隐藏的对称性:杨-米尔斯方程的思想源流与发展

作者: Christine Sutton

来源: 返朴

发布日期: 2022-03-13 08:00:00

杨振宁和米尔斯在1954年发表的规范场论文章,开启了理论物理学的新时代,通过对称性原理发展了“力”的规范理论。这一理论后来在弱电统一模型、量子色动力学及标准模型中得到应用,尽管标准模型尚未自洽。杨-米尔斯方程的重要性在于其揭示了基本粒子间力的本质,并在物理学和数学中具有深远影响。

1954年,杨振宁和米尔斯合作发表规范场论的文章,为20世纪后半叶理论物理学的发展开启了又一个辉煌时代。这一理论延续了物理学四百年来追求的统一思想,从麦克斯韦电磁理论出发,通过对称性及其所决定的相互作用得出了“力”的规范理论。

二三十年后,万物理论统一的拼图上拥有了弱电统一模型、量子色动力学,乃至集大成者标准模型,即使后者还不是个自洽的理论。本文介绍了杨-米尔斯方程的思想来源与发展,杨振宁与米尔斯是如何思考的,他们超越时代的思想带来物理学的进步值得回味。

1953年,斯大林去世了,伊丽莎白二世成为英国新加冕的女王,一个年轻的议员肯尼迪即将迎娶布维尔。此时,两个年轻人因共用长岛的布鲁克黑文实验室的一间办公室而相遇了。就像罕见的行星列阵那样,他们短暂地通过了时空的同一区域。这一时空上的巧合诞生了一个方程,这个方程可构成物理学圣杯——“万物之理”的基础。

1954年2月,杨振宁在普林斯顿的一次研讨会上提出他的理论,他发现自己受到了泡利的抨击。杨振宁解释说这是个复杂的问题,他和米尔斯还没有得到明确的结论后,泡利尖刻地指出“这作为理由是不充分的”。

1979年10月,在杨-米尔斯论文发表25年以后,三个理论物理学家从斯德哥尔摩获悉他们被授予当年的诺贝尔物理学奖。格拉肖、萨拉姆和温伯格三人各自独立地在局域不变性原理的基础上建立了一个新的理论框架。他们之前的杨-米尔斯构想和外尔构想的时代到来了,但却是以一种相当意想不到的方式到来的。

20世纪60年代发生了重大的变化——也许可以把这10年看成是与一些陈旧观念决裂的10年——其中相当重要的是,我们对基本粒子实际上是什么这一认知改变了。人们发现质子、中子和大量的短命粒子是由更基本的粒子构成的,我们把它们称为夸克。例如说,每个中子和质子都由3个夸克构成,它们由强力结合起来。

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