新知識的發(fā)現(xiàn)-楊振寧

1、新知識的發(fā)現(xiàn) _楊振寧 .txt 用快樂去奔跑,用心去傾聽,用思維去開展,用努力去奮斗,用 目標(biāo)去衡量,用愛去生活.錢多錢少,常有就好！人老人少,健康就好！家貧家富,和睦就 好.新知識的發(fā)現(xiàn)主講 : 楊振寧時間 :2005-2-22楊振寧教授：我非常快樂再度地有時機(jī)在這個禮堂里頭跟這么多年輕的同學(xué)談?wù)?我來 過很屢次,在這個禮堂里頭,每次看見不同的年輕人,我曾經(jīng)說過中國有數(shù)不清的可以造就 的年輕的人,我想這個與我歷次看見不同面孔的經(jīng)歷有關(guān)系, 我從 1971 天第一次到新中國來, 參觀訪問以來, 30 年了,來過很屢次,不過以前每次來的時間都比擬短,多半是一個禮拜, 頂多一次一個月,這次已經(jīng)呆

2、了三個月,這個對我有很大教育行的意義,由于通過這樣比擬 長的時間,我對于新中國到底是有些什么面臨的問題,很多人包括同學(xué),保證學(xué)校的教師, 包括在餐廳里頭端盤子的一些小姑娘,她們是怎么一個想法,她們面臨了一些什么問題,還 有我跟我太太看了很多電視連續(xù)劇,這些電視連續(xù)劇對我們有很大的教育意義.中國的電視 劇跟整個中國今天的情形是一個有目的、有方案、有方向這個開展.這個使得我們有很深的 感受,我是 1945 年到美國去的, 26 年以后, 1971 年我到新中國來參觀訪問,所以我當(dāng)時把 舊中國跟新中國不可防止地做了一個比照,有很多的感受, 1971 到今天又 30 年了,這一次 在這呆了三個月, 我

3、自己當(dāng)然又是不可防止地把 1971 年的新中國跟今天的中國來比, 又有一 個非常深的感受,我想這 30 年的變化,在許多地方也許比原來的 26 年的變化還要來的大, 我覺得應(yīng)該創(chuàng)造一個新的名詞,就是今天中國中華民族又走過了一個新的里程碑,今天的中 國經(jīng)濟(jì)叫做新新中國, 這個轉(zhuǎn)變我想是一個人類歷史上的大轉(zhuǎn)變, 不只是 12 億中國民族的歷 史上的大轉(zhuǎn)變,這個在整個人類的歷史上,有這樣大的一個轉(zhuǎn)變,不只是少見,而是將來有 空前的對于整個世界的影響, 我希望在座的每一個年輕的人, 對于這點都有一個正確的熟悉.我想今天我先跟大家講一下這兩天一個重要的物理學(xué)界新的消息,就是有三位物理學(xué)家 剛剛被宣成要得

4、到今年的諾貝爾獎金, 他們是康奈爾跟懷曼是在科羅拉多州, 凱特利在 MIT, 他們的重要的奉獻(xiàn)是發(fā)現(xiàn)了叫做玻色愛因斯坦凝聚,所以我先花也許十幾分鐘的功夫,大 概講一下玻色愛因斯坦凝聚的歷史,這件事情是 20 世紀(jì)物理學(xué)里頭一個重要的根本的發(fā) 展,大家知道 20 世紀(jì)頭 25 年,物理學(xué)有一個很大的困擾,而這個困擾在 1925 到 1927 年通 過量子力學(xué)的開展有了一個革命性的新的了解,這個革命性的新的了解,使得大家對于力學(xué) 的熟悉把牛頓的熟悉推進(jìn)了一步,這就叫做量子力學(xué),這個量子力學(xué)的開展是非常困難的, 其中有很多很多重要的發(fā)現(xiàn), 其中與玻色愛因斯坦凝聚有關(guān)系的這事情大概開始是這樣子, 在

