19、什么是场？杨米尔规范场为何地位崇高？在线免费阅读

上期咱们介绍了丁肇中和里克特二人，共同发现了J粒子，也因此发现了第四个夸克就是粲夸克。至此呢，人们终于相信了夸克模型啊，这夸克才是基本粒子，新发现的上百种强子都不是，他们都是由夸克组成的，这是人们对于粒子本身的研究得到的结果，与此同时，另一方面对于互作用的研究啊也有了重大的发现，那就是规范场理论。所以这回你知道了啊，新物理学最重要的两个部分啊，就夸克模型和规范场。那咱们今天就先把这个夸克给他放一边儿啊，来研究一下这个规范场是什么。先说什么是场啊，场的概念是以时空为变量的函数，然后你就发现这根本就理解不了，实际上，最早人们提出场是为了更好的解释力，举例子，比如说引力，引力刚提出来的时候啊，这并不是说所有人都能接受的，最主要的一个原因就是人们通常认为这力应该是通过接触来传导的，比如说我打你一下你就疼啊，因为你感受到了力。但是如果我不碰你，我就这么比划一下，你是感受不到力的，这现实生活当中是不存在隔山打牛，什么气功大师啊，这是正常人的认知。但是牛顿说呢，这地球为什么围绕着太阳转呢？因为存在引力，这人们就不信了呀，先说这个地球和太阳中间又没有绳啊，那相互没接触怎么可能有力？我读书少你别骗我，这件事儿牛顿也解释不了啊，牛顿就是说我不管，反正实验结果就是这么个结果啊，你就得想象它中间就有一根绳子。到了牛顿之后一百多年啊，拉普拉斯给出了一个算是令人满意的答案，也就是提出了场的概念，拉普拉斯说整个空间充满了一种场。这东西呢你看不见，为啥物体会受到引力呢？就是因为受到了这个场的推移，这回变成接触力了，人们说原来是场啊，这才接受。但是场真正发挥它的作用是电磁学开始的，也就是电磁场。最直接的原因就是貌似这个电子场是可以直接看见的，你比如说你拿一个磁铁呃去吸引一些这个碎铁屑啊，这些铁屑就会有序的排练好，而且他们的排列方向就是这个磁场线的方向。

所以场的概念在电磁学当中就得到了快速的发展，因此描述电磁场的麦克斯韦方程组也是物理学当中的第一个场论，而且麦克斯也说啊，这电子场的波动就会产生电磁波，并且呢它计算出了这个电磁波的理论速度啊，然后发现和当时人们测量的光速十分接近，于是就预言了，说这光应该也是一种电磁波啊。换句话说啊，光也是电子场震动的结果，啥意思呢？比如说你拿一个电荷啊，这上下震动它会发生什么呢？当然这现实当中不可能啊，咱们举例子嘛，那你就可以把这个场的概念给他脑补进去啊，当你摇晃电荷的时候，你就相当于你拽着一个平静的水面上面的一点这么上下震动。哎，这就可以造成这个电子场的联涟漪，就和水波一样，后果是什么呢？就是产生电磁波。当这个电磁波的频率落到可见光范围的时候，也就产生了可见光，这样我们就知道了啊，这灯为什么会亮啊？一通电电流就会使那个灯丝加热。加热的灯丝里边儿的这个原子和电子的就会受到扰动，这种扰动又激起了电磁场的波动，产生了可见光。同理我们也就可以理解引力波了，理论上你拿任何一个有质量的物体去震动，它都会产生引力场的波动，只不过这个波动啊微弱到几乎没有。不过星体的质量够大呀，这双星坍缩成黑洞了，这个过程造成的引力场波动就会产生可以观测的引力波啊，也就是整个时空都会像波一样产生形变。

咱们回过头来再来问一遍，什么是场？这场能看见吗？好像还看不见啊，他就是我们处理问题的一种手段，就是你脑海当中的一个图像啊。那人们自然不甘心，就是场的确很好用，但是为什么会看不见呢？这回你明白为什么19世纪人们要提出这个以太的概念了吧？一个最主要的原因就是为了把场具体化，但后来证明失败了啊，这以太并不存在，而且人们也习惯了，场只要在心里存在就行了啊，我知道有场就行了，至于看不看得见那无所谓了。后来这个量子力学出现了，你都可以不用管量子力学是什么，但是你肯定听过波粒二象性，最开始说光即是粒子也是波啊，后来德布罗意提出了物质波，说物质也一样，既是粒子也是波，咱们今天就来重新理解一下这个波粒二象性。

