出来，电子一定有一个自旋，可是不知道为什么要有自旋，刚才我所念出来的这个简单的方程式，你去了解了它真正的意义以后，你自然而然就知道，电子一定要有一个自旋。而且这个电子的自旋形成一个磁矩，就是像一个小磁铁，电子有自旋有磁钜这件事情也不是狄拉克发现的，是当时已经知道了，可是没有人知道为什么会有磁矩，而用刚才所念出来这个方程式就很自然得知道有磁矩，而且这个磁矩可以定量地用这个方程式算出来。而这个磁矩跟电子轨道行动的关系，也是本来猜想到了，可是不懂为什么是那样，也被他的这个方程式所解释了。你想这样简单的一个方程式，把当时困扰大家的三个重要问题都解决了，当然震惊了当时的物理学界。
我想最好的词来描述这个，就是这是一个“神来之笔”，可是这个被所有的人都认为是绝对的“神来之笔”并不这么简单，因为它出了一个新的问题，这个新的问题叫做负能问题，Negative energy，大家知道通常“能”都是正的，他这个方程式，你去算了一下以后，会得出来一个非常稀奇的现象，就是电子可有负能，这个负能当时是不可思议的一件事情，所以很多人懂了他的这个工作的第一步以后，觉得这个东西是妙不可言的，可是又觉得这个里头有非常奇怪的、不能够了解的、绝对不会对的事情，所以以后几年，就有种种人批评狄拉克，说他这个工作，看起来对是碰巧，其实是不对的。可是狄拉克坚持，到了1931年，他更进一步研究后说：“不但这个负能是应该有的，而且有了这个负能以后，就会发现一个新的，重要的现象”，当时还没有看见，就是说任何一个电子，都会有一个跟它俱来的叫做反粒子，anti-particle，每一个粒子都有一个反粒子，这个反粒子跟这个粒子完全一样，可是它的电荷是相反的，这个当时又是大家所不能接受的。有人说你从来没有看见过任何一个反粒子，你怎么随便就讲有个反粒子呢？可是过了1年以后，加州理工大学有一个年轻人，他其实是博士生，叫做卡尔·安德森，他在第二年，用云雾室照出来了一个轨道，这个轨道是一个正电子，正是刚才狄拉克所讲的电子的反电子，因为它反粒子，因为它是带着负电，这样一来的话，大家知道狄拉克的这个方程式不但是对，而且完全是对的，他预言出来了一个从前大家不晓得的一个新的现象。
所以，你可以想一想，狄拉克是一个话讲得很少的人，可是他话的内涵有简单的、直接的、原始的逻辑性，懂了他的想法以后，你会拍案叫绝。我想了想，用什么样子的中国传统的语言，可以描述看了他的文章以后的感受；叹服了他这个工作的重要性以后的对于他文章的看法是什么？我想最好是说“秋水文章不染尘”，因为他的这个文章里头确实是一点渣滓都没有的，清楚极了，假如你懂他的逻辑思维方法的话。
我曾经想，要想跟我的文史的朋友介绍看了狄拉克的文章的感受，应该怎样讲呢？最后我发现唐朝的诗人高适，他有一首诗《答侯少府》，上面有这样两句“性灵出万象，风骨超常伦”，我觉得这两句话用来形容狄拉克的风格是最好的。为什么呢？“性灵出万象”，这个“万象”用来描述狄拉克方程式的影响，那是再恰当不过了，它解释了无数的物理、化学的现象，它是今天的原子、分子结构的最重要的一个方程式。为什么说：“风骨超常伦”呢？这我刚才也已经跟大家大概介绍了一下，他在1928年到1932年之间，不顾当时最有名的几个物理学家的反对和冷讥热嘲，这几个最有名的物理学家，包括尼尔斯·玻尔，包括海森伯，包括帕利，他们都在嘲笑狄拉克，说狄拉克想入非非，他做的东西是不对的，可是这个狄拉克是坚持的，所以他确实是“风骨超常伦”。那么什么叫做“性灵”呢，“性灵”据我所知道，是由明朝公安派的文学批评家“三袁”最早提出来的，其中袁宏道讲他的弟弟袁中道的诗，“独抒性灵，不拘格套，非从自己胸臆流出，不肯下笔”，用这几句话拿来形容狄拉克的风格是最恰当不过了。
下面我要给大家介绍另外一个20世纪的大物理学家，叫做海森伯，我想很多人会以为海森伯比起狄拉克还要略胜一筹，海森伯是德国人，1901年出生，1976年去世的，我也带了一个海森伯的相片，这个是他24岁的时候还没有做出来他最重要的工作的时候的相片，今年12月，是他的100周年生日，在慕尼黑要有一个庆祝。
他所做的工作是开始了量子力学的第一步，20世纪物理学里头，最最重要的几个发展之一就是量子力学，在20世纪以前，物理里头的数目、数据都是连续的，你说这个东西的家数是A，这个A是一个连续的，不是一个是跳跃的，可是在20世纪的头20年，发现到这个跟原子、分子物理不符合，所以后来就产生出来量子的这个观念。可是量子化的这件事情是非常困难的，因为要把从牛顿开始建立起来的物理系统整个改观，这个革命性的发展不是一天两天所能做到的，所以20世纪头25年是有种种的纷扰。
