现代物理学 的发展不过百年的时间,不断延伸出去的分支理论进一步 丰富了整个物理体系 。
不过今天许多令人熟知的一些理论概念,在过去却有着非常曲折的发展 历史 ,其中以 量子物理 的发展最为坎坷,这是为什么?
因为在当时的物理研究中,许多关键的研究和概念 并不被科学家认可,像费曼、爱因斯坦、泡利这样的物理学大师虽然都有接触过量子物理。
但这其中 缺乏一种统一 的理论可以对世界进行阐述,并且相关的 实验也非常少 。
随着 宇称不守恒 的发现,到后来的 杨-米尔斯理论 的发展,物理学中的许多问题才得到统一,并 最终演化分支 出今天众多且复杂的物理研究。
究竟什么是宇称不守恒?当年物理界争议的问题到底是什么?物理学是如何走向统一的?被苦心钻研出的杨-米尔斯理论又是什么?
本文接下来将从现代规范场论、粒子物理标准、杨-米尔斯理论来解答这些问题,一起来看看连诺贝尔奖都难以衡量的贡献,杨振宁教授的杨-米尔斯理论到底有多厉害?
20世纪初,当科学家们还在为电磁问题争得不可开交时, 爱因斯坦 已经着手准备自己的 电磁方程组研究 了。
尽管 麦克斯韦方程 揭示了电磁作用,但在引力系统中还是存在一些未知问题。
牛顿的 稳定时空概念 已经无法很好地解释宇宙中的一些现象,时间与空间的关系需要用一个新的解决方案去完成。
爱因斯坦的 相对论 给物理界带来了新的曙光,人们在相对论的框架下重新认识到了 时间与空间的关 系。
同时,世界中的几大基本作用力也在后面有了清晰的认识。
电磁相互作用、强相互、弱相互、引力相互,前三者科学家经过多次研究,基本已经明白了这之间的 运作原理 ,但是 引力的相互作用 还是没有弄明白。
即便是爱因斯坦本人,最终到他去世也没有完全明白引力相互作用,不过他提出的广义相对论算是做了一个 基本的开端 。
从爱因斯坦所处的这个时代开始,物理学家们就一直想要寻找一种完美的统一方案,这个方案可以把这四种基本相互作用进行统一,可以用来解释整个世界,也就是后来人们谈论的 “大一统”定律 。
想要统一整合这些问题 非常困难 ,这时的物理研究还有一些固执的观点并没有被打破。
从 历史 发展来看,正是过去一些条条框框的束缚,让不少科学家没有踏出这关键性的一步,“ 宇称守恒性 ”正是那一个大框架。
牛顿给出的物理框架下,让后续的科学家发现了物理学中的连续对称性和守恒定律相对应,这个概念的创造人物就是 诺特 ,在后来被称作“ 诺特定理 ”。
诺特定理解释了能量守恒的对称性,即时间平移不变性、空间平移对称、空间旋转对称。这里给大家选取一个较为容易理解的一个特性, 时间平移不变性 。
也就是说,今天的实验和明天的实验中,两个相同的实验并不会因为 时间上 的变化,而出现 物理定律 的不同。
此外,空间平移对称性和空间旋转对称性分别对应动量守恒、角动量守恒,这里便不再仔细叙述。
总之,物理学家们认为这种对称性应该存在于整个宇宙中,不过有一个问题在于, 镜面世界 是否也遵循这种原则?换句话说,这种 对称性是否在镜像中存在 ?
