杨振宁对物理学的贡献

分类号密级编号本科生毕业论文设计题目杨振宁对物理学的贡献学院电子信息与电气工程学院班级2011级物理2班作者姓名杨晶晶指导教师路飞平提交日期2015年5月10日原创性声明本人郑重声明本人所呈交的论文是在指导教师的指导下独立进行研究所取得的成果学位论文中凡是引用他人已经发表或未经发表的成果数据观点等均已明确注明出处除文中已经注明引用的内容外不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果本声明的法律责任由本人承担论文作者签名年月日论文指导教师签名杨振宁对物理学的贡献杨晶晶天水师范学院物理与信息科学学院甘肃天水741000摘要杨振宁被称为二十世纪最伟大的物理学家之一他具有很多令人折服的思想和科学精神他在物理学领域取得了令人叹服的成就本文就他的这些科研思想和科学精神做了一个系统的阐述并且就他在粒子物理学统计力学凝聚态物理学以及物理学史领域所做的贡献做了一个详细的阐述另外总结了他一生所获的奖项最后对他做了一个系统的评价有助于我们正确的认识和评价他对物理学的贡献进而更深刻的学习与之相关的理论知识相信经过本文的论述会使我们对杨振宁有一个比较全面的认识更好地学习他优秀的方面从而达到充实自己更加有效的学习的目的关键词杨振宁物理学对称性贡献规范场ChenNingFranklinYangscontributiontophysicsYangJingjingSchoolofPhysicsandInformationScienceTianshuiNormalUniversityTianshui741000PRChinaAbstractChenNingFranklinYangispraisedasoneofthemostfamousphysicistsinthe20thcenturyhepossessesmanyconvincingthoughtsandscientificspiritsandheachievesgreatsuccessinthephysicsareasThepapermakesasystematicillustrationofhisandscientificstudythoughtsandscientificspiritsAndmakeadefineillustrationofhisachievementinParticlephysicsStatisticalmechanicsCondensedmatterphysicsandphysicalhistoryfurthermoremakeasummarizationofawardsheacquiredinhiswholelifetomakeasystematicevaluationofhimThepapercanhelpusrecognizeandevaluatehisachievementsinphysicsproperlywhichisgoodforustolearnknowledgerelatedhimprofoundlyTheauthorbelievesthatthroughtheillustrationofthispaperwecanlearnmoreaboutChenNingFranklinYanglearnmoreabouthismeritstoimproveourselvesandmakeourstudymoreeffectiveKeywordsChenNingFranklinYangphysicsSymmetryContributionThegaugefiled目录1引言12杨振宁思想和科学精神121自小立志兴趣广泛122勇于创新不固步自封223能够正确认识自己有的放矢324善于同他人合作取长补短425抓住机遇善于学习526融会贯通开放思维53杨振宁对物理学的贡献631粒子物理6311杨米尔斯场理论6312弱相互作用中宇称不守恒732统计力学9321杨4545巴斯特方程9322李45黄45杨修正1033凝聚态物理10331磁通量量子的解释10332非对角长程序1034物理学史114杨振宁所获得的奖项115对杨振宁的评价126结论12参考文献13致谢142015届天水师范学院本科毕业论文1杨振宁对物理