波是什么？就是场的涟漪呀，你看咱们刚才说了，电子场的涟漪就是电磁波，这就是光啊，这光又是粒子，所以就可以说场就是粒子，粒子就是场。宇宙是由什么组成的？宇宙是由场组成的，这话没毛病，这就像是俩不同的视角，就是上帝视角，你看到的就是场，无限的放大每一个细节就是一个粒子。英国物理学家大卫多伊奇(David Deutsch)在他的《真实世界的脉络》这本书当中提过一个思想实验，说一根蜡烛慢慢的远离我们而去，我们会看到这个光越来越弱，直到看不见，他说真实情况不是这样的啊，如果我们的这个视觉系统足够强大，那这个蜡烛就会是越来越弱，弱到最后呢能量不足一个光子的时候，我们就会看到这个珠光在闪烁的，也就是会看到单个光子。David Deutsch还说青蛙的视觉系统就比人类强大，他就能看到单个光子。那好，我们理解了物质本身啊，咱们再来看一下作用力。比如说电磁力，一个带正电一个带负电的粒子为什么会相互吸引呢？按照我们的直觉啊，他俩没接触，现在知道了，主要是因为带电。这电荷就能够激发电磁场了，也就是说每个粒子都有自己的电子场啊，这两个电子场怎么相互作用呢？就是靠电磁场的涟漪电磁波来传递力啊，也就是靠光子，那好，现在想象一下啊，这两个粒子它相互吸引。就相当于他俩相相反的方向发射光子，哎，然后动量守恒，这样一点儿一点儿的就靠近了，如果是斥力，那就是向相向发射光子，然后越来越远。所以从中我们还能够得出一个结论啊，就是电磁力的传递速度是光速，因为是通过光子传递的电磁力嘛，由此还可以类比呀，这引力就是引力场相互作用的结果啊，那传递什么粒子呢？哎，就是人们仍然还没有发现的引力子。引力子没有质量，因此引力场的传播速度也是光速，那咱们假设一下啊。假如说某一天这太阳突然就消失了啊，那地会不会呀突然脱离轨道呢？日地距离是多远啊？这光行走要8分13秒左右，也就是我们看到的光啊，实际上是太阳八分多钟之前发射出来的，因此啊假如这个太阳突然消失了，那引力场也不会突然消失啊。地球它会等到8分13秒之后再脱离轨道啊.

由此我们不难想象啊，这强力和弱力也一定有他们自己的力场啊，然后通过传递某种粒子来达到相互作用，这强力靠什么呢？靠胶子来传递啊，这儿大家可能有疑问，就是之前咱们介绍过啊，这汤川秀树预言的派介子。不是用来传递强力的吗？对，但当时汤川只考虑了质子和中子的核力啊，这强力可不仅仅是核力呀，直到后来人们发现了更本质的强力就是夸克之间的力，这个强力就是有胶子来传递的。核力只是夸克之间的强力剩下的力。弱力用什么传递呢？三种中间玻色子W+-和Z0啊，之后咱们会聊到那好，这大致的模型有了，可是在处理实际问题的时候啊，这一堆问题就出现了。第一个问题。就是变换，什么是变换呢？比如说你有两张地图。这地图都有比例尺，比如第一张是1:100的，第二张呢是1:200的，这种情况下这两个地图就不能放到一起运算呐。你就得需要把他们的比例尺变成一样，或者找到某种函数变换的关系啊，然后才能处理问题。这两张地图也就等价了一样了，哎，咱们上期说过物理学上一样表示什么？表示对称，所以说变换就是为了满足某种对称性啊。变换分为整体和局部，如说我手里有一个魔方，我现在把这个魔方给他整体旋转一个角度，那你怎么把它变回来呢？怎么转过去的？就把它怎么转回来就行了啊，这种变换就叫做全局变换。但是如果我把这个魔方给他打乱，这回怎么变回来呢？再通过全局变化，那肯定是不行了，所以就需要局域变化。那很显然，这局域变换要被全局变换更难，更复杂。

