諾貝爾獎都難以衡量其貢獻,楊振寧的楊-米爾斯理論,有多厲害?

現代物理學的發展不過百年的時間,不斷延伸出去的分支理論進一步 豐富了整個物理體系

不過今天許多令人熟知的一些理論概念,在過去卻有著非常曲折的發展歷史,其中以 量子物理的發展最為坎坷,這是為什麼?

一起走進物理的世界

因為在當時的物理研究中,許多關鍵的研究和概念 并不被科學家認可,像費曼、愛因斯坦、泡利這樣的物理學大師雖然都有接觸過量子物理。

但這其中 缺乏一種統一的理論可以對世界進行闡述,并且相關的 實驗也非常少

隨著 宇稱不守恒的發現,到后來的 楊-米爾斯理論的發展,物理學中的許多問題才得到統一,并 最終演化分支出今天眾多且復雜的物理研究。

現代物理也是諸多人的心血所成

究竟什麼是宇稱不守恒?當年物理界爭議的問題到底是什麼?物理學是如何走向統一的?被苦心鉆研出的楊-米爾斯理論又是什麼?

本文接下來將從現代規范場論、粒子物理標準、楊-米爾斯理論來解答這些問題,一起來看看連諾貝爾獎都難以衡量的貢獻,楊振寧教授的楊-米爾斯理論到底有多厲害?

四種相互作用帶來的困擾

20世紀初,當科學家們還在為電磁問題爭得不可開交時, 愛因斯坦已經著手準備自己的 電磁方程組研究了。

著名物理學家愛因斯坦

盡管 麥克斯韋方程揭示了電磁作用,但在引力系統中還是存在一些未知問題。

牛頓的 穩定時空概念已經無法很好地解釋宇宙中的一些現象,時間與空間的關系需要用一個新的解決方案去完成。

愛因斯坦的 相對論給物理界帶來了新的曙光,人們在相對論的框架下重新認識到了 時間與空間的關系。

同時,世界中的幾大基本作用力也在后面有了清晰的認識。

電磁相互作用、強相互、弱相互、引力相互,前三者科學家經過多次研究,基本已經明白了這之間的 運作原理,但是 引力的相互作用還是沒有弄明白。

愛因斯坦的廣義相對論

即便是愛因斯坦本人,最終到他去世也沒有完全明白引力相互作用,不過他提出的廣義相對論算是做了一個 基本的開端

從愛因斯坦所處的這個時代開始,物理學家們就一直想要尋找一種完美的統一方案,這個方案可以把這四種基本相互作用進行統一,可以用來解釋整個世界,也就是后來人們談論的 「大一統」定律

大統一理論,簡稱GUT,又稱為萬物之理

想要統一整合這些問題 非常困難,這時的物理研究還有一些固執的觀點并沒有被打破。

從歷史發展來看,正是過去一些條條框框的束縛,讓不少科學家沒有踏出這關鍵性的一步,「 宇稱守恒性」正是那一個大框架。

牛頓給出的物理框架下,讓后續的科學家發現了物理學中的連續對稱性和守恒定律相對應,這個概念的創造人物就是 諾特,在后來被稱作「 諾特定理」。

諾特還被稱為「現代數學之母」

諾特定理解釋了能量守恒的對稱性,即時間平移不變性、空間平移對稱、空間旋轉對稱。這里給大家選取一個較為容易理解的一個特性, 時間平移不變性

也就是說,今天的實驗和明天的實驗中,兩個相同的實驗并不會因為 時間上的變化,而出現 物理定律的不同。

此外,空間平移對稱性和空間旋轉對稱性分別對應動量守恒、角動量守恒,這里便不再仔細敘述。

總之,物理學家們認為這種對稱性應該存在于整個宇宙中,不過有一個問題在于, 鏡面世界是否也遵循這種原則?換句話說,這種 對稱性是否在鏡像中存在

鏡面世界的對稱

在牛頓的運動定律中,整個物理研究基本上都嚴格遵循這個 對稱不變性。因此,當時大部分科學家都認為四種基本相互作用里,同樣也遵循這樣的定理。

但是電磁力、引力、強力都在后來的研究中證實了,而關于 弱力的實驗和研究少之又少。

四種基本力

宇稱不守恒

由于宇稱守恒給許多物理學家帶來了新的研究,物理學中的體系也在不斷地被豐富,盡管有些物理過程看起來并不是那麼遵循這種 守恒定律,但是眾多科學家并 沒有懷疑這種理論的 正確性

