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。