聊粒子-杨米尔斯规范场

22 3月

新物理最重要的两个理论就是夸克模型规范场

场就是以时空为变量的函数,有点抽象,不太好理解。

最早出现场的概念其实是为了解释引力。

牛顿提出了万有引力,这只是根据现象做的总结,但引力的本质是什么?为何会有引力呢?至今不知道。

在传统概念里,力是要通过接触才能产生的。比如打一拳会感到疼,就是因为拳头和对方身体发生了接触,力通过接触传导了过去。现实生活中并不存在隔山打牛的气功大师。

牛顿说苹果落地是因为苹果和地球间的万有引力,但地球和苹果间并没有一根绳子连在一起,怎么就出现引力了呢?牛顿也解释不了,我不管,反正你们就想象两者中间有根绳。

直到100年后,拉普拉斯首先提出场的概念:整个空间都充满了场,你受到引力,是因为场的推挤。这回变成接触力了,人们才接受了引力。

但这也只是一种猜想,无法证实也无法证伪,所以场论一直不温不火。

场真正发挥威力是因为电磁场,电磁场貌似是可有肉眼看见的,磁铁周围的铁屑,可以形成磁场线的方向:

所以描述电磁场的麦克斯韦方程组也是物理学中的第一个场论。

而且麦克斯韦说电磁场的波动能产生电磁波,电磁波在真空中的理论是光速。所以预言光就是一种电磁波,即光也是电磁场振动的结果。

当电荷发生振动产生电磁波,就像水面会产生涟漪。电磁波的频率在可见光范围内就是可见光。

电灯会亮是因为通电后,电流会加热灯丝,加热会扰动灯丝里的原子和电子,激起了电磁波,产生了可见光。

同理引力波,任何有质量的物体的振动都会在引力场中激起波动,只不过通常都太小,观测不到。只有黑洞这么大质量的物体造成的引力波,我们才可以观测到。

波就是场的涟漪,电磁场的涟漪就是电磁波,也就是光。光有波粒二象性,所以可以说场就是粒子,粒子就是场。

宇宙是由场组成的。上帝视角看到就是场,每个细节无限放大就是粒子。所以场是人类解释力的一种方式。

电磁力为何同性相斥,异性相吸呢?它俩又没接触,为何能产生力呢?

因为它俩带电,每个电荷都能扰动电磁场造成涟漪,两个电磁场的相互作用就是靠涟漪,即靠电磁波来传递力,也就是靠光子。

同性相斥,就好比它俩互相朝对方发射光子,就这样越怼越远。异性相吸,就好比它俩互相朝相反方向发射光子,就这样被推着靠近。

因为通过光子传递电磁力,所以电磁力的传递速度是光速。

同理通过引力子传递引力,但引力子至今没有被发现。可以肯定的是引力子没有质量,因此引力的传递速度也是光速。如果哪天太阳突然消失了,地球要8分钟后才开始脱离轨道。

强力靠胶子来传递,即夸克间通过传递胶子获得强力。

弱力靠三种中间玻色子,即W+-和Z0来传递。

光子,胶子,W+-,Z0产生作用力,因此在标准粒子模型里被定义成规范玻色子,图中红色部分:

力都有了,需要将这些力进行变换。

比如有两张不同比例的地图,你没法直接换算,需要先将两张地图的比例尺换算成一致,这样两张地图才等价,才能进行换算。

物理学上等价就表示对称,变换就是未了满足某种对称性。

变换又分为整体变换和局域变换。

例如魔方,你拿着魔方旋转一个角度,要变回来只要逆向旋转同样角度就行了,这就是整体变换。但如果你将魔方打乱,再想变回来,计算就复杂多了,这就是局域变换。

通过局域变换能满足某种对称性,就叫“规范不变性”,或者“规范对称性”。

这其实是一种数学的思想,影响到了杨振宁先生。

1953年杨振宁先生就开始思考:每种力都有场,电磁力的场就是电磁场,但要将场描述出来就要找到某种对称性,就是变换关系,是全局还是局域?

因为任何对称性都对应一种守恒量,所以只要知道了是哪种守恒量就能知道是怎么对称的。

电磁场可以推导出电荷守恒,电荷守恒对应了电磁场的某种局域对称关系。

强力场应该也满足某种局域对称性,就是规范场。具体是什么对称性?得看强力有什么守恒量,最好还是强力独有的。

当时正好发现同位旋守恒,质子和中子因为同位旋对称所以很像,而且同位旋只在强力中守恒,在电磁力和弱力下都不守恒,属于强力独有。

1954年杨振宁和室友米尔斯,共同发表了《同位旋守恒和广义规范不变性》以及《同位旋守恒和同位旋规范不变性》,就是杨-米尔斯规范场。

但当时这个理论有个缺陷。

杨振宁先生将强力用一个规范场来处理。既然是规范场就需要规范粒子来传递作用力,这个粒子还得是自旋为整数的玻色子,也叫规范玻色子

而且这个规范玻色子必须质量为0,才能满足场的规范不变性。

电磁场是规范场,因为光子静质量为0,所以光子能在电磁场中传递电磁力,电磁场才具有某种对称性,才能有电荷守恒。如果光子有质量,对称性就会被破坏,电荷就不守恒了。

而且力距是反比与这个规范玻色子的质量的,当规范玻色子的质量为0时,作用距离就会无限远,所以电磁力才是长程力。

总结一下这个缺陷:为了满足规范不变性,规范玻色子就不能有质量,导致这个力是长程力。但强力是短程力,所以当时杨-米尔斯规范场不能用来描述强力和弱力,直到后来规范场的质量问题用希格斯机制解决了。

1954年,杨米尔斯规范场为之后的弱电统一和大统一理论打开了一扇门。

描述电磁场的麦克斯韦方程组是一种场论,爱因斯坦的广义相对论是一种场论,还有狄拉克的量子场论,所以杨振宁先生是能和麦克斯韦,爱因斯坦,狄拉克相提并论的物理学大神。也是目前在世的最伟大的物理学家,没有之一。

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