懷疑這種對稱性原理的科學家并不多, 楊振寧算一個, β衰變的研究讓楊振寧和李政道兩人開始重新看待起宇稱守恒的問題。

物理學家楊振寧

為了解釋這種守恒是否存在于β衰變中,隨后兩人設計了幾種實驗來證明這種理論 不存在于β衰變中,并接著發表了「 宇稱不守恒」的論文。

但經過前文的介紹,想必大家也明白,這樣的論文想要 得到支持有多難,更別說像費曼、泡利這樣的物理大師還曾嚴厲批評過這些相關的實驗。

不過這時出現了一名 真正敢于嘗試的人物,同時也是極力支持楊振寧和李政道研究的人—— 吳健雄

吳健雄是美國物理學會(APS)歷史上第一位女性會長

吳健雄的 鈷元素放射實驗中的β衰變證明了宇稱守恒在弱相互作用下并沒像定律展示的那樣,宇稱守恒 就此被打破

實驗和論文完成的第二年,楊振寧和李政道兩人就獲得了 諾貝爾獎

不過這并不是說諾特定律就是 錯的或是有問題,它并 不完全適用整個物理世界,強弱相互作用不一定遵循這種對稱性,諾特定理還是有它自身發揮的地方。

楊振寧的諾貝爾獎章(現藏于香港中文大學)

物理界在迎來一次大變化后,新的融合即將出現,這就是楊-米爾斯理論,也被稱作「 非阿貝爾規范場論」。

這里需要指明一點,也是需要 強調的一點,每一個相互作用力對應一個場,例如電磁作用對應電磁場,引力相互對應引力場。

宇稱不守恒在被發現之前, 電磁理論的研究也得到了進一步的解釋。 外爾在電磁的研究中發現,電荷守恒是由規范不變性出現,但規范不變性如果是在局域對稱中,就必須 包含電磁場

外爾

這兩種規范變換解釋了電磁理論,這樣的變換過程的推導是否能夠應用在其他相互作用力上?外爾的研究吸引了楊振寧,既然相互作用有自身應對的 變換和特有物理屬性,那麼其他作用力應該也會有, 弱力會不會也像這樣?

統一公式

群論」是描述對稱性的數學語言,之前關于電磁場研究的對應變換正是利用了 群論中「酉群」,可以簡單的把它理解成一種變換公式結果不變。

由于強弱作用并沒有像電磁場變換公式這樣, 可以直接推導利用群論,因此尋找一種群論公式是解開問題的 關鍵所在

走出迷宮就靠群論啦

楊振寧在后來的推導中,和 米爾斯一起完成了關于海森堡的同位旋守恒,以及同位旋規范不變性的研究。

阿爾貝群在電磁場中的局域規范對稱得到了推廣,并在此研究中推導制定出了一個框架,這便是 楊-米爾斯理論

楊振寧和米爾斯

該框架下確定了對稱決定相互作用, 只需要選擇一個對稱性便能在「群」中被確定。這 顛覆了物理界以往的研究方法,過去人們是先確定一種現象,再從中去解釋。

而現在,可以直接 先假設,再去解釋

到了后來, 夸克模型的建立進一步利用到了這種公式,成功描述了強力相互作用下的 量子色動力學的核心

并且到后來的量子色動力學中,楊-米爾斯給出的數學框架解釋了強力、弱力的問題。「 希格斯機制」的出現為整個理論框架完成了最后的建設,就此,人們利用該定理解釋了 強力、弱力、電磁力

希格斯粒子發現

并且在現代的量子物理中,這套理論框架還為不少理論做出了貢獻,可以說這是現代物理學的 一塊基石,沒有它的出現,現代物理不可能發展如此迅速。

盡管這只是一個數學體系,并不是什麼實際的理論,但是只要利用該公式和相應的框架,就可以對未來的發現(例如 基本粒子)進行預測。

可以說這樣的研究發現即使是諾貝爾獎也很難為其衡量貢獻,但值得一提的是,該研究除了楊振寧教授外,還有他的研究生助手米爾斯同樣也是該理論的 貢獻者,并且還有眾多物理學家為其 添磚加瓦,最終糅合各家所長完成的 一個統一定論

一步一個腳印

正是有了他們這樣 敢于質疑同時代理論的學者,科學研究才能夠不斷更新變化, 物理研究才走向今天。

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