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科普连载之二十：规范场论1
(2007-08-27 17:34:07)
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知识/探索科学文化 |
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1999年10月12日瑞典皇家科学院宣布,该年度的诺贝尔物理学奖授予荷兰的特.胡夫和维尔特曼。理由是两位获奖者给粒子物理理论提供了坚实的数学基础，尤其是,他们证明,该理论可以用于物理量的精确计算。欧洲和美国的加速器实验器的实验证实了许多理论计算结果。皇家科学院还着重赞扬了他们的工作对于阐明在物理学中弱电相互作用的量子结构的巨大功绩。
这一宣布,引起巨大轰动。他们的贡献具体地说,就是解决了当前量子论发展的最高阶段——量子化的杨—米尔斯规范场的重整化问题。早在20世纪初，人们就认识到了麦克斯韦的电磁场理论中隐藏着一种对称性，后来称为规范对称不变性。也就是说四维电磁势在规范变换下保持麦克斯韦方程组的不变性。通俗的说就是，可以用不同的电磁势来描述同一个电磁场，而且得到的结论是完全相同的，在A-B效应发现之前，这一现象没有得到足够的重视，因为人们通常认为描述电磁场的量应该是电场E和磁场B，势只是一种辅助的数学工具，没有物理意义。但量子力学表明，势也存在可以观测的物理效应，这就使得电磁势的理论意义空前的重要起来。规范不变性实际上应该叫做相位不变性，分析表明，这一对称性直接导致电荷守恒定律。费曼证明，局域规范对称性加上洛仑兹变换可以导出麦克斯韦方程组。
杨振宁曾经试图将局域规范对称性纳入到强相互作用理论，但一直没有成功。1954年他与同事米尔斯提出了非阿贝尔规范对称性的概念，通俗的将就是在规范变换中相位因子不是一般的实数，而是矩阵，因此一般不满足乘法交换律（不满足交换律的群叫非阿贝尔群）。他们当初是想构造一个解释强相互作用的理论，虽然当时没有成功，却发现了非阿贝尔规范对称性。杨振宁-米尔斯的理论将人们的视野从阿贝尔规范对称性转移到了非阿贝尔规范对称性，后来的历史表明，这是量子论发展史上的一个里程碑。强相互作用理论没有成功的原因是，量子化的规范场论要求，规范粒子的质量必须是零，它的用途是传递相互作用，既然规范粒子质量是零，规范场就应该像电磁场一样有无限大的作用力程，也就是说，强相互作用力应该是长程力。但所有的实验都表明，强力是一种力程只有10^(-15)m的只在相邻核子之间起作用的典型的短程力，当时汤川预言传递核力的粒子是π介子，质量是电子的200多倍。也就是说，实验和当时的理论都要求，规范粒子的质量必须是一个不为零的数。后来的夸克理论和实验表明，核力是夸克之间的“剩余力”，强相互作用应该是夸克通过胶子产生的作用力，而胶子的质量的确是零，核力的短程性与分子间作用力类似，是一种长程力的剩余力。强相互作用的这一理论叫做量子色动力学，它是以八种无质量的色胶子作规范粒子，由它传递夸克之间的强相互作用，每种夸克又具有三种可能的颜色态，对比量子电动力学，将它称为量子色动力学，它是杨-米尔斯理论的重要组成部分。自然界中存在一种典型的短程相互作用，就是弱相互作用。既然是短程力，传递相互作用的粒子就应该有质量，似乎不能用杨-米尔斯理论来解释，但是在60年代，日本物理学家南部阳一郎将超导理论中的对称性自发破缺机制介绍到杨-米尔斯理论中，爱丁堡大学的希格斯表明，规范场论中对称性自发破缺效应会使某些原来没有质量的粒子获得质量，后来人们称这一机制为希格斯机制。或者通俗的讲，规范对称性并没有在弱相互作用中被破坏，而是被希格斯场隐藏起来了规范粒子依靠“吃”希格斯粒子获得质量。在强相互作用中自然不需要这种机制，但在弱相互作用中却是必须的。1966-1967年，温伯格、萨拉姆与格拉肖成功的应用希格斯机制建立了将弱相互作用和电磁相互作用统一起来的杨-米尔斯理论——电弱统一理论，并预言了传递弱作用的三种中间玻色子，1983年三种玻色子均被发现，从此自然界中存在四种相互作用的说法只能留在历史博物馆里了，三人也因此获得了诺贝尔奖。
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