杨振宁的物理学研究领域广泛，他在统计力学、粒子物理学理论和量子场理论等方面都取得了杰出成就，特别是他和李政道合作期间成果丰硕。在统计物理方面，他与李政道合作关于相变的一系列研究已经成为经典文献；他本人在1967年首先发现的Yang-Baxter方程为可积模型的研究开辟了全新的方向，对物理和数学都有广泛的影响；他还提出了非对角长程序的概念。
1954年，杨振宁与罗伯特·米尔斯一道提出了杨-米尔斯理论，即非阿贝尔规范理论，杨-米尔斯理论对基础物理学产生了深远的影响，是粒子物理学的标准模型的基础；1970年代他与吴大峻合作研究规范理论的整体性质，亦即规范理论与数学上纤维丛的密切联系，杨-米尔斯理论的数学性质也是近三十多年来数学研究的重要课题。
1956年杨振宁和李政道合作，深入研究了当时令人困惑的θ-τ之谜——即后来所谓的K介子有两种不同的衰变方式。杨振宁和李政道通过分析认识到，很可能在弱相互作用中宇称不守恒。他们仔细检查了过去的所有实验，确认这些实验并未证明弱相互作用中宇称守恒。在此基础上他们进一步提出了几种检验弱相互作用中宇称不守恒的实验途径。
次年，这一理论预见得到吴健雄小组的实验证实。因此，杨振宁和李政道的工作迅速得到了学术界的承认，并获得1957年诺贝尔物理奖。
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