美女视频免费是黄,宋茜fx跳舞视频

科學(xué)大嘮嗑

張喆

天津市天文學(xué)會會員

天津科技館科普輔導(dǎo)員

讀書會共讀老師

話說1929年，狄拉克到威斯康星大學(xué)訪問，接受了《威斯康星州報》記者的采訪。雖然狄拉克的講話風(fēng)格一貫的含糊其詞和惜字如金，但這位記者充分考慮讀者的期待，他問了狄拉克這樣一個問題：

他們告訴我，您和愛因斯坦是僅有的兩位具有真知灼見的大學(xué)者，并且能夠理解彼此的觀點。我不會直接問您這話是否屬實，因為我知道您為人謙虛，不置可否。但我想知道——您是否曾經(jīng)遇到一個連您都無法理解的人呢？

狄拉克回答：遇到過。

記者又問：我們的讀者以及報社里的人對這太感興趣了。您介不介意告訴我他的名字呢？

狄拉克答道：外爾。

赫爾曼·外爾是一位德國數(shù)學(xué)家，他對對稱性以及使用抽象的“群”來表示對稱變換非常感興趣，外爾也熟知對稱性和物理學(xué)之間的關(guān)系。1915年，他在哥廷根大學(xué)的同事阿馬莉·艾米·諾特確立了一條可以視作所有物理學(xué)基礎(chǔ)的定律。

對于任何守恒的物理量，比如說能量或動量，描述這個物理量行為的物理學(xué)定律在一個或多個連續(xù)對稱變換下是不變的。守恒定律反映了自然內(nèi)在的對稱性。

人們發(fā)現(xiàn)，關(guān)于能量的定律在時間的“平移”面前保持不變，也就是說無論昨天、今天還是明天，這些定律都是一樣的。因此，能量是守恒的。而關(guān)于動量的定律在空間的“平移”下保持不變，也就是說無論是這里還是那里，每個地方的動量都是一樣的。關(guān)于角動量的定律則是在旋轉(zhuǎn)的對稱變換下不變，無論在哪個方向，都保持一致。

外爾在他1928年出版的一本書中，把群論應(yīng)用到了量子力學(xué)上。數(shù)學(xué)家喜歡它的嚴謹和美妙，但在物理學(xué)家的眼中，它使原本就非常難懂的量子理論的數(shù)學(xué)抽象程度變得更高了。泡利甚至跟他起了個外號，稱它為“群瘟”。

1931年，匈牙利物理學(xué)家尤金·魏格納出版了一本關(guān)于量子力學(xué)和原子光譜的小冊子，他在書中曾嘗試讓這個主題更易于理解。薛定諤對魏格納是這樣說的：“這或許是第一個推導(dǎo)出光譜學(xué)根源的方法，但過不了五年，就不會有人用此方法推導(dǎo)了?！?br>

話雖這么說，不過馮·諾依曼的反應(yīng)更樂觀一些，他說：“這些抱殘守缺的老頑固。過不了五年，所有學(xué)生都會學(xué)習(xí)群論，把這當成一個理所當然的事兒。”

群論非常抽象，這點讓很多物理學(xué)家感到不那么舒服，但是它考慮了對稱性，后來它指引著華裔物理學(xué)家楊振寧和美國物理學(xué)家羅伯特·米爾斯邁向量子場論的下一個突破。

前面說到諾特的定律引發(fā)了關(guān)于對稱性的推測。對稱性可以由另一個重要物理屬性——電荷的守恒進行確定。18世紀末以來，人們就公認電荷是守恒的，在物理或化學(xué)反應(yīng)中，它既不能被創(chuàng)造也不能被消滅。

外爾研究不同類型的對稱群的表象理論，這類群稱為“李群”，是以18世紀挪威數(shù)學(xué)家索弗斯·李的名字命名的。李群是一種連續(xù)對稱變換的群，涉及一個或多個參數(shù)的逐漸變化，而不是從一種形式到另一種形式的瞬時轉(zhuǎn)換，就像鏡面反射呈現(xiàn)的那樣。連續(xù)的對稱變換正是諾特定律的基礎(chǔ)。

