设万维读者为首页 广告服务 技术服务 联系我们 关于万维
简体 繁体 手机版
分类广告
版主:诤友
万维读者网 > 教育学术 > 帖子
杨振宁的规范场理论是人类文明的一个里程碑
送交者: -YDX- 2011年06月29日15:01:52 于 [教育学术] 发送悄悄话
小学生科普书里说,人类已知的基本相互作用有四种:万有引力、电磁相互作用、弱作用与强相互作用。引力理论首先是牛顿建立的,后来在爱因斯坦那里得到了完善。电磁作用经过了很多物理学家的研究,最后被麦克斯韦天才性的引入了位移电流的概念,写下了麦克斯韦方程组,一举构造了电动力学。后来,随着量子理论的发展,电磁理论在20世纪初被发展成为量子电动力学,简称QED。人类对他所存在的自然有了相当深入的理解。

然而这仍然只是皮毛。引力与电磁作用都属于长程作用,能在宏观距离上进行实验,因此,通过观测、实验,人们获取了相当多的知识。例如,法拉第虽然没有什么数学知识,但凭借良好的直觉,用电力线、磁力线等直观的实验概念,就得出了许多深刻的结果,为最终的电磁理论奠定了基础。

人类文明的发展可以用我们所掌握的能量大小来衡量。直到工业革命之前,人类的能量来源主要是由大脑控制的动物的肌肉;随着科学的发展,人类学会了控制利用电磁能,包括电子在不同能级之间跃迁释放的能量,用科学术语来说,这种能量的级别在几个电子伏作用。由此开始,人类开始探索更深层次的东西,那就是原子核和基本粒子。这个级别的能量高达多少亿电子伏,而它对应的距离则是极为微小,时间极短。要弄清自然界在这个层次的规律,我们必须能够像写出牛顿万有引力公式、麦克斯韦方程一样,写出精确的数学方程,描述基本粒子的相互作用。

在这个微观级别上实验、探索,困难重重。人们做了很多的实验,观测到各种间接现象,比如说放射性元素会发射一个电子,贝塔衰变,原子核裂变可能释放巨大的能量,人们还观测到各种各样、五花八门的粒子....光是给它们进行动物分类都是一个令人头疼的问题,它们之间的关系,它们之间的相互作用规律更是毫无头绪,聪明的物理学家们也就是根据现象,根据QED,写写经验公式,基本是盲人摸象。

我们需要像麦克斯韦尔方程那样的方程,来精确描述基本粒子的相互作用,而我们所知的几乎为零。这需要天才性的理论突破。杨振宁博士在1954年的一篇论文,奠定了人类对这些相互作用的理解的基石。这篇论文的原文可见于这个链接:http://www.thphys.uni-heidelberg.de/~maniatis/LectureAdv/yang-mills.pdf 。这就是众所周知的Yang-Mills规范场理论。这个理论教导人们:粒子之间的相互作用方程可以从对称性原理精确地推导出来。Yang-Mills的论文详细解决了SU(2)规范场的问题。在Yang-Mills后不久,其他物理学家把这个理论运用到SU(2)xU(1)和SU(3),分别写下了弱电相互作用与强相互作用的方程。因此,弱电相互作用与强相互作用的方程是杨振宁SU(2)理论的直接推广。

有兴趣的可以读读这篇论文。下面我简单的总结一下。

所谓SU(2)就是一种2x2的特殊复数矩阵,如果这个矩阵的元素的值随空间变化,当它作用于一个粒子场的时候,相当于把场在每一点都进行了不同“角度”的旋转。杨振宁说,这种变化应该不影响最后观测的物理结果,也就是说,对应的物理在这种变化下是不变的,这种不变性也被称为对称性。

但是如果写下自由粒子(也就是没有相互作用)的方程,在这个SU(2)变换下,结果就不同了。这很容易看出来。由于这个“旋转”变换U随空间变化,d(Uf) = dU*f + U*df,与原来的df相比,多出了一个dU的项。

杨振宁说,OK,我们把这个d变成D = d + ig G * W,其中G是与对称性相关的一些矩阵,W是一些未知的类似于电磁场之类的场(规范场),我们看能否通过W的变化,使粒子的方程保持不变。结果是YES。杨-米尔斯的论文随后推导出了这个W的方程,包括其动力学方程,并且进一步建立了它的量子化理论。对于2x2的SU(2)来说,一共有三个G矩阵,对应于三种规范场粒子。

杨振宁的理论几乎是破空而出,几乎是凭空导出了粒子相互作用的方程。但它或许有点超前了。刚出来的时候,遭到很多物理学家的质疑(当然杨理论也有一些没有解决的问题,如质量的产生)。

1960年代,在多名物理学家的努力下,杨的SU(2)理论被推广到SU(2)xU(1),从而构造出弱电统一理论,解决了弱相互作用的问题。而且,后来的实验发现了三个传递弱作用的粒子。

在SU(3)规范场的基础上,物理学家构造了量子色动力学(QCD),这个理论给出了夸克之间的强相互作用的方程. SU(3)是3x3的特殊复数矩阵,8个独立分量,也就是有八个G矩阵,因此在这个理论有八种传递强作用的胶子(gluon),被称为八种颜色。

到目前为止,这些理论都一次次被实验验证为正确,被称为标准模型,代表了人类对自然的认知的最高层次。事实上,爱因斯坦的广义相对论也能够从规范场的角度导出。基本的自然规律能够从如此简单的对称性原理完整地推导出来。这一点,令人感到深刻。