5、19 世紀(jì)的末年, 統(tǒng)計力學(xué)是一個重要的學(xué)科, 統(tǒng)計力學(xué)里頭一個重要的工作是一個美國人 叫做 Gibbs 吉布斯,他在 1905、 1906 年出了一本小書,這書今天還是統(tǒng)計力學(xué)里頭的經(jīng) 典之作,那么這個里頭他討論了一個原理,討論了怎么樣從分子結(jié)構(gòu)了解到熱力學(xué),這是一 個劃時代的奉獻(xiàn), 他這個書里頭有一個 N的階乘N FACTORIL,這個N的階乘是他加進(jìn)去的, 可是這個加進(jìn)去有點牽強(qiáng), 所以在那以后 20 天,大家對這個不太了解, 那么有許多人想要研 究,其中一個對這個事情特別發(fā)生興趣的是恩芮科費米,恩芮科費米后來在芝加哥大學(xué) 做教授,我是他的學(xué)生,他在 1924 年的時候收到一篇文章是泡利

6、的,泡利當(dāng)時發(fā)現(xiàn)了叫做 Exclusion Prin ciple,不相容原理,那么當(dāng)時費米由于對于這個N的階乘為什么在根底統(tǒng)計力學(xué)里頭存在這個問題一直在想,所以他一看見泡利這個不相容原理以后,他馬上了解到 這兩件事情是關(guān)鍵在一起的,所以他就寫了一篇文章,這個文章是一個是重要的,現(xiàn)在我們 叫做 Fermi Disribution 費米分布, Fermi Sphere 費米半球 ,都是從這個地方來的, 可是這個文章你從今天看起來不徹底,就是它里頭是講的非常重要的東西,可是并沒有把就 是它沒有到達(dá)后來我們所得到的了解,那么那幾年開展非常之快,所以這是一方面,費米做的那個事情,就在差不多那個同時,也是

7、 1924 年,有一個不知名的印度物理學(xué)家叫做 Bose 玻色,他寫了一篇文章,他當(dāng)然是用英文寫的,寄到英國去發(fā)表,被退回來了,他討論什 么事情呢？由于那個時候在 1900 年的時候,普朗克引進(jìn)了叫做 Radiation Law 輻射的分布, 這個輻射的分布為什么會有輻射分布,大家不懂,玻色就去研究這個問題,他就說所以要有 這個輻射分布的原因,這是與經(jīng)典的力學(xué)里頭的猜想不一樣的,原因是由于經(jīng)典力學(xué)里頭, 數(shù)很多相同的子,相同的粒子,在這個情形下是光子,很多相同的粒子在數(shù)的時候,數(shù)法不 對,這個跟剛剛講的 N 的階乘有密切的關(guān)系,這是后話,他當(dāng)初并不是這樣想法,他說這個 想法不對,換一個方法來數(shù)

8、,于是這個方法數(shù)就可以很自然地得到普朗克的公式,這個又是 一個不完全徹底可是是非常重要的一個啟示.他這個文章發(fā)表不出來,他這個人有點唐突, 也許甚至于認(rèn)為是荒唐,他就寫了一封信給愛因斯坦,他說我現(xiàn)在有一篇文章,附在這信里 頭,我這文章我在英國發(fā)表不出去,可不可以請你把它譯成德文,在德國發(fā)表？他那個時 候是個無名小卒,愛因斯坦當(dāng)然忙得不得了,當(dāng)時是公認(rèn)的是物理學(xué)界的大師,不過他選擇 對了,由于這正是愛因斯坦最熱衷的幾個問題之一,所以愛因斯坦就把他這個文章譯成德 文,用玻色一個人的名字發(fā)表,然后在地下有一個注解 ,注解里頭說,這個文章很有 意思,我還要在這個方向上再發(fā)表幾篇文章,所以后來他果然就發(fā)

9、表了幾篇,其中有一篇就 產(chǎn)生了玻色愛因斯坦凝聚,什么意思呢？就是他說我要用玻色數(shù)的方法不用到光子,把它 推廣到原子,假設(shè)我有好多原子,那么我要用玻色數(shù)的方法來研究,這一研究這些原子之間 是沒有相互作用的,那么然后他就開展,開展出來以后就得到這個結(jié)論,說是沒有相互作用 的這些原子,假設(shè)溫度夠低,密度夠大的話,它就要相變,產(chǎn)生一種液體,這個液體就是今 天所謂玻色愛因斯坦凝聚,這個文章發(fā)表出來了以后,大家一致反對,由于當(dāng)時的想法覺 得為什么一個東西會從氣體變成液體呢,由于這個分子之間有吸力,互相的吸力,把它吸在 一起,像水的分子在吸的時候是距離很遠(yuǎn),可是等到距離夠近的時候,由于它有吸力,所以 就變成

