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物理学家、诺贝尔物理学奖获得者、中国科学院院士杨振宁先生逝世,享年 103 岁,他有哪些贡献值得铭记?

liisu
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按照朗道的天才标度,杨振宁可以排到现代物理学前十。

0 级:牛顿(牛顿力学)
0.5 级:爱因斯坦(相对论)
1 级:麦克斯韦(电磁学)、波尔茨曼(热力学与统计力学)、普朗克(光量子假说)、波尔(互补原理)、海森堡(不确定性原理)、薛定谔(薛定谔方程)、狄拉克(狄拉克方程)、杨振宁(规范场)

当然了,这种排名或多或少都有主观成分,所以意义不大,算是个饭后闲话吧。

不过不管怎么排,杨振宁都可以和海森堡、薛定谔、狄拉克这些人并肩。他是量子物理那个黄金时代的最后一位开创性宗师,以一己之力,为后世的人们开辟了一条物理学统一之路。

我们熟知的希格斯机制夸克模型电弱统一理论标准模型,包括弦论,都是建立在杨振宁的规范场理论之上。

在此,我想以普通人都能看懂的方式,不用任何数学公式和物理学术语,来简单讲述一下杨米尔斯规范场的价值——这可真是个艰巨的任务——以此来纪念这位伟大的物理学家。

该从哪儿讲起呢?我们先从数学的纤维丛开聊。

去过北京望京地区的同学们都知道,这里很容易迷路,因为整个望京在地图上是倾斜的,它在北京四环的东北角,其内部的街道不是正南正北方向,所以望京的「北」其实是指「东北」。

如果你开车寻路,问当地人,师傅,去麒麟社该怎么走,是往北吗?对方肯定懵逼一下,啊?对,是在「北」边。于是你就迷路了。

在地图上的望京地区

在物理学中,整个宇宙也和望京地区一样,​​在每个局部区域(参考系),都有自己的「规则」来定义标准(比如哪里是北),这叫做「局部规范」。

由于宇宙中有无数个望京,那么在其中开车找路就很困难,因为你得随时根据不同的区域规则,来调整自己的方向,你理解的北,可不一定是望京的北,这很好理解吧?

这时,我们需要一个完整的地图集,它标注了所有区域的方向偏差,可以提供每个点的详细信息。

这个地图集就是纤维丛。它长这样:

典型的纤维丛

让我们跳出司机的视野,从城市管理者的上帝视角来鸟瞰整个城市。

底流形就是这个城市的地图,上面只标明了道路和区界,但不包含任何信息。

纤维上的每根长毛就是地图上的一个点,类似指路牌,这个牌子上可以标出 360 度的所有方向,它代表了在时空的某一点上,所有可能的内在状态(比如相位的角度、电子的波函数方向等)。

当底流形上的所有纤维都聚集起来,形成一个巨大的、错综复杂的城市结构,就构成了总地图集。

现在,我们有了城市的地图集,就可以在此基础上建立一个智能导航系统,来指引开车的方向。

这个智能导航系统就是杨米尔斯规范场。

纤维丛描述了​​在哪里​​(底空间)有什么​​可能的状态​​(纤维),而规范场则定义了​​如何​在这个纤维丛的不同纤维之间(即不同时空点之间)进行平行移动,它是连接各个纤维规则的翻译官。

比如,当你开车到望京时,规范场就会说,亲,咱们到望京了,现在把指南针顺时针调整 30 度,重新定义「北」。这样你就不会迷路了。

简单来说,纤维丛是宇宙的几何地图集,它描述了所有可能的内在状态是如何体现在时空中。而规范场则是这个地图集上的翻译官,它定义了粒子(或场)在这个复杂的地图集上移动时,其内在状态应该如何平滑的变化,从而保证整个宇宙的物理定律是自洽的。​​

很神奇吧,人类发明的数学,就这样和现实中的物理世界联系起来了。所以杨振宁才会对搞纤维丛的陈省身说,规范场与纤维丛的完美统一,简直就是个奇迹,你们数学家居然能凭空现象出来。而陈省身的回答是,数学是真实的。

不过我们还是说人话,用个形象的比喻,来理解上面这段晦涩的天书。

想象一下,太阳宫(在望京南边)有个粒子,它想和望京的粒子发生点关系(相互作用),于是它说,兄弟,现在我想向北边施加一个力,你准备一下哈。

但是问题来了,站在望京粒子的角度,「北」是指「东北」,这和太阳宫粒子的理解可不一样,那么它该如何准备呢?

