撰文|陈学雷，中国科学院国家天文台研究员，暗物质与暗能量组组长，星系与宇宙学研究中心副主任。
编者按：2018年1月3日，诺贝尔物理学奖获得者杨振宁院士到访中国科学院国家天文台，并做客中国科学院国家天文台，作题为《麦克斯韦方程组与规范理论的起源》的学术报告。麦克斯韦方程组是19世纪英国物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦创立的一组描述电场、磁场、电荷密度和电流密度之间关系的偏微分方程组。
观看著名物理学家杨振宁讲座视频：麦克斯韦方程组与规范理论概述
学术报告是提升学术氛围、拓宽视野、促进学术交流的重要途径。我的同事苟利军研究员来到天文台后，想出了很多推广我们学术报告的好办法，包括每年邀请重量级人物来做天文台的第一次学术报告，安排报告的现场直播。今年我们天文台邀请了杨振宁先生来做报告。杨先生是当今在世的最杰出的物理学家之一，已经95岁高龄了。他的报告是我们学术演讲中前所未有的盛事。因为要参加的人太多，场地有限，天文台要发放门票，一票难求。幸运的是，即使那些不在场的人也可以观看现场直播。
我之前听过杨振宁先生的两次讲座，一次是在清华大学，一次是在中科院物理所，都是二十多年前的事了。所以这次我早早就进场了，选了一个靠前的位置。下午四点，杨振宁先生准时到达天文台，走上讲台。讲座由陈建生院士主持。
杨先生的演讲题为《麦克斯韦方程组与规范场论的起源》，杨先生在报告中回顾了规范场论的发展历史，包括他通过认真研究历史文献得出的结论以及他和米尔斯提出非阿贝尔规范场的历史过程。
杨先生首先回顾了电磁理论的早期发展历史。起初，数学非常好的安培基于超距作用的概念给出了磁力与电流的关系。法拉第不懂数学，但他首先通过实验研究否定了超距作用的概念，提出了一个模糊的几何概念：α-tonic 态，但未能给出精确的定义。麦克斯韦23岁从剑桥大学毕业后，立志要研究电学理论，仅仅两年后，他就写出了他三篇经典电磁论文中的第一篇。在这篇论文中，麦克斯韦受到汤姆逊论文的启发，写出了磁场强度等于矢势旋度的公式：H=▽×A，其中A现在称为矢势，也就是法拉第的α-tonic 态。杨先生特别指出，虽然一般科学史学家往往把麦克斯韦在第二篇论文中发现位移电流视为他最大的贡献，但实际上物理学家杨振宁英文，写出这个公式也是麦克斯韦的一大贡献。杨先生还饶有兴致地讲述了麦克斯韦受涡旋理论启发发现位移电流的过程，但他表示，今天我们很难完全理解麦克斯韦当时的思想，他本人也曾多次试图仔细研究麦克斯韦的推理过程，但都以失败告终。
麦克斯韦一生都用矢势A来表达他的方程，但由于A不是直接可观测量，后来的海维赛德、赫兹等人并不喜欢这样，他们努力将A从电磁场方程中消去，只用电磁场强度E和H来表示。但今天我们知道，由于量子力学-玻姆效应，A其实具有根本意义，是无法消去的。
之后狄拉克写出了相对论量子力学的电子运动方程，预言了正电子的存在。杨先生曾研究过这段历史。他指出，赵忠尧先生其实是第一个在实验中发现正电子的人，但遗憾的是，当时赵先生和他的导师密立根并不懂正电子的理论。另一方面，迈特纳等著名物理学家的类似实验结果与赵忠尧先生不一致。事后看来贝语网校，赵先生是对的，他们是错的，但在当时，这却使赵先生的发现并未受到重视。因此，正电子的发现后来被归功于安德森，后者在同一实验室用另一种方法发现了正电子。