10、了水,就變成了液體,所以從氣體變成液體,一個根本的原理是分子之間有吸力,這 是天經(jīng)地義的事情, 怎么現(xiàn)在來說是沒有任何相互作用也可以變成液體呢？這一定是錯誤的, 愛因斯坦當(dāng)時有一個非常好的朋友,也許是愛因斯坦一生最熟的物理學(xué)的朋友,叫做 Ehrenfest 埃倫費斯特 埃倫費斯特一方面是愛因斯坦的好朋友, 一方面這個文章完全錯誤, 所以他就叫他的研究生,他的研究生后來是非常有名的,叫做Uhienbeck 烏倫貝克 ,他讓烏倫貝克寫一個論文,這個論文就是證實愛因斯坦這個文章是完全錯誤的,所以烏倫貝克就 寫了這么一篇論文,現(xiàn)在看起來,這個愛因斯坦的結(jié)論完全是對的,他的這個數(shù)學(xué)不嚴(yán)謹(jǐn), 不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牡胤?/p>

11、就被烏倫貝克抓住了,所以就是烏倫貝克證實愛因斯坦這個理論是數(shù)學(xué)上 不能成立的,可是這一個吹毛求疵,他這個根本的結(jié)論是對的,現(xiàn)在當(dāng)然后來人弄懂了,不 過這篇烏倫貝克的論文還是存在的,過了兩三年以后,大家就知道,他這個愛因斯坦的理論 是對的,是有玻色愛因斯坦凝聚,可是當(dāng)時不可能到達(dá)那么低的溫度,也不可能到達(dá)那么 大的密度,所以這個事情只是一個理論上的時期,不過后來到了十幾年以后由于發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo) 跟超流,所以有一個人叫 Lodon 倫敦的,他就大膽地提出來,說是這個超導(dǎo)跟超流與玻 色愛因斯坦凝聚有密切的關(guān)系, 那么這個觀念剛提出來, 是 1938 年提出來, 大家也不接受, 這個一直到了 50 年代、

12、 60 年代大家才覺得這個想法根本是對的,可是玻色愛因斯坦凝聚 這件事情自己呢,還是沒法子做,由于沒有那么低的溫度,沒有那么密的分子,一直到了80年代, 80 年代由于激光的開展,有極微妙的激光的工作,用了這個激光有種種的非常妙的技 術(shù),可以把溫度從 10的負(fù)3次方降到 10的負(fù)6次方, 降到10的負(fù) 8次方, 可以說是妙不可 言的一系列開展, 所以到了 90 年代初, 在這個領(lǐng)域中的人都知道, 這樣在開展下去, 玻色 愛因斯坦凝聚就要變成現(xiàn)實,所以那個時候全世界做這一類實驗的人,都在搶這個錦標(biāo),那 么這里頭很多非常重要的開展,所以在1996年還是 1997 年諾貝爾獎金委員會就給了一個諾貝爾

13、獎給三個人,這三個人并沒有到達(dá)玻色愛因斯坦凝聚,可是每個人都對于這個新創(chuàng)造 技巧做了關(guān)鍵性的建樹, 其中一個是一個法國人叫做 Claude Cohen tannoudji ,一個是個 美國人叫做 WillianmD.Phillips ,一個是美籍華人叫做朱棣文,朱棣文是他們最年輕的,我 想朱棣文不過 50 歲超頭, 朱棣文到中國來過, 是非常聰明的一個年輕的物理學(xué)家, 他們?nèi)齻€ 人分享了這個,可是他們?nèi)齻€人雖然對于這個技術(shù)每個人都有決定性的奉獻(xiàn),而大家都認(rèn)為 他們是應(yīng)該得到諾貝爾獎金的, 可是他們并沒有到達(dá)玻色愛因斯坦, 到達(dá) 玻色愛因斯 坦凝聚的是最先三個人就是今年 2001得到諾貝爾獎金的