这时,规范场这个翻译官就上场了,​​它会释放出一个通信兵(规范场粒子)​​。比如对于电磁力,这个通信兵就是​​光子​​。

这个光子从太阳宫粒子出发,奔向望京粒子,它自带翻译功能,根据地点的不同规则,自动调整信号,保证信息内容不变。

比如,对于太阳宫粒子的需求,它传递给望京粒子的信息就是,兄弟,现在我想向「西北」施加一个力,你准备一下哈。这在望京粒子看来,就是正北方向了。

而在我们这些旁观者看来,就是太阳宫粒子通过电磁场(规范场)对望京粒子产生了一个斥力。​​

整个过程的本质是,粒子之间通过交换规范场粒子(通信兵)来发生相互作用。所谓力,就是这种交换过程的表现结果。​​

物理学要求,​​物理定律不应该依赖于每个区自己设定的「北」在哪里,无论你用什么局部标准,粒子运动的物理结果必须保持一致。

这个苛刻的要求,在物理上叫做​​局域规范对称性​​。每个时空点都有自己的参考系,但整体的物理规律必须普适。​​

所以说,​规范场就是粒子间相互作用(力)的载体,每一种相互作用都有对应的规范玻色子。比如​​电磁力​​的载体是​​光子,背后的理论是 ​​U(1) 规范场论​​,​​弱力​的载体是 W 和 Z 玻色子,理论是 ​​SU(2) 规范场论​​,​​强力​​的载体是​​胶子,理论是 ​​SU(3) 规范场论​​。

就此,规范场为我们提供了​​一个强大的「理论工厂」。一旦物理学家发现某种新的粒子具有某种内部自由度(比如一种新的电荷),并要求这个自由度满足局部对称性,那么​​规范场理论会直接预言出必然存在一种与之对应的力(规范场)和一种传递此力的信使粒子(规范玻色子)​​。

可以说,规范场是物理学探寻宇宙规律最重要的语言(甚至可能没有之一),是帮助我们理解和构造基本相互作用的标准模板。

有了规范场理论,物理学家才能统一电磁力和弱力,进而统一弱力和强力,也许在将来还可以统一引力(可惜一直未找到引力子),形成真正的大一统理论。

等一下,先别着急写结束语,还有个问题没弄明白呢,为什么宇宙中的不同区域会有自己的规则?望京粒子和太阳宫粒子对于「北」的定义居然不一样,这太不可理解了,背后的原因是什么呢?

同学,必须要称赞一下你的物理直觉,这个问题太太太深刻了,简直可以说直击物理学的核心。

这个问题,实际上是在追问,局部规范对称性的物理根源是什么?

现代物理学,或者我们往大点说,整个科学,都是建立在这样一个梦想之上——

宇宙是可以被理解的。

这不难理解吧?如果宇宙不能被人类理解,那么我们还研究个啥。

人类理解宇宙的最底层工具是逻辑(逻辑之上是数学,数学之上是物理),如果宇宙是可以被理解的,那么在逻辑上就必然存在一致性。

而这个逻辑上的一致性,就表现在这样一个基本假设——

全宇宙的底层物理定律都是一致的。

只有底层物理定律是一致的,我们才能基于这些定律来研究物理现象。这在物理学上叫对称性。伟大的诺特定理就是基于这种一致性,从数学上推导出每个对称性都对应一个守恒量。

理解了这个概念,我们再回头看望京粒子和太阳宫粒子的不同规则。

假设宇宙是全局规范对称的,即每个区域的规则都一样,会发生什么呢?

如果存在一个宇宙标准时钟,比如北京现在是 12 点,那么纽约也必须是 12 点,如果一个电子在北京把自己的相位旋转了 30 度,那么​全宇宙所有地方​​的电子都必须​​瞬间同步​​旋转 30 度。

这意味着信息的传递速度是​​无限的,直接违反了相对论,而相对论是经过大量实证验证的,宇宙中不存在超距作用。所以这条路走不通。

那么我们退一步,做这样一个假设:无论每个地方的人怎么随意调整自己的本地时钟,描述电子运动的物理定律(比如薛定谔方程或狄拉克方程)的形式必须保持不变,最终可观测的物理结果(比如概率、能量)也必须完全一样。​​

换句话说,我们相信,宇宙的底层规律是一致的,不依赖于我们在不同地方、不同时间所使用的局部参考系。

这时你就会发现,为了实现「各地时钟随便调,但物理定律不变」,你就​必须引入一个翻译官,它的工作是,当一个电子从北京运动到纽约时,这个协调员必须​​实时且连续的​​告诉这个电子:注意,我们现在正在穿越时空,每个点的时钟基准都不同。为了保持物理定律成立,你的内部振动相位必须根据我的指示进行相应的调整。

是不是想到了什么?没错,它就是杨振宁的规范场。

还记得陈省身的那句话吗?数学不是凭空想象的,它是真实存在的。同样,杨振宁的规范场也不是凭空想象的。

因为有「宇宙是可以被理解的」,就必须保证「全宇宙的底层物理定律都是一致的」。

因为有「全宇宙的底层物理定律都是一致的」,就必须保证「局域规范对称性​​」。

因为有「局域规范对称性​​」,​就必然​​存在一个「额外的场来负责不同参考系之间的协调​​」。

最后我们发现,为了让这个场能成立,宇宙就必须存在「力」,对称性决定了相互作用,这个思想可以说是现代物理学的精髓。​​

这就是杨米尔斯规范场的核心价值,它给我们揭示的真相,在某种程度上,远比波尔的互补原理,海森堡的不确定性原理,薛定谔方程或狄拉克方程更加深刻。

仅此一项工作,杨振宁先生就永垂不朽。

清人
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