学的贡献1引言随着量子力学和相对论的提出物理学大厦已趋完美能量守恒可以说明时间具有平移对称性动量守恒定律可以说明空间具有对称性同时角动量守恒定律说明了空间具有转动对称性进一步可以得到宇称对称性说明空间反射对称性左右对称各种科学实验证明了宇称守恒定律同能量守恒动量守恒等守恒律一样在已知情况中对于万有引力以及强相互作用都非常正确有相当部分的物理家认为宇称守恒定律在所有的物理现象中都是绝对成立的也就是说对称性是绝对成立的我们所研究的物理世界是一种建立在绝对对称的美感之上的世界当所有人都在沉浸于物理学的对称美的时候杨振宁先生充分发挥自己的优点和长处运用各种优秀的思想和科学精神对物理学做出了无语比拟的贡献成就了中国物理史上的传奇他被称为是20世纪物理学界最伟大的的设计师是中国首位获得诺贝尔物理学奖的人7他曾说过假如今天曾先生问我你觉得你这一生最重要的贡献是什么我会说我这一生最重要的贡献是帮助改变了中国人自己觉得不如人的心理作用1那么究竟杨振宁是如何改变中国人曾经不如人的地方的呢2杨振宁思想和科学精神首先作为一位科研工作者杨振宁无论是在学习工作还是生活中都有很多令人叹服的地方值得我们学习和发扬具体来说杨振宁的科学精神和思想主要表现在以下几个方面21自小立志兴趣广泛有人说兴趣是最好的老师的确杨振宁的成功在一定程度上也归决于他的兴趣杨振宁12岁时在崇德中学读初中他在图书馆阅读了一本名为神秘的宇宙书籍当时就被神秘的宇宙世界以及作者的研究成果所吸引回到家立刻对父母说我长大一定要获得诺贝尔奖父母只当是小孩子的一句玩笑话哪曾想到23年后他真的获得了诺贝尔奖杨振宁不是一个只知道读书的书呆子2015届天水师范学院本科毕业论文21931年九一八事变时期他积极地参加到全市总罢课的救亡运动中并在12月16日代表全体学生作了题为中学生的责任的演讲在他13岁时自己花了3个月的时间写作排版并自己制作封皮出版了赤子之心1955年他在香港为浙江美院油画展剪彩时指着汉唐风范中的马问秦大虎中国美院浙江美院油画系教授汉唐风范的作者这马的造型是不是以西安的昭陵六骏昭陵是指唐太宗的陵墓六骏陵墓两侧的六副战马为依据1由此可见杨振宁的兴趣是十分广泛的他在文学艺术哲学等方面都有很高的造诣如此广泛的研究不但没有让他分心反而为他提供了多方面的见解与基础使得他能更好的发现与解决问题提出新的观点思想所以呢我们要从小树立远大的理想培养广泛的兴趣并持之以恒才是取得成功的关键22勇于创新不固步自封正如我们所知道的我们所生活的世界是一个具有对称美的世界正是因为有了对称性才使得万事万物具有美感在这种对称的美感的基础上人们发现了影响世界的三大守恒定律能量守恒定律动量守恒定律和角动量守恒定律他们三者分别对应说明了时间和空间的多种对称性再进一步人们发现了宇称守恒定律得到了宇称的对称性从而说明了空间的反射对称性相当数量的科学实验都证明了宇称守恒定律同能量守恒动量守恒等守恒律一样在已知情况中对于万有引力以及强相互作用都是成立的有相当数量的物理家们认为所有的物理现象中宇称都是守恒的也就是说对称性的成立是无条件的我们所研究的物理世界是在绝对对称的美感的基础上建立起来的这种对物理世界的错误理解就像人们最初理解天体时认为它们都是绝对的球体它们的运行轨迹也是标准的圆形一样在这种形势下人们自然而然的认为在弱相互作用下宇称也是守恒的随着科技的不断发展美国高能粒子实验室的仪器不断改进发现的粒子也越来越多出现了难以解释之谜当时为了揭开之谜物理学家们彼此之间发生了很大程度的争论其中有很多人想在不违背宇称守恒定律的前提下揭开这个谜底他们不愿意去质疑前人的结果但是杨振宁先生并没有被宇称守恒的枷锁套牢他以以惊人的勇气与胆识对宇称守恒的普遍性提出了质疑并大胆的提出了自己的想法1956年夏天杨振宁与李政道一起阅读了几乎所有的与宇称守恒有关的实验及论文最后得出结论尽管实验证实在强相互作用和电磁2015届天水师范学院本科毕业论文3相互作用下宇称是守恒的但是在弱相互作用下宇称是否守恒并没有被实验证实过它只不过是人们的假想而已正是由于杨振宁与李政道正确的认识到了这一点充分发扬他们的创新精神勇敢的提出了他们的看法同时提出建议用衰变典型的弱相互作用等实验来验证他们关于弱相互作用的推测他们的新观点在美国物理评论杂志将他们两人的论文发表后立刻引起了世界物理学家们的关注然而