楊-米爾斯理論那麼重要,為何楊振寧教授大名鼎鼎,米爾斯籍籍無名?

博雅燕園


羅伯特·勞倫斯·米爾斯已經在1999年10月27日去世了,他一生最大的成就就是與自己的老師楊振寧先生提出了震驚世界的楊—米爾斯理論,之後再無建樹。他生前一直在說,“楊-米爾斯規範對稱方程是楊振寧的,自己只是有幸跟著署名”

說起楊振寧的學術成就,很多人只知道他和李政道一起提出宇稱不守恆理論,獲得了諾貝爾獎,但這只是他眾多學術成就中的一小部分。事實上,他在統計力學、凝聚態物理、粒子物理、場論等物理學4個領域有13項世界級的貢獻,這一點舉世聞名,無可否認。

在這眾多成就中,最熠熠生輝,甚至能值兩個諾獎的學術貢獻,則是大眾非常陌生甚至一開始物理學界也不看重的楊—米爾斯理論,這是楊振寧與自己的學生米爾斯早於自己獲得諾貝爾獎的宇稱不守恆定律在1954年提出的,並直接催生了楊—米爾斯規範場論。

世界著名物理學家、諾貝爾物理學獎獲得者丁肇中教授曾經在楊振寧70歲生日上這樣說道:提到20世紀物理學的里程碑,我們首先想到三件事,一是愛因斯坦的相對論;二是狄拉克拉的量子力學;三是楊振寧的規範場論。

那麼規範場論到底偉大在哪裡呢?這就需要從四種基本力說起了。

愛因斯坦時代劃分了宇宙的四種基本力。它們分別是電磁力(以多種形式存在,包括電、磁和光本身)、引力(使地球和行星保持在它們的軌道上運動,引力也約束了銀河系的平衡)、強核力(為恆星燃燒提供能量。它使群星閃耀,創造出燦爛的、給予生命的陽光)、弱核力(支配某些形式的放射性衰變)。

愛因斯坦為此在生命的最後三十年執著於統一這四種力,他給這個理論創造了一個詞:統一場論。遺憾的是,他探索光和引力的統一場論並未成功。他去世的時候,留下的僅是書桌上未完成的各種手稿。

楊-米爾斯理論(規範場論)的提出為大統一理論指明瞭方向。基於這個理論,物理學家統一了電磁力和弱核力,創立了電弱統一理論。在溫度極高的早期宇宙中,電磁力和弱核力是統一的電弱力。以此為基礎,粒子物理標準模型又把強核力統一進去。也就是說,在楊-米爾斯理論的框架下,除了引力之外的三種基本力已經得到統一,可謂是完成了75%的大統一理論。

不止於此,在20世紀70年代,科學家們逐漸認識到,所有的核物質的秘密都可以被楊-米爾斯規範場論解開。把物質結合在一起的木頭的秘密是楊-米爾斯的規範場論,而不是愛因斯坦的幾何學。

今天,楊-米爾斯規範場論已使“建立一種關於所有物質的無所不包理論”成為可能。事實上,我們是如此相信這個理論,以至親切地稱它為“標準模型”。

標準模型可以解釋所有的關於亞原子粒子的實驗數據,甚至可以解釋大約1萬億電子伏特的能量(用1萬億伏特的電壓加速一個電子而產生的能量)。這大約是目前在運轉的原子加速器的極限。因此,可以毫不誇張地說,標準模型是科學史上最成功的理論。

根據標準模型,每種結合各種粒子的力都是通過交換不同種類的量子產生的。現在讓我們單獨討論每種力,然後將它們組裝成標準模型,於是,楊-米爾斯場又成為了時下大火的量子理論的基礎。


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