杨振宁的规范场论讲了什么东西？

规范场论提出的背景

1916年，爱因斯坦创立广义相对论之后，便一直专心致志想要完成物理学的大一统，因为在广义相对论中引力场被描述为时空的弯曲，再加上当时知道的基本相互作用只有引力作用和电磁作用，所以他的目标是统一引力和电磁力这宇宙两大力。

在获得诺贝尔奖之后，爱因斯坦就曾说过“两种场（指引力场和电磁场）互相独立的存在不能令寻求统一的心灵满意”“我们寻找数学上的统一场论，其中引力场与电磁长只是同一个场的不同分量。”

他在1929 年发表了《关于统一场论》的新论文，这篇论文试图在时空流形除了具有黎曼度规外还具有绝对平行性的条件下去获得引力和电磁力的统一理论。当时爱因斯坦自己对这篇论文颇为自豪,他在

1929 年 1 月 5 日曾写信给他的挚友 M.贝索，认为引力与电磁作用的统一工作已经大功告成。然而情况并没有如爱因斯坦预料一般，引力与电磁力的统一并没有取得实质性的进展。后来，爱因斯坦转向从卡鲁查-克莱因理论入手，但是都没有成功。

爱因斯坦花费30年的时间在统一引力和电磁力上，最终却都以失败告终。如果这三十年时间，爱因斯坦将精力花费在其他研究之上，那么对于物理学界的推动将会是多少巨大。

爱因斯坦之所以会失败，是因为但爱因斯坦那个时候，强力、弱力的概念还没有完善，弱相互作用在

30

年代才有费米理论提出，把弱相互作用看作是一种参与作用的四个粒子(如中子衰变中的中子、质子、电子和中微子)之间的点相互作用，而且当时对于弱相互作用的概念还十分模糊。到了70年代，强相互作用的概念才被正式提出。

所以因为时代的关系，爱因斯坦最终没有完成这个目标。

到了

50

年代，杨振宁却没有执着于引力和电磁力的统一，而是想从弱相互作用和电磁力入手，他们把电磁作用是由定域规范不变性所决定的观念，推广到不可对易的定域对称群。揭示出规范不变性可能是电磁作用和其他作用的共同本质，从而开辟了用规范原理来统一各种相互作用的新途径。由此提出了杨·米尔斯理论，构成了现代规范场理论的基础。

规范场论究竟是什么？

什么叫场论呢？

场论的概念起源于麦克斯韦的电磁场理论，麦克斯韦电磁场理论的核心概念是“场”，在某种空间区域，其中具有一定性质的物体能对与之不相接触的类似物体施加一种力，这就是“场”。那么一个带电物体对其他带电物体施加一种力(吸引力或排斥力，取决于极性)。磁体周围有磁场。

因为受宏观场存在形式的影响（不涉及分子、原子、电子等内部结构或机制，麦克斯韦的时代物理研究还没有深入微观领域）麦克斯韦电磁场理论对场的认识还是模糊的，停留在“以场论场”阶段，电力线和磁力线所描述的只是电场和磁场的宏观性质，并没有阐明场的性质和起源。

后来物理学家将它放在微观领域之中，当一个电荷移动时，另一个电荷并不会立刻感应到。第一个电荷会感应到一个反作用力，并获得动量，但第二个电荷则没有感应，直到第一个电荷移动的影响以光速传递到第二个电荷那里，并给予其动量之后。那在第二个电荷移动前，动量就藏在场中。那么就这样就解释了电磁场的存在。场的概念成为整个现代物理的范式。而杨振宁的规范场论简单的说，如果在任何时空点，我们容许相位变换是遵循对称性的变换，那这些无数不同时空点的相位变换必须联系在一起，这工作必须有场来执行，这便是所谓的规范场。它是基于对称变换可以局部也可以全局地施行这一思想的一类物理理论。