正电子发现之后，人们在此基础上进一步发展了量子场论。为了克服其中出现的发散问题，重正化理论在 20 世纪 40 和 50 年代得到了发展。杨先生随后谈到了 20 世纪 50 和 70 年代规范场论的发展，包括他自己的工作。在此之前，外尔最早从 1919 年广义相对论的思想出发物理学家杨振宁英文，认为在空间和时间的每个点都可以局部定义一个标准尺度，并引入了“比例因子”的概念，也就是我们今天所说的“规范”。但爱因斯坦等物理学家认为这样的理论与物理实验不一致。后来在1929年外尔发表的理论中，他把他的比例因子改为量子力学中的复相位因子，从而重新推导了电磁场理论，但没有得到新的结果，因此被认为是一种美丽却不重要的理论形式。
随着二战后大量新粒子的发现，人们提出了各种各样的理论来描述这些粒子之间的相互作用。当时还是博士后的杨先生想根据一些基本原理提出相互作用的理论，于是在1954年与米尔斯合作，把麦克斯韦理论中的电荷守恒推广到核子的同位旋守恒，从而建立了非阿贝尔规范场论。这个理论在刚提出时并没有被物理学界接受，因为这个理论预言的规范场粒子的质量为0，但除了光子之外，人们还没有发现任何质量为0的粒子。泡利当时也在研究这个问题，可能也意识到了这个问题。因此，杨先生在做报告的时候，被泡利多次打断询问他的粒子的质量，他只好停止报告。后来随着研究的深入，人们发现了希格斯机制，无质量的规范场粒子可以通过自发对称性破缺获得质量，解决了这个问题，并利用规范场论建立了粒子物理的标准模型。直到2012年，欧洲核子研究中心的实验发现了希格斯粒子，才最终证实了这个理论的正确性。直到20世纪70年代，人们才发现，物理学中的规范场和数学中的纤维丛其实是同一个东西。
最后杨先生总结说，已知的四种相互作用中，有三种可以用规范场来描述，但是万有引力理论，也就是广义相对论，无法和量子理论结合起来，这个可能在10到20年内都解决不了。宇宙的结构中居然还有电磁，这很奇怪，而且这个结构非常美妙。所呈现出来的现象，人类对它的理解，以及通过这种理解所取得的新进展，简直是难以想象的奇迹。这里还有很多深奥的东西，这些深奥的东西，等待着更年轻、更勤奋的科学家去研究。
我有幸第一个向杨先生提问。我问的第一个问题是，20世纪50年代粒子物理有那么多新发现，杨先生是怎么想到研究规范场的。杨先生回答说，他在西南联大七年期间，在场论方面打下了很好的基础，并且深思熟虑了很多年，他想从一个基本原理中找出相互作用。我问的第二个问题是，当他发现规范场粒子的质量为零时，他是怎么想的，是否认为有一天有什么办法可以解决这个问题。杨先生说，无论他在哪里做报告，大家都会问这个问题。他说，当时他们的论文最后一段写得很仔细，说这个问题很复杂，需要深入研究。泡利也研究过规范场，但因为这个问题而没有发表。
之后有很多人提出了很好的问题，这里就不一一列举了，有兴趣的朋友可以看看视频。不过我在这里要提两个问题，一个是杨先生特别提到一个非常重要的物理问题就是暗物质。暗物质是需要研究的，但是也是一个非常困难的问题，因为已经有三四十年的研究历史了，但是一直没有进展。作为暗物质、暗能量问题的研究者，我觉得杨先生对我们这个领域的评价非常准确——很难，也不一定能很快取得突破，但是值得进一步研究。
另一个问题是问杨先生对一些地方将物理列为高考选修科目的看法。杨先生认为，一些基本的物理知识，比如能量守恒定律、为什么需要高压输电等，是每个现代年轻人都应该具备和学习的常识。当然，并不是每个人都需要了解麦克斯韦方程组。
报告结束的时候，国家天文台严俊台长还送给杨先生一件纪念品，是一块匾额，上面镶嵌着一块陨石，这是一块18克的石铁陨石，主要成分是橄榄石，匾额上还有一首诗，是我和吴金水先生起草的。
杨先生是一位杰出的物理学家，他的报告非常精彩，衷心祝愿他健康长寿！
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