诺贝尔奖都难以衡量其贡献,杨振宁的杨-米尔斯理论,有多厉害?

如题所述

第1个回答  2022-08-09

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。

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