被誉为上帝的良心著名的物理学家泡利则认为这是完全不可能的他曾经说我就不相信上帝竟然会是一个左撇子4在没有别的比这件事更能说明人头脑中对于旧观念的执着和杨振宁李政道的胆识了由上可知杨振宁的成功看上去貌似归结于他的胆识但是我认为他之所以有这种胆识是因为他拥有丰富的理论知识并且敢于有自己正确的想法不被过去的理论枷锁套牢不固步自封坚信物理是一门以实验为基础的科学理论不但要建立在实验的基础之上而且必须要经得起实验的检验正是由于他对这种信念的坚持战胜了超过了对传统的对称美学的盲从从而铸造了中国人的第一个诺贝尔物理奖正是由于他的创新精神以及不顾步自封的精神成就了他辉煌的一生23能够正确认识自己有的放矢杨振宁在16岁时就考入了西南联大刚进入大学时他学习的是化学专业后来由于不感兴趣就选择了物理学习走上了物理研究的道路但是他走上理论物理的研究之路并不是他一开始就选择的他刚到美国时仍然对中国的实验条件导致太薄弱的物理基础念念不忘因而想在这方面多学一些以达到充实自己和为祖国争光同时并举的目的但实际上上实验室的工作并不是他的特长在艾里逊实验室工作的两年多时间里他的实验能力真的是捉襟见肘艾里逊曾经嘲笑他说哪里炸的乒乓作响哪里准有杨振宁1在泰勒教授的多次劝导分析下他开始反思自己正确评价认识自己从而把握了正确的方向决定放弃写实验论文而转向理论研究1948年他在泰勒的指导下完成了核反应的博士论文并获得博士学位1949年他与费米合作写了介子是基本粒子吗这项研究为坂回模型的提出奠定了坚实基础4自此他开始跻身于世界理论物理研究的前沿尽领风骚作出了非凡的贡献杨振宁的这段飞跃性的转折启示2015届天水师范学院本科毕业论文4我们每一个人都有自己的特长在奋斗过程中能否正确地把握自己懂得取舍善于评估自己才是成功关键放弃那些糟粕充分发挥自己的优点我们就会在成功的路上少一些曲折多一些成就24善于同他人合作取长补短谚语说合作就是力量这句话充分说明了合作的力量之大杨振宁正是充分认识到这一点并巧妙的利用了它才取得了今天的成就和辉煌虽然杨振宁和李政道合作近10年19491957后最终由于各方面的原因而分道扬镳已经是家喻户晓的的事实然而如果仅仅因为这样就否认杨振宁善于合作的精神是不科学的裴多菲说生命的价值不应以时间来计算而应以以贡献来衡量其实合作也不应该仅仅以时间的长短来衡量而应以合作双方所取得的成果来权衡不论最终他们两人的关系究竟如何但他们两人的合作所取得的非凡成就在物理学史甚至整个科学史上都是绝无仅有的正如杨振宁自己陈述的对于外界来说我们的合作是异常地密切也是异常地成功同行们对我们的合作又羡慕又嫉妒3杨振宁在研究过程中既积极吸收别人优秀的东西好的观点又能进行有效的独立思考正是由于他合理的发挥了各种优势使得在物理学研究上取得了令世人惊叹的卓越功绩然而仔细看来他的贡献大多数都是与他人合作铸成的以下列举他的合作成果时间合作者成就1952李政道杨李相变理论1956李政道宇称不守恒1949费米费米杨模型图1杨振宁和李政道在一起探讨问题他们亲密无间的合作在普林斯顿高等研究所被视为一道亮丽的风景线本图摄于1961年2015届天水师范学院本科毕业论文519661969杨振平数种模型的严格解1961N拜尔斯对磁通量子化的解释1964吴大峻CP宇称不守恒分析1957李政道R奥赫梅关于C和T电荷守恒和时间反演不守恒的分析从以上这些令人瞩目的业绩中不难发现杨振宁不仅是一个很善于合作的科学家而且是一个善于通过合作创造出重大成果的科学家有句俗语叫做三人行必有我师焉每个人都会有自己的长处但同时也都有不足的地方相互合作取长补短往往能有事半功倍的成效不管是弱相互作用还是杨振宁更重要的贡献的杨米尔斯场理论都充分表现了杨振宁善于合作充分发挥他人优点来完善自己缺点的精神25抓住机遇善于学习正如我们所知道的杨振宁先生刚进入西南联大是学习的是化学专业之后选择了自己喜欢的物理专业这时他抓住的第一个改变命运的良机再次杨振宁一心想要想要在实验上有所建树以至于刚去美国的两年里他一头扎在实验室里搞研究可是进展不大在泰勒的引导下他放弃了实验研究进而转向理论研究事实证明他选择对了在他虚心的学习以及不耻下问的坚持下加上持之以恒的耐力他取得了重大的突破成就了历史的传奇26融会贯通开放思维杨振宁认为物理学是一种美而且不同的主体对于这种美的理解具有多样性他指出物理