那好，定义来了，通过局域变换能够满足某种对称性质，就叫做规范不变性或者叫做规范对称性，这是上世纪20年代数学家外尔提出的概念。外尔的这种局域变换思想影响到了一个人，就是杨振宁先生。一般我们知道杨老师因为提出这个弱作用当中宇称不守恒和李政道一起获得了诺奖，但接下来的故事啊你就会知道了，为什么杨老能够和爱因斯坦，狄拉克等物理大咖相媲美了。很早的时候人们就发现为什么质子和中子可以约束在这么小的原子核里呢？这绝对是一种从来没见过的力量，不是引力，也不是电磁力，于是就提出了强相互作用的概念啊，1953年杨振宁就在思考这个问题。这每一种力都应该有他自己的力场，你比如说电磁力的力场就是电磁场，但是为了把这个场描述出来，你就需要找到某种对称性。也就是变换关系啊，是全局的呀，还是局域的呀？你怎么找这个对称性呢？咱们之前说过任何一种对称性它都对应了一个守恒量，对吧？那反过来我只要知道了这个守恒量，那也就知道他是怎么对称的了。比如说外尔之前他就发现了，根据这个电子场可以推导出电荷守恒。这电荷守恒对应了什么对称呢？就是电子场当中的某种局域的对称关系，杨振宁就把这个思想借鉴过来了啊，他说强力场啊也应该是某种局域的对称关系，哎，也就是规范场，那下一步就得思考啊，具体是什么对称呢？那就得看强力有什么守恒量的，这个守恒量啊最好还得是强力独有的。刚好发现一个就是同位旋守恒。咱们之前介绍过，就为啥质子和中子性质这么像啊，因为同位旋对称，记得吧。这个同位旋只有在强力当中守恒，在弱力和电磁力当中都不一定守恒，有灵感了，于是在1954年杨振宁和当时他的室友叫做米尔斯，就共同发表了两篇文章分别是《同位旋守恒和一种广义规范不变性》以及《同位旋守恒和同位旋规范不变性》。这两篇论文所描述的正是杨米尔斯规范场或者叫做杨米尔斯理论。其实在发表的时候，杨振宁就知道这个理论存在一个缺陷啊，杨振宁是把强力用一个规范场来处理，但是既然是规范场，你就需要一个规范粒子来传递作用力呀，哎，这个粒子他还得是波色子，就是自旋为整数。所以也叫做规范玻色子，就好比说光子他在电磁场中传递电磁力一样，但是电磁场为什么能够是规范场呢？就是因为这个光子的静质量为零，说白了，这个规范粒子它不能有质量才能够满足规范不变性。而且相互作用的距离是反比于这个粒子的质量的啊，那当这个粒子质量为零的时候，这作用距离也就会无限远，所以说电磁力才是长程力嘛。总结一下，为了满足规范不变性，这规范粒子就不能有质量，哎，这就导致这力它得是长程力，重点就是当时的实验结果告诉我们强力它是短程力呀，就只有在原子核范围内才有，这就至少说明杨米尔斯规范场在当时来说啊。不能够用来述强力和弱力，但是他俩还是发表了，哎，你们应该听过这个故事吧，就是说在1954年2月份啊，杨振宁在普林斯顿高级研究院做了一场演讲，主要就是向大家介绍一下这个杨米尔斯规范场啊，话还没说完，就下边儿有一个人就坐不住了，就打断杨振宁。这脾气这么暴躁，你们一猜就是泡利啊，这泡利直接就问说你这个场的规范玻色子质量是多大？这就是咱们刚才说的这个问题所在呀，其实泡利在之前啊，他有个类似的想法，哎，但是他没发表，杨振宁说过，他们这一代人都怕泡利，这位是谁面子也不给，更何况那个时候杨振宁还没提出这宇称不守恒呢，所以在会上直接就卡壳了，说不出话来了。泡利不依不饶，就一直问，后来是这个大会的主持人奥本海默说行了，泡利你先坐下，你让他把话说完，这泡利才罢休啊，会后第二天泡利还给杨振宁写了个这个小纸条说不好意思啊，这昨天那个没有机会好好跟你谈一谈啊，巴拉巴拉巴拉。后来这个规范例子的质量问题是由希格斯解决的啊，叫做希格斯机制啊，咱们先放着之后再说，你们先留个印象，就咱们这儿还有个问题还没有解决，还有关于这个重整化的问题啊，之后一起再说。
杨米尔斯规范场的地位为什么这么高呢？但就是因为它是一个框架，杨振宁为物理学家打开了一扇门，正是这个杨米尔斯规范场才有了之后的弱电统一等等成果。爱因斯坦的广义相对论也是一种场论呐，还有狄拉克打开了量子场论的大门啊，把场的概念带入到了量子力学当中，才有了量子电动力学。只不过这广义相对论几乎是一个人完成的，爱因斯坦更厉害一些，但是如果说杨振宁可以和狄拉克相提并论的话，这一点儿都不为过。那好，咱们下一期就来看一看物理学家是如何在这个杨米尔斯规范场的基础之上进行弱电统一的。好今天就聊到这儿，下期见，拜拜。

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