杨振宁：科研路上有“死胡同”，但努力并非徒劳

以下文章来源于图灵新知，作者杨振宁

1957年，杨振宁先生获得诺贝尔物理学奖，两年后他受邀在美国普林斯顿大学（Princeton University）为凡纽兴讲座（Vanuxem Lectures）作演讲，演讲受众主要为大学中对科学感兴趣的听众，Elementary Particles: A Short History of Some Discoveries in Atomic Physics就是由演讲讲稿略加修节而成。

在演讲中，杨振宁先生通过简单的词句来叙述在发现基本粒子的过程中所涉及的种种概念，向听众大致描绘过去60年物理学家在探索物质结构方面的研究工作。虽然所牵涉的问题有不少是目前基本粒子物理学中最突出和最深奥的问题，但是并不要求读者具备高深的物理学知识。

2025 年 10 月 18 日，杨振宁先生因病在北京辞世，享年 103 岁。他的一生，是对科学执着追求和学术奉献的真实写照，也为世界物理学留下了不可磨灭的丰碑。

杨振宁先生的著作Elementary Particles: A Short History of Some Discoveries in Atomic Physics自 1961 年首次出版以来，便受到学术界的广泛关注，在 Goodreads 平台上，这本书被列为普林斯顿经典图书馆系列之一。

多年后本书中文版再次与读者见面，我们仅以此书纪念杨振宁先生，希望让更多人了解他早期的科研探索与思想风采，同时向这位跨越世纪的科学家致以最深的敬意。

来源 | 《杨振宁讲物理——基本粒子发现之旅》

作者 | 杨振宁

译者 | 杨振玉 范世藩

01

科研路上有“死胡同”

在各个实验室中进行的研究工作，提供了许多关于基本粒子的有趣资料，我们在此将对其中的一些加以描述。

在所有的研究领域中，当一个人努力去解决一些问题，而这些问题利用他以往的经验无法得到解决时，问题的症结所在常常是模糊不清的。

要进一步向前推进，当然需要才能和熟练的技术，但更重要的是，要有独到的见解和判断力，而这只能源于对已有知识的信任和共识，以及对探索新知识的坚持和果敢。这些是不容易达到的——当然，我们也不应该期望会容易达到。

在一篇为庆祝爱因斯坦70岁生日而写的文章中，弗兰克（P. Frank）提到有一天他向爱因斯坦谈及一位物理学家，因为坚持去解决一些非常困难的问题，而在研究工作中取得的成就很小。这位物理学家进行了深入的分析，而结果只是发现了越来越多的困难，因而他的大多数同事对他的评价不高。听了弗兰克所讲的，当时爱因斯坦回应道：

“我尊敬这种人。我不能容忍这样的一种科学家，他拿起一块木板来，找到最薄的地方，然后在容易钻孔的地方钻许多孔。”

自然，在新的研究领域中不屈不挠地坚持下去，往往只会发现更多的困难，甚至会进入一条死胡同。然而，让我们来看一下这些死胡同中的一条，也就是汤姆孙关于原子的概念。

02

但努力并非徒劳

现在我们可以用经过许多年后才能有的冷静态度来审视它。在发现电子以后，汤姆孙提出了图26所示的原子图。

电子停留在平衡位置A、B和C。当受到扰动以后，它们就围绕着这些点振荡。根据测量X射线被不同物质散射的结果，他计算了不同化学元素中每一个原子所含的电子数，得到了非常正确的结论。汤姆孙认识到，原子的电子结构为解释元素的化学性质提供了极为重要的可能性。

然后他问道：具有1个电子、2个电子、3个电子或更多个电子的原子结构将是怎样的呢？图26所示即代表3个电子埋置在一个均匀的、带正电荷的圆球中的情况。

在具有4个电子的例子中，我们单凭直觉就可以很清楚地知道，电子的平衡位置形成正四面体的4个角。

不过当我们考虑带有更多电子的原子时，寻找电子平衡位置的数学问题虽然很明确，却很难解决。

汤姆孙因而求助于下述实验装置，机械地模拟他所提出的原子结构。他用了一些插在软木塞上的长磁针，像图27所示的那样，让它们浮在水面上，并使磁针的磁极相互平行。这样一来，它们之间的力是相互排斥的，而且事实上和电子在一个原子中的相互排斥一样，其大小和距离的平方成反比。

为了人为地产生原子中那种将电子保持在平衡位置、均匀的正电荷的影响，他应用了一个高悬在水面上的电磁铁所产生的磁场。很容易证明，由于电磁铁的作用，任何一根磁针所受的磁力的水平分量大致和磁针到电磁铁在水面的投影之间的距离成正比。

在汤姆孙的原子模型中，由均匀分布的正电荷作用在电子上的力的情况也是这样的。因此，漂浮在水面上的磁针的平衡位置的排列，将是二维空间的汤姆孙原子模型中电子组态的近似解。图28所示为汤姆孙所获得的排列图。

从图中我们可以看到在磁针数较多时的有趣排列，它们形成几个环。图 29 所示为汤姆孙提出的每一个环中的磁针的数目表。

他很自然地想到将这张表和当时已知的周期表进行比较。汤姆孙和他的学生对这种排列方式和埋置在平衡位置中的电子的振荡频率进行了一系列研究。

今天我们才知道，这些努力的方向是错误的。但是我们也知道，这些努力并非徒劳：如我们在以前已经讨论过的那样，正是有了这些努力，最后才产生了卢瑟福提出的关于原子的正确概念。

《杨振宁讲物理——基本粒子发现之旅》

作者：杨振宁

译者：杨振玉 范世藩

经典科普读物重新出版

在1957年获得诺贝尔物理学奖之后，杨振宁先生以亲历者的视角，将19世纪末到20世纪前半叶的粒子物理学的新发现娓娓道来。阅读本书，彷佛穿越回百年前，亲眼见证一个又一个诺奖级成果的诞生。

宇宙的本质是什么？最小的物质结构是什么？

假如宇宙是一个砖房，粒子物理学便是研究“宇宙的基本砖块是什么”以及“砖块间如何相互作用”的学问，也是开启宇宙终极秘密的钥匙。在这本书里，杨振宁先生详细介绍了人类发现宇宙本质的过程。

会讲故事的科学家

杨振宁先生的科普作品以流畅，清晰见长，仅用不到100页的篇幅便将复杂的物理机制解释得通透、精准，让普通人也能领略物理学的奥妙。同时本书的语言文字、专有名词等均已更新为现代化的表述，阅读体验更加流畅。