500年后,人类文明如果仍然存在,杨振宁的名字将出现在历史教科书中,作为人类文明的一个里程碑

0%(0)
0%(0)
  An article based on ignorant! - c_y_lo 06/29/11 (284)
    你一民科,懂什么?  /无内容 - YDX 06/29/11 (158)
      Your ignorance!  /无内容 - c_y_lo 06/29/11 (199)
        民科整天不知天高地厚,还爱因斯坦不懂数学 - YDX 06/29/11 (195)
          According the opinion of the - c_y_lo 06/29/11 (231)
            读几本书再发议论吧 - YDX 06/29/11 (232)
              Read the paper of Weinberg  /无内容 - c_y_lo 06/30/11 (226)
                你根本看不懂杨振宁57年前的论文 - YDX 06/30/11 (199)
                  Yang should correct his errors - c_y_lo 06/30/11 (131)
                  Please read Weinberg's paper!  /无内容 - c_y_lo 06/30/11 (109)
                  不过概念糊涂的人也有的是 - YDX 06/30/11 (185)
                    岳律师真有本事,能把才女紫鸟搞得团团转,让她一日不见如三秋:  /无内容 - KINGH 06/30/11 (162)
                      才女算不上吧?就是会堆砌辞藻而已  /无内容 - YDX 06/30/11 (163)
                        我没说我是才女啊,问题是你这250连狭义相对论都学不懂 - 紫荆棘鸟 06/30/11 (162)
                          但你听惯了别人叫你才女 - YDX 06/30/11 (137)
                            你智商不足,物理 PHD 学不懂狭义相对论  /无内容 - 紫荆棘鸟 06/30/11 (127)
                              可惜你的盟友们都是些草包而已  /无内容 - YDX 06/30/11 (129)
                                对,大家都是草包,只是你草包得更厉害而已,呵呵。 - 紫荆棘鸟 06/30/11 (197)
                                  你的盟友是草包,这是一次次被事实证明的 - YDX 06/30/11 (135)
                                    问题是你更草包啊,再说我没有盟友。  /无内容 - 紫荆棘鸟 06/30/11 (167)
                                      但你的话只有你的草包盟友附和 - YDX 06/30/11 (131)
                                        他们都比你强啊,你现在唯一能吹嘘的,就是在贺梅案中起了作用 - 紫荆棘鸟 06/30/11 (169)
                                          贺梅案律师否定我?你知道贺梅案律师是谁吗? - YDX 06/30/11 (190)
                            She is smarter than you. - c_y_lo 06/30/11 (138)
                              你连老杨57年的论文都看不懂,而且还在此出丑 - YDX 06/30/11 (165)
                                Yang-Mills-Shaw theory - c_y_lo 06/30/11 (129)
                                Please read Weinberg's paper! - c_y_lo 06/30/11 (171)
                                  别在这继续忽悠紫鸟之类的半白痴了 - YDX 06/30/11 (136)
                                得,岳律师就一个愤青。难怪这次海明律师将你排除在桑兰团队外 - 紫荆棘鸟 06/30/11 (163)
                            She is smarter than you. - c_y_lo 06/30/11 (120)
                    For a lawyer, you are not bad!  /无内容 - c_y_lo 06/30/11 (147)
                      他是冒牌货,没有律师资格,只能帮律师打杂  /无内容 - 紫荆棘鸟 06/30/11 (114)
                      哈哈,你可别学起紫鸟,她可是个出了名的马夫人啊 - YDX 06/30/11 (152)
                        你不是连狭义相对论都学不懂么。  /无内容 - 紫荆棘鸟 06/30/11 (126)
                    For a lawyer, you are not bad!  /无内容 - c_y_lo 06/30/11 (155)
                    岳律师又假装懂物理?谁不清楚你的那点中学底子啊:)  /无内容 - 紫荆棘鸟 06/30/11 (210)
                      Thank for the clarification!  /无内容 - c_y_lo 06/30/11 (151)
                      岳律师真有本事,能把才女紫鸟搞得团团转,让她一日不见如三秋、  /无内容 - KINGH 06/30/11 (107)
                      看我涮民科,你不开心了?  /无内容 - YDX 06/30/11 (104)
                        这次还是被海明排除在迎接桑兰的团队外了么:)  /无内容 - 紫荆棘鸟 06/30/11 (108)
                Then bring Yang up-to-date!  /无内容 - c_y_lo 06/30/11 (124)
  An article based on ignorant! - c_y_lo 06/29/11 (144)
    Should ask Yang for approval!  /无内容 - c_y_lo 06/30/11 (108)
    毛的狗就又多了一条  /无内容 - 谁让你直播的 06/29/11 (105)
        找个老狗,把那条移花接木到你那胯下,再露祛不迟。  /无内容 - jjmmjj 06/30/11 (109)
标 题 (必选项):
内 容 (选填项):
实用资讯
北美最全的折扣机票网站
贝佳药业美国专利【骨精华】消关节痛、骨刺、五十肩【心血通】改善心绞痛
一周点击热帖 更多>>
一周回复热帖
历史上的今天:回复热帖
2010: 逻辑:哈佛拒绝人大高材生浅析
2010: 致勇于挑战中学教科书的飞蛾们
2009: aa88: 再谈中美教育兼评outlook帖子
2009: 21世纪人类要生存,就必须汲取孔子的思
2008: At what cost to mordernize China?
2008: 难以逾越的艺术巅峰《八大革命样板戏》
2006: 中国现今十大最悲哀的学科
2006: 谈谈学习数论的参考书