后来美国科学家格拉肖最早提出用规范场的方法，将电磁作用与弱作用统一到一个数学框架中，1968年温伯格、萨拉姆在格拉肖电弱统一模型的基础上建立了电弱统一的完善理论，后来，格拉肖在电弱统一理论的基础上，将量子电动力学、量子色动力学、费米点作用理论结合统一成描述弱、电、强三种相互作用的大一统理论。人们还将规范场论延展，成功为电磁作用、弱相互作用和强相互作用及组成所有物质的基本粒子提供了一个统一的数学形式化架构——标准模型。这套理论精确地表述了自然界的三种基本力的实验预测，它是一个规范群为SU(3)

× SU(2) × U(1)的规范场论。

以杨·米尔斯理论为基础的规范场论可以说是20世纪后半叶最伟大的物理成绩之一，其成功为量子电动力学、弱相互作用和强相互作用提供了一个统一的数学形式化架构——标准模型，而标准模型准确地预言了在世界各地实验室中观察到的事实，其应用已经深入在物理学的其他分支中，诸如统计物理、凝聚态物理和非线性系统等等。

但是杨·米尔斯理论也并非没有缺陷，因为规范理论中的传播子都是没有质量的，否则便不能保持规范不变。电磁规范场的作用传播子是光子，光子没有质量。但是，强相互作用不同于电磁力，引力和电磁力都属于长程力,强弱相互作用都是短程力，短程力的传播粒子一定有质量，杨-米尔斯理论的量子必须质量为零以维持规范不变性。如果其作用粒子质量为零,则其作用是长程作用力。然而实验上没有观察到长程力的的作用。

后来希格斯尝试修补，希格斯机制是一种生成质量的机制，能够使基本粒子获得质量。为什么费米子、W玻色子、Z玻色子具有质量，而光子、胶子的质量为零？希格斯机制可以解释这问题。希格斯机制应用自发对称性破缺来赋予规范玻色子质量。

在所有可以赋予规范玻色子质量，而同时又遵守规范理论的可能机制中，这是最简单的机制。根据希格斯机制，希格斯场遍布于宇宙，有些基本粒子因为与希格斯场之间相互作用而获得质量。

希格斯机制

然而杨—米尔斯理论还是没有变得完美，还是存在着缺陷，特别是，被大多数物理学家所确认、并且在他们的对于“夸克”的不可见性的解释中应用的“质量缺口”假设，从来没有得到一个数学上令人满意的证实。该假设提供了电子为什么有质量的一种解释。质量缺口假设的完全解决将提供严格的理论证明，也将阐明物理学家尚未完全理解的自然界的基本方面。此前物理学家只能观察到电子有质量，却无法解释电子的质量从何而来。在这一问题上的进展需要在物理上和数学上两方面引进根本上的新观念。

五夸克粒子

杨-米尔斯存在性和质量缺口是世界七大难题之一，该问题的正式表述是：证明对任何紧的、单的规范群，四维欧几里得空间中的杨米尔斯方程组有一个预言存在质量缺口的解。

如果杨·米尔斯理论存在的缺陷可以得到完美解决，那么规范场论也将变得完美。科学家认为如果杨·米尔斯存在性和质量缺口解决，将有可能解开微观粒子世界物理学家们尚未了解的奥秘，将引力纳入基本模型之中。

杨振宁的规范场论为量子力学的学科，是基于对称变换可以局部也可以全局地施行这一思想的一类物理理论。非交换对称群（又称非阿贝尔群）的规范场论最常见的例子为杨-米尔斯理论。物理系统往往用在某种变换下不变的拉格朗日量表述，当变换在每一时空点同时施行，它们有全局对称性。规范场论推广了这一思想，它要求拉格朗日量必须也有局部对称性—应该可以在时空的特定区域施行这些对称变换而不影响到另外一个区域。这个要求是广义相对论的等效原理的一个推广。

 首先想到的是宇称不守恒定律和他和李政道几十年的争执，更令人以为杨的最大成就在于此, 事实上，宇称不守恒定律，固然是物理学一个重要成就，但真正令他成为伟大的物理学家是另一巨着 ― 规范场论，杨振宁先生最重要的贡献是规范场论，他是牛顿、爱因斯坦这样级别的科学家，我曾和另一位诺贝尔奖得奖者丁肇中教授谈论过，杨在物理学上的成就，我请教丁肇中诺贝尔奖自