14、,康奈爾、懷曼跟凱特利,凱特 利我想恐怕現(xiàn)在還沒有到 50 歲,我們希望他們里頭幾個人能夠到北京來訪問, 可是剛剛所講 的這個是玻色愛因斯坦凝聚到現(xiàn)在大概的開展,這個開展還是在剛開始,由于玻色愛因 斯坦出來的這個 Items 粒子如果把它變成一個束流,就是一個像激光一樣子的東西,可 是它不是光子的激光,是原子的激光,一個原子的激光比一個光子的激光要有非常重要的新 的應(yīng)用,由于光子沒有內(nèi)在的激發(fā)態(tài),而原子可以有種種的內(nèi)在的激發(fā)態(tài),光子只有一種, 原子有很多種,所以這個里頭將來能出的把戲那是無窮無盡的,所以玻色愛因斯坦凝聚這 個領(lǐng)域在以后十年二十年沒有問題將要是熱門.楊振寧教授： 可是我剛剛講早年

15、的故事還并沒有講完,由于愛因斯坦發(fā)表了幾篇文章以后,大家知道玻色 愛因斯坦凝聚非常重要,大家又有了費米分布,到了 1926 年都知道很重要,可是 1925 到 1926 年發(fā)生了量子力學(xué)的革命, 這個量子力學(xué)的革命以后, 當(dāng)然大家對于費米的工作跟玻色 愛因斯坦的工作都要用新的眼光來看,在這里頭就又發(fā)生了底下這件事情,這件事情是這 樣的,在 1925 年到 1926 年的時候,對于氫原子的結(jié)構(gòu),所謂 Balmer Theorem 巴爾末原 理,我想在座很多同學(xué)恐怕在中學(xué)就念過這個巴爾末原理是有了準(zhǔn)確的了解, 那當(dāng)然當(dāng)時第 二個問題,那么底下一個復(fù)雜的原子,它的光譜能不能了解,底下一個復(fù)雜的當(dāng)然是

16、氦,所 以馬上的問題就是氦的光譜,氦有兩個電子,可是研究這個氦的光譜第一個問題,就是氦里 頭兩個電子,每個電子都有自旋,這兩個自旋可以是相反的,可以是平行的,所以就產(chǎn)生所 謂的 Singlet 單態(tài)跟 Triplet 三重態(tài),這是實驗結(jié)果,知道氦原子有兩種態(tài),一種叫 做三重態(tài),一種叫做單態(tài),就是一個是兩個平行,一個是兩個相反,這個里頭馬上就有一個 問題,為什么平行的跟相反的它的基態(tài)之間的能差得那么多？它 Electronic Bond 電子鍵 這樣子大的分別,這是很大的,不懂這是什么緣故,那么那個時候有個年輕的人,叫做高斯 秘特,剛剛我提過烏倫貝克,高斯密特跟烏倫貝克都是荷蘭人,他們成名之作這

17、是當(dāng)時重要 的工作,大家有認(rèn)為應(yīng)該得諾貝爾獎金的,他們沒得到,他們最早說電子有自旋的,所以當(dāng) 時都是年輕的佼佼者, 在 1926 年的春天, 高斯密特到波爾去訪問, 在哥本哈根, 波爾就跟他 說你去研究研究,為什么自旋相反跟相同的它們這個能量差得這么大,在高斯密特晚年的時 候,他寫回憶錄,他說我去想這兩個電子之間一個是平行,一個是不平行,這當(dāng)然是一個磁 的相互作用,一個好似北極沖上,一個北極沖下,跟兩個都是北極沖上,當(dāng)然能量不一樣, 所以我就去算一算差多少,結(jié)果算出來以后比真正實驗的差異小了一千倍,所以他說我完全 不懂,他用了一個英文字,說是這個問題是 Out of my depth, Out

18、 of my depth 中文就是深不可測,他完全不懂這是怎么回事,那么恰巧那個時候一個跟他差不多年紀(jì)的年輕 人,Heisenberg 海森堡,到波爾那去訪問,波爾就跟他講說高斯秘特做這個問題做不出來, 你去研究研究,結(jié)果還四報花了兩三天就把最重要的一點講出來,這個最重要的一點是說它 不是磁矩的引力,是由于這兩個一個是平行,一個是不平行,這要影響整個這個波函數(shù)的對 稱性,那么這個對稱性不一樣,就影響它們Coulomb 庫侖相互作用,而庫侖相互作用是非常大的,這是他的根本道理,而且他厲害的地方海森堡厲害的地方就是你去看他的文章, 他并沒有完全懂這個問題,他這個東西都有點模模糊糊的,可是他看見了重