学存在三种美现象之美理论描述之美以及理论结构之美8正如字面意思所描述的现象之美即人们所看到的现实生活中客观事物的美丽表象然后层次渐渐加深加深到理论结构之美这种理论结构之美在20世纪就表现为一种数学结构显而易见如果要理解理论结构之美话就需要有一定的数学基础尤其是群论的知识杨振宁把实验理论理论结构和数学之间的关系表现为下面的形式2015届天水师范学院本科毕业论文6正是由于杨振宁先生充分认识到物理与数学之间的关系而且认识到爱因斯坦的倒转法4到1的过程之后也就是采用了先扩大理论知识从中得到一个方程再用实验证明这个方程的正确性的方法从而取得了跨越性的进展思维上的突破进而获得成功由此可见杨振宁是一个十分善于开放思维融会贯通的优秀的科学家3杨振宁对物理学的贡献杨振宁先生身上有很多值得我们学习的地方同时他取得的成就也值得我们去赞扬和学习观其过往杨振宁对物理学的贡献主要有以下几个方面31粒子物理311杨米尔斯场理论1954年杨振宁与米耳斯共同提出了杨米耳斯场理论开辟了非阿贝耳规范场研究的新领域为现代规范场理论奠定了基础在定域非阿贝尔规范场理论的基础上实现了两个方面的突破自然界的基础性规律作用之一理论的弱电统一相互作用引进了一族全新的数学和物理的结合进而使物理学和拓扑学紧密的结合起来因此规范场理论被称为二十世纪物理学发展的三大里程碑相实验唯象理论理论结构数学1234玻尔海森伯薛定谔狄拉克爱因斯坦图2杨振宁对物理发展的观点示意图2015届天水师范学院本科毕业论文7对论量子力学规范场之一杨米尔斯方程发现过程首先将核子N写为二重态即N其中p为质子n为中子核子间的媒介场杨振宁和米尔斯称为B场必须提供中性与带正负电荷的三种量子即123简写为场和粒子的耦合规律与电磁场的类似即从自由粒子到与场相互作用粒子的方程需做以下置换1其中g为耦合常数为泡利矩阵杨振宁遇到的最大困难是规范场和规范势的关系他最后应用了非阿贝尔性即有三个分量123的特点则泡利矩阵2进而推广获得了成功从而促进了弱电相互作用和电磁相互作用的统一克里斯蒂娜萨顿在天地有大美4545现代科学之伟大方程中称杨米尔斯方程为物理学圣杯万物之理theoryofeverything的基础也因此杨米耳斯场理论是当之无愧的继麦克斯韦和爱因斯坦之后最基本最重要的关于力的起源的理论它不仅是现代粒子理论的基石而且对于相对论和数学也要重大贡献由此可见杨振宁先生对物理学的贡献之大312弱相互作用中宇称不守恒我们知道能量是守恒的而在20世纪30年代在衰变中衰变后能量少了一点后来在泡利的努力下得出结论是中微子转移了由此拯救了能量守恒定律然而当时自然界还有一种守恒定律454545宇称守恒定律它指出粒子系统的宇称在相互作用前后不会改变然而却出现了一种特殊的情况即所谓的之谜它指出图3雕刻杨振宁13项重要贡献的大理石2015届天水师范学院本科毕业论文8粒子在衰变时产生了两个介子对应的另一种粒子粒子它衰变时产生三个介子然而人们发现他们两者除了衰变方式之外其它地方完全相同但上述结果显示的宇称为偶而的宇称为奇如果它们是同一粒子的话则违背了宇称守恒定律这就是所谓的之谜我们知道这两种衰变是典型的弱相互作用为了揭开上面的谜底杨振宁建议使用衰变经过他和李政道数个月的整理他们发现以前做过的关于衰变的所有实验都与衰变中宇称是否守恒无关经过不断的研究和努力他们在1956年发表了弱相互作用中宇称守恒的问题提出了弱相互作用中宇称不守恒的观点后来被吴健雄在实验中得到证实杨振宁和李振道提出弱相互作用中宇称不守恒的观点后使原本人们所认为的物理学的完整理论被打碎对对称美的观点有了一些质疑使人们对物理学理论的基本结构认识有了思想上的大解放进而使物理学的研究进入到一个新阶段同时也告诉我们千万不要自以为是的把那些所谓的不验自明的规律当做定律来对待科学是严谨的要以实验为基础由于他们的这个贡献杨振宁和李振道在1957年获得诺贝尔物理学奖这一项科学工作在发表的第二年就获得诺贝尔奖这种情况在诺贝尔奖历史上还是第一次由此可见这项工作的影响力之大同时杨振宁在粒子物理学的贡献还有1949与费米合作的费米杨模型1957和Lee提出的二分量中微子理论对电荷共轭变换和时间反演变换不守恒分析高能中微子实验分析与研究粒子W的相关性质1964和吴大峻合作吴大峻用实验证实的宇称不守恒的分析积分形式的规范场理论的关系