在50年代美国一个重要的物理学家叫做奥本海默，大家也许晓得，奥本海默非常有名的地方是因为他在打仗的时候主持了美国的原子弹制造工作，他是非常会讲话的一个人，他50年代在英国的一个演讲里头，描述了那个头25年物理学工作者之间的一个氛围，他说：“那是一个在实验室里耐心工作的时代，有许多关键性的实验和大胆的决策，有许多错误的尝试和不成熟的假设，那是一个真挚通讯与匆忙会议的时代，有许多激烈的辩论跟无情的批评，里面充满了巧妙的数学性的挡驾方法，对于那些参加者，那是一个创新的时代，自宇宙结构的新认识中，他们得到了激奋，也尝到了恐惧，这段历史恐怕永远不会被完全记录下来，要写这段历史需要有像欧迪帕斯或像克伦威尔那样的笔力，可是由于涉及的知识距离日常生活是如此遥远，实在很难想象有任何诗人或史学家能胜任”。
所以这二十几年的经历确实是被奥本海默所描述得很恰当的，在那样困难的时候，一个年轻的24岁的海森伯出现了，他写了一篇文章，这个文章向一个方向迈了一步，这个方向现在叫做量子力学，而这个方向后来发扬光大，就变成了20世纪以后的几乎是全体物理学里头最最重要的几个原则之一。年轻的海森伯怎么忽然能够走了这一步，从前人没有走过的呢？他在晚年的时候，曾经有过一篇文章上讲这个经历，海森伯喜欢爬山，所以很自然的他就把爬山拿来做一个例子，他说：“爬山的时候，你想爬某个山峰，但往往到处是雾，你有地图或别的缩影之类的东西，知道你的目的地，但是人堕入雾中，不知道要向什么方向走，然后忽然你模糊的自雾中看到一些形象，你说：哦！这就是我要找的大石头，整个情形从此而发生了突变，因为虽然你仍然不知道你能不能爬到那块大石，但是在那一瞬间，你说我现在知道我在什么地方，我必须爬近那块大石，然后就可能知道该如何前进了”，他这几句话确实是描述了他的第一篇文章里头所讲的事情，因为他并没有完全懂他在第一篇文章里所讲的，他是一个尝试，是一个很模糊的一个印象，他这个文章写出来了以后，他要去度假，就把它留给他的导师玻恩，玻恩比他年长了十几岁，玻恩有数学的修养，是海森伯所没有的，玻恩看了他这个文章以后，知道海森伯里边所讲的数学，是一个从前物理学家没有用的数学，叫做矩阵，海森伯因为数学修养不够，所以不知道他所做的东西是矩阵，结果玻恩就跟另外一个比较年轻的物理学家写了一篇文章，然后海森伯回来了以后，他们三个人又合写了一篇文章，这三篇文章奠定量子力学的基础，今天物理里头叫做one man paper、two men paper、three men paper，这三篇文章的开始，就是量子力学奠基的地方。
量子力学是物理学史上的大革命，我想也是人类历史上的一个大革命，不讲它对于纯粹物理学的贡献，单讲大家可以了解到的对于日常生活的贡献，核能发电、核武器、激光、半导体元件以及今天的计算机通信工程，所有这些工程都不可能发生，假如没有量子力学。海森伯24岁的时候写的这个文章，到了26岁，他就变成莱比锡（大学）理论物理学系的主任，他爱打乒乓球，打得很好，所以独霸那一系，而他是很好胜的，一直到一个从美国来的博士后来了以后，海森伯只得屈居亚军，打败海森伯这位乒乓球的博士后的名字，我想大家都是熟悉的，叫周培源。
那么，海森伯跟比如说狄拉克之间的关系是什么呢？他们的关系很好，可是也有激烈的竞争，因为他们都是站在最前沿上面的，所以他们都知道对方的工作是非常重要的，所以每一个工作都仔细注意。在1928年狄拉克写出来了刚才我给大家介绍的狄拉克方程式以后，海森伯跟帕利，帕利是他最熟的物理学家朋友，不懂狄拉克怎么能够想出来他这个奇怪的方程式，因为这个方程式是历史上从来没有人向那个方面写的，所以他们不懂。因为这样子，他有点困扰，今天我们可以从海森伯给他的朋友帕利写的一封信上面看到他当时的心情。他的信上面说：“为了不持续的被狄拉克所烦扰，我换了一个题目做”，这就是代表海森伯不懂，这个狄拉克怎么能够有这种稀奇的想法，而得出来非常重要的结果。海森伯在这封信上说我换了一个题目做，然后底下说得到了一些成果，这个成果又是一个惊人的贡献，大家知道为什么有磁铁？磁铁里头有很多电子，那些个电子自旋都向同一个方向，所以整个加起来，它的磁矩就变成了一个磁铁。可是什么缘故，什么力量使得这许多磁矩向一个方向走呢？这个是当时不懂的，而且是一个困扰了很久的题目，海森伯说他换了一个题目，他就是不去研究一个一个电子的结构，他去研究很多电子的结构的时候，他看出来一个苗头，这个苗头就是今天我们了解的为什么磁铁能够成为磁铁的道理，所以这又是一个极为重要的工作。