19、點,他說這個問 題跟泡利的不相容原理是極為密切的,有關(guān)系的,怎么知道呢？由于他那時寫的信給泡利, 他說我現(xiàn)在在研究這個問題,他里頭還有一個很有意思的話,他說我現(xiàn)在研究這問題把你所 認(rèn)為不可了解的不相容原理給了解了,泡利不同意,泡利一致認(rèn)為他這個不相容的原理是一 個天上掉下來的,不能夠用普通的方法講的,可是你如果看海森堡,他并沒有完全懂,海森 堡的特點是他在模模糊糊之中就抓住一個東西不放,那么他這個本領(lǐng)特別厲害,他屢屢顯示 出來,這個從歷史觀點講出來非常重要,可是不清楚,又過了半年,另外一個年輕的人出現(xiàn) 了,這就是狄拉克,狄拉克一來的話,這個問題就完全明朗化了,而且他把費米的工作,玻 色的工作,

20、海森堡的工作都一下子網(wǎng)羅在里頭,所以我曾經(jīng)說狄拉克的文章看了以后,你就 有這么一個印象,是覺得但凡對的東西他都已經(jīng)講光了,你到里頭再去研究,已經(jīng)研究不出 來東西了,你如果了解這個歷史,確實有這個現(xiàn)象,就是玻色也好,費米也好,海森堡也好, 他們都找出來非常重要的東西,可是不能打成一片,狄拉克一來這一下子完全開朗,所以今 天我們的了解是狄拉克的最后了解的,所以后來大家叫做費米搭拉可統(tǒng)計,玻色愛因斯 坦統(tǒng)計,這個當(dāng)時是不朽的奉獻(xiàn).那么我剛剛講的這一段只是一兩年之間,可是這里頭所發(fā) 生出來的觀念上的影響一直延續(xù)多今天,包括剛剛講的玻色愛因斯坦凝聚,還包括以后我 剛剛講相信 20年 30 年以后還要繼續(xù)

21、發(fā)生重要的影響.楊振寧教授： 我給大家講這些故事有兩點,一個是大家都知道全世界現(xiàn)在都知道科學(xué)技術(shù)的開展是對于整 個世界啊,對于每一個地區(qū),每一個國家都有決定性的影響,中國提出來科教興國這個口號 也是很及時的,這個科教興國里頭所要包含的內(nèi)容非常之人廣,那么我知道念工的,念理的 人,當(dāng)然知道他們可以在他們前途對于科教興國有些奉獻(xiàn),那么當(dāng)然也可以問說是念文的人 可以有什么樣的奉獻(xiàn)？這個不是我今天所要討論的題目,念文的人能夠有奉獻(xiàn)的地方多得不 得了,不過我要特別講出來的, 就是我覺得對于科普還有科學(xué)史這個我覺得是很值得注意的, 所以比方說一個人特別會寫文章那么他如果能夠把一些近代科學(xué)的開展用淺易的語言

22、介紹給 小學(xué)生、中學(xué)生、大學(xué)生,我想這個是有重大的奉獻(xiàn)的,我自己親身的經(jīng)歷,我在30 年代在當(dāng)時的北平我進(jìn)的是崇德中學(xué), 現(xiàn)在是絨線胡同的 31 中,那時候我喜歡看的一個雜志叫做 ?中 學(xué)生?,這?中學(xué)生?雜志里頭經(jīng)常有一位叫做劉薰宇的,他是念數(shù)學(xué)的,我父親熟悉他,我 父親也是念數(shù)學(xué)的,那么他就寫了很多文章在?中學(xué)生?里頭,我記得在座念理工的人知道 有所謂排列跟組合,排列跟組合與對稱有極為密切的關(guān)系,這個與我剛剛所講的問題以及我 自己這許多年的工作都有決定性的關(guān)系的,這個排列跟組合里頭的一些根本的觀念我就是從 ?中學(xué)生?里頭,從劉薰宇的文章里頭所最先看到的,所以我想如果有人對于這一類發(fā)生興 趣

