此外 , 空间平移对称性和空间旋转对称性分别对应动量守恒、角动量守恒 , 这里便不再仔细叙述 。 总之 , 物理学家们认为这种对称性应该存在于整个宇宙中 , 不过有一个问题在于 , 镜面世界是否也遵循这种原则?换句话说 , 这种对称性是否在镜像中存在?
镜面世界的对称
在牛顿的运动定律中 , 整个物理研究基本上都严格遵循这个对称不变性 。 因此 , 当时大部分科学家都认为四种基本相互作用里 , 同样也遵循这样的定理 。 但是电磁力、引力、强力都在后来的研究中证实了 , 而关于弱力的实验和研究少之又少 。
四种基本力
宇称不守恒由于宇称守恒给许多物理学家带来了新的研究 , 物理学中的体系也在不断地被丰富 , 尽管有些物理过程看起来并不是那么遵循这种守恒定律 , 但是众多科学家并没有怀疑这种理论的正确性 。 怀疑这种对称性原理的科学家并不多 , 杨振宁算一个 , β衰变的研究让杨振宁和李政道两人开始重新看待起宇称守恒的问题 。
物理学家杨振宁
为了解释这种守恒是否存在于β衰变中 , 随后两人设计了几种实验来证明这种理论不存在于β衰变中 , 并接着发表了“宇称不守恒”的论文 。
但经过前文的介绍 , 想必大家也明白 , 这样的论文想要得到支持有多难 , 更别说像费曼、泡利这样的物理大师还曾严厉批评过这些相关的实验 。 不过这时出现了一名真正敢于尝试的人物 , 同时也是极力支持杨振宁和李政道研究的人——吴健雄 。
吴健雄是美国物理学会(APS)历史上第一位女性会长
吴健雄的钴元素放射实验中的β衰变证明了宇称守恒在弱相互作用下并没像定律展示的那样 , 宇称守恒就此被打破 。 实验和论文完成的第二年 , 杨振宁和李政道两人就获得了诺贝尔奖 。 不过这并不是说诺特定律就是错的或是有问题 , 它并不完全适用整个物理世界 , 强弱相互作用不一定遵循这种对称性 , 诺特定理还是有它自身发挥的地方 。
杨振宁的诺贝尔奖章(现藏于香港中文大学)
物理界在迎来一次大变化后 , 新的融合即将出现 , 这就是杨-米尔斯理论 , 也被称作“非阿贝尔规范场论” 。
这里需要指明一点 , 也是需要强调的一点 , 每一个相互作用力对应一个场 , 例如电磁作用对应电磁场 , 引力相互对应引力场 。 宇称不守恒在被发现之前 , 电磁理论的研究也得到了进一步的解释 。 外尔在电磁的研究中发现 , 电荷守恒是由规范不变性出现 , 但规范不变性如果是在局域对称中 , 就必须包含电磁场 。
外尔
这两种规范变换解释了电磁理论 , 这样的变换过程的推导是否能够应用在其他相互作用力上?外尔的研究吸引了杨振宁 , 既然相互作用有自身应对的变换和特有物理属性 , 那么其他作用力应该也会有 , 弱力会不会也像这样?
统一公式“群论”是描述对称性的数学语言 , 之前关于电磁场研究的对应变换正是利用了群论中“酉群” , 可以简单的把它理解成一种变换公式结果不变 。 由于强弱作用并没有像电磁场变换公式这样 , 可以直接推导利用群论 , 因此寻找一种群论公式是解开问题的关键所在 。
走出迷宫就靠群论啦
杨振宁在后来的推导中 , 和米尔斯一起完成了关于海森堡的同位旋守恒 , 以及同位旋规范不变性的研究 。 阿尔贝群在电磁场中的局域规范对称得到了推广 , 并在此研究中推导制定出了一个框架 , 这便是杨-米尔斯理论 。
杨振宁和米尔斯
该框架下确定了对称决定相互作用 , 只需要选择一个对称性便能在“群”中被确定 。 这颠覆了物理界以往的研究方法 , 过去人们是先确定一种现象 , 再从中去解释 。 而现在 , 可以直接先假设 , 再去解释 。
到了后来 , 夸克模型的建立进一步利用到了这种公式 , 成功描述了强力相互作用下的量子色动力学的核心 。 并且到后来的量子色动力学中 , 杨-米尔斯给出的数学框架解释了强力、弱力的问题 。 “希格斯机制”的出现为整个理论框架完成了最后的建设 , 就此 , 人们利用该定理解释了强力、弱力、电磁力 。
希格斯粒子发现
【诺贝尔奖都难以衡量其贡献,杨振宁的杨-米尔斯理论,有多厉害?】并且在现代的量子物理中 , 这套理论框架还为不少理论做出了贡献 , 可以说这是现代物理学的一块基石 , 没有它的出现 , 现代物理不可能发展如此迅速 。 尽管这只是一个数学体系 , 并不是什么实际的理论 , 但是只要利用该公式和相应的框架 , 就可以对未来的发现(例如基本粒子)进行预测 。
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