1901年至今一百多年，物理学得奖者也有百馀人，当然水平高低不同，杨的规范塲论可排在什麽位置，丁肇中说应排在最前几名，又问如从三百年前牛顿开始，他排在什麽位置，丁答覆：也排在很前的位置。不仅在私下谈话中，杨70寿辰，在美国的一个祝寿会上，丁肇中接受邀请发言，丁说杨振宁是20世纪伟大科学家之一, 当人们回顾20世纪物理发展主要里程碑时马上就想到，尽管如此，他们的既描述重粒子、又在数学上严格的方程没有已知的解。特别是，被大多数物理学家所确认、并且在他们的对于“夸克”的不可见性的解释中应用的“质量缺口”假设。

 从来没有得到一个数学上令人满意的证实。在这一问题上的进展需要在物理上和数学上两方面引进根本上的新观念。中最为杰出者之一，而且他已95岁高龄，他的这次报告实为天文台学术演讲上空前之盛事。由于想来参加的人非常多而场地有限。

规范场论为量子力学的学科，是基于对称变换可以局部也可以全局地施行这一思想的一类物理理论。非交换对称群（又称非阿贝尔群）的规范场论最常见的例子为杨-米尔斯理论。物理系统往往用在某种变换下不变的拉格朗日量表述，当变换在每一时空点同时施行，它们有全局对称性。

规范场论推广了这一思想，它要求拉格朗日量必须也有局部对称性—应该可以在时空的特定区域施行这些对称变换而不影响到另外一个区域，这个要求是广义相对论的等效原理的一个推广。

扩展资料：

“规范场论”的意义

“规范场论”建立微观粒子的标准模型，大部分人对物理的认知到了“夸克”就基本终结，教科书上对“夸克”也语焉不详，又不是高考的必考知识，在“一考定终身”的功利性引导之下，没有几个人意识到这个小角落里隐藏着一个深邃无比的物理世界。

而统治这个世界的，正是“规范场论”，它的目标是建立一个完美的粒子标准模型，这比当年玻尔在“量子世界”建立自己的原子标准模型要难得多。也就是说，我们肉眼凡胎看不见的60多种创世粒子（姑且这样定义，比电子还低一个层级）。

不管你怎样闪躲腾挪，都在我这个标准模型下运转。也就像宏观世界的牛顿三大定律，不管人类深入地底还是进军火星，你必须遵守牛顿定下的规则。“规范场论”是高能物理，源于人类对原子核认识的需要，是人类对原子核的认知的一个理论，它要定义整个微观世界。

现代物理已经论证原子核由质子和中子组成，一些放射性衰变原子核会放射出电子。但要继续往下研究，了解原子核里面的结构，必须弄清楚质子、中子和电子的相互作用。这属于微观世界中的针尖之地，人类只有通过大型对撞机才能去发现规律。

现代粒子对撞试验和理论发展，主流物理学家已经达成共识，质子由两个上夸克和一个下夸克组成，中子由两个下夸克和一个上夸克组成，而这些夸克的特性又有不同颜色。然而，构建夸克理论用的对称性，必须假设有六个夸克，其它夸克组合成许多其它粒子。

这些数量众多的粒子陆续被宇宙射线观测证实，或是被大型碰撞机发现证实。除了夸克组成的强子，还有轻子，轻子的数目几乎和强子数量差不多，这些亚核粒子相互作用力又需要相应的交换粒子来解释。

为了认识质子、中子和电子这三种粒子的本质，高能物理的标准理论已经发现了60多个粒子。从轻子、夸克、希格斯粒子的交互作用来看，“规范场论”是描述亚原子世界的最成功的物理框架。

不论在计算能力还是在概念覆盖范围上都是无以伦比的， 目前没有从标准模型中推导不出的已知实验。也就是说，如果没有特别变态的粒子出现，“规范场论”就是粒子物理的基石，相当于微观世界的“牛顿三大定律”，这是了不起的伟大成就。

参考资料来源：百度百科-规范场论

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