在牛顿的运动定律中,整个物理研究基本上都严格遵循这个 对称不变性 。因此,当时大部分科学家都认为四种基本相互作用里,同样也遵循这样的定理。
但是电磁力、引力、强力都在后来的研究中证实了,而关于 弱力的实验 和研究少之又少。
由于宇称守恒给许多物理学家带来了新的研究,物理学中的体系也在不断地被丰富,尽管有些物理过程看起来并不是那么遵循这种 守恒定律 ,但是众多科学家并 没有怀疑 这种理论的 正确性 。
怀疑这种对称性原理的科学家并不多, 杨振宁 算一个, β衰变的研究 让杨振宁和李政道两人开始重新看待起宇称守恒的问题。
为了解释这种守恒是否存在于β衰变中,随后两人设计了几种实验来证明这种理论 不存在于β衰变中 ,并接着发表了“ 宇称不守恒 ”的论文。
但经过前文的介绍,想必大家也明白,这样的论文想要 得到支持有多难 ,更别说像费曼、泡利这样的物理大师还曾严厉批评过这些相关的实验。
不过这时出现了一名 真正敢于尝试 的人物,同时也是极力支持杨振宁和李政道研究的人—— 吴健雄 。
吴健雄的 钴元素放射实验中 的β衰变证明了宇称守恒在弱相互作用下并没像定律展示的那样,宇称守恒 就此被打破 。
实验和论文完成的第二年,杨振宁和李政道两人就获得了 诺贝尔奖 。
不过这并不是说诺特定律就是 错的或是有问题 ,它并 不完全适用 整个物理世界,强弱相互作用不一定遵循这种对称性,诺特定理还是有它自身发挥的地方。
物理界在迎来一次大变化后,新的融合即将出现,这就是杨-米尔斯理论,也被称作“ 非阿贝尔规范场论 ”。
这里需要指明一点,也是需要 强调的一点 ,每一个相互作用力对应一个场,例如电磁作用对应电磁场,引力相互对应引力场。
宇称不守恒在被发现之前, 电磁理论的研究 也得到了进一步的解释。 外尔 在电磁的研究中发现,电荷守恒是由规范不变性出现,但规范不变性如果是在局域对称中,就必须 包含电磁场 。
这两种规范变换解释了电磁理论,这样的变换过程的推导是否能够应用在其他相互作用力上?外尔的研究吸引了杨振宁,既然相互作用有自身应对的 变换和特有 物理属性,那么其他作用力应该也会有, 弱力 会不会也像这样?
“ 群论 ”是描述对称性的数学语言,之前关于电磁场研究的对应变换正是利用了 群论中“酉群” ,可以简单的把它理解成一种变换公式结果不变。
由于强弱作用并没有像电磁场变换公式这样, 可以直接推导 利用群论,因此寻找一种群论公式是解开问题的 关键所在 。
杨振宁在后来的推导中,和 米尔斯 一起完成了关于海森堡的同位旋守恒,以及同位旋规范不变性的研究。
阿尔贝群在电磁场中的局域规范对称得到了推广,并在此研究中推导制定出了一个框架,这便是 杨-米尔斯理论 。
该框架下确定了对称决定相互作用, 只需要选择一个 对称性便能在“群”中被确定。这 颠覆了 物理界以往的研究方法,过去人们是先确定一种现象,再从中去解释。
而现在,可以直接 先假设,再去解释 。
到了后来, 夸克模型 的建立进一步利用到了这种公式,成功描述了强力相互作用下的 量子色动力学的核心 。
并且到后来的量子色动力学中,杨-米尔斯给出的数学框架解释了强力、弱力的问题。“ 希格斯机制 ”的出现为整个理论框架完成了最后的建设,就此,人们利用该定理解释了 强力、弱力、电磁力 。
并且在现代的量子物理中,这套理论框架还为不少理论做出了贡献,可以说这是现代物理学的 一块基石 ,没有它的出现,现代物理不可能发展如此迅速。
尽管这只是一个数学体系,并不是什么实际的理论,但是只要利用该公式和相应的框架,就可以对未来的发现(例如 基本粒子 )进行预测。
可以说这样的研究发现即使是诺贝尔奖也很难为其衡量贡献,但值得一提的是,该研究除了杨振宁教授外,还有他的研究生助手米尔斯同样也是该理论的 贡献者 ,并且还有众多物理学家为其 添砖加瓦 ,最终糅合各家所长完成的 一个统一定论 。
正是有了他们这样 敢于质疑同时代理论 的学者,科学研究才能够不断更新变化, 物理研究 才走向今天。