23、,我認(rèn)為這是個很值得繼續(xù)下去的行業(yè),而且我覺得像北大這樣子的學(xué)校,是不是值得考 慮也許你們已經(jīng)有了,設(shè)立一個專業(yè),這個專業(yè)是專門是對于科技開展的通俗語言的報道, 這個現(xiàn)在在上很多國家都已經(jīng)有這個專業(yè)了,另外,我所以剛剛給大家講了這么長的關(guān)于玻 色愛因斯坦這個故事,是有底下這個意思,就是今天由于中國的經(jīng)濟(jì)情形開展,所以對于 年輕的人我想走道一個比擬應(yīng)用的方向,或者是走到賺錢的方向是吸引力很大,我并不反對 一個年輕人走道應(yīng)用的方向或者走到賺錢的方向,事實上我一直覺得,假設(shè)你要問以后 30 年、 50 年,整個世界科技的開展,是科跟技哪個方向變得更重要？我一直認(rèn)為技比起科這個 比重在以后三五十年會增

24、加,這個原因重?fù)?dān),就是由于到了 20世紀(jì)的末年,到了 21 世紀(jì)的 初年,科技原理的開展,已經(jīng)開辟了廣闊的天地,在這個廣闊的天地里頭能夠有應(yīng)用,這個 方向是奪得不得了, 那么,你把今天跟 50 年以前科技的前沿的開展, 科跟技的比, 你就可以 看出來這一點就是今天, 技荸薺科來, 比 50 年以前, 比重增加了, 可是并不由于這樣子就認(rèn) 為科不重要了,科當(dāng)然是非常的重要,沒有量子力學(xué)的開展,量子力學(xué)當(dāng)初跟技一點關(guān)系都 沒有,這個玻色愛因斯坦將來必定要跟技發(fā)生極為密切的關(guān)系,可是如果沒有一九二幾年 科的開展,當(dāng)然就沒有今天技的開展,而且技的開展跟科的開展對于一個研究工作人的吸引 力是不同的一種吸

25、引力,那么,我想對于科學(xué)的開展,有特別興趣的年輕的人,我希望他們 繼續(xù)能夠向這個方向開展,這對于他們自己以及對于整個國家前途的科技開展我想都會有很大的好處.我想能夠講的方向很多, 這樣好不好, 看哪位要希望我講什么東西, 我跟大家談?wù)労昧? 問題： 楊教授我有一個問題,我聽過一種說法,說可以把學(xué)者劃分兩種類型,一種是 Woolly minded Professor ,另外一種就是 Clear minded Professor ,用中文通俗點講一種是像 羊毛頭腦的一得教授,就是說他可能問題,他自己搞的不是很清楚,但是他往往在那種碰撞 之中就會發(fā)現(xiàn)一種很有突破性的東西, 就像你剛剛所講的一個物理學(xué)

26、方面的一個科學(xué)家一樣, 但名字我記不清楚了, 另外一種就是 Clear minded Professor ,您認(rèn)為這兩種素質(zhì)究竟是 天生的還是后天獲得的？第二個問題就是從科學(xué)歷史的角度來考察,這兩種類型的學(xué)者哪一 種對科學(xué)開展最有奉獻(xiàn)？第三個問題就是您認(rèn)為您自己屬于哪一種類型的學(xué)者？謝謝！ 楊振寧教授： 我想我是跟海森堡那個方法,我不太欣賞,海森堡的方法,這個我想各個人不一樣,所以我 給這樣一個答復(fù),一局部道理是由于我對于數(shù)學(xué)的結(jié)構(gòu)比擬接近,那么,海森堡他在早年的 時候他不喜歡數(shù)學(xué),比方說,量子力學(xué),那個時候他所創(chuàng)造的叫方正力學(xué),方正力學(xué)后來就 演變成量子力學(xué),他這個方正力學(xué),寫下了方程式他不會解,是泡利過了幾個月把它解了, 使得氫原子的光譜在這里頭解決出來了,海森堡沒有這個數(shù)學(xué)的修養(yǎng),能夠做這樣復(fù)雜的數(shù) 學(xué)的計算,而且事實上,他寫出來這個第一篇文章,根本