外爾發(fā)現(xiàn)，這種對稱屬性在某種程度上與電荷守恒相關(guān)。在麥克斯韋經(jīng)典電磁學(xué)的方程組中，電場和磁場存在著緊密關(guān)系，這就使對稱性得以保持，并保證電荷守恒。一個靜電荷產(chǎn)生一個靜電場，但一個移動電荷則可以同時產(chǎn)生一個電場和一個磁場。

外爾又推進了一步。這種對稱性可以是全局的，也可以是局域的。在全局對稱中，對象在時空中每一點都發(fā)生相同變化時保持不變。在局域?qū)ΨQ中，對象在時空中發(fā)生不統(tǒng)一的改變，也就是不同點發(fā)生不同變化時保持不變。

后來證明，電荷守恒與局域?qū)ΨQ變換的不變性有關(guān)。要求對稱為局域?qū)ΨQ，需要電場和磁場的聯(lián)系精確符合麥克斯韋方程組描述的方式?？创@個問題的另一方式是，局域不變性需要一個在發(fā)生變化時能夠“反彈”的場，恢復(fù)局域?qū)ΨQ，并因此使電荷守恒。

量子力學(xué)出現(xiàn)之前，外爾一直在思考這些概念，后來他給這種對稱命名為規(guī)范對稱。他一直思考與時空中點和點之間的距離相關(guān)的對稱性，而且愛因斯坦在廣義相對論方面的研究也給他指明了方向。最初，外爾把不變性歸因于空間本身，但是愛因斯坦指出，如果這個觀點正確的話，那么繞房間旋轉(zhuǎn)的鐘表就無法準確走時。

要想尋找守恒的屬性，首先要解決一個問題。對于一個場來說，相關(guān)的規(guī)范對稱性會是什么呢？1946年，華裔物理學(xué)家楊振寧來到芝加哥大學(xué)，跟隨導(dǎo)師愛德華·泰勒研究核反應(yīng)。1948年，楊振寧獲得博士學(xué)位，又擔(dān)任了一年恩里科·費米的助手。1949年，他轉(zhuǎn)到普林斯頓高等研究所。

在電動力學(xué)中，電荷守恒的基礎(chǔ)是電子波函數(shù)相位的規(guī)范不變性，這一點讓楊振寧印象深刻。在普林斯頓，他開始思考可以用什么方法把規(guī)范不變性原理應(yīng)用到束縛原子核中質(zhì)子和中子的強力上。在他看來，強核相互作用中的守恒量是同位旋。

什么是同位旋呢，同位旋也叫同位素自旋，這一概念來自對質(zhì)子和中子的觀察結(jié)果，兩者的質(zhì)量非常相近。在1932年，中子被發(fā)現(xiàn)的時候，人們很自然地把中子設(shè)想成一種復(fù)合粒子，它包括一個質(zhì)子和一個電子，電子附著在質(zhì)子上。這時的人們已經(jīng)知道β放射性衰變會讓高速電子直接從核中射出，在這一過程中將中子變?yōu)橘|(zhì)子。這點似乎表明，在β衰變中，復(fù)合中子有種要拋出電子的意思。

海森伯傾向于把中子看成一種基本粒子，然而，在建立原子核中質(zhì)子―中子相互作用的早期理論的時候，他還是采用了“中子為質(zhì)子加電子”的想法。但是海森伯進一步明確質(zhì)子和中子間的電荷交換涉及一個自旋的變化，帶有一個方向自旋（自旋向下）的不帶電荷的中子會和帶有相反方向自旋（自旋向上）的帶正電荷的質(zhì)子發(fā)生電荷交換。那么，一個中子轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€質(zhì)子就等同于中子自旋的“翻轉(zhuǎn)”。

然而，就像核相互作用的理論一樣，四年后，它的缺點就在實驗中暴露出來。電子交換模型不允許任何形式的“質(zhì)子―質(zhì)子”相互作用，于是海森伯假定質(zhì)子之間不存在強相互作用。相反，實驗證明，質(zhì)子之間的相互作用力與質(zhì)子和中子之間的相互作用力不相上下。

即便這個理論存在缺陷，海森伯的電子交換模型也反映了一部分實驗中的事實。雖然放棄了電子交換，但同位旋對稱性的概念保留了下來。至于強力，質(zhì)子和中子相當于一個硬幣的兩面，或者同一個粒子的兩種狀態(tài)，它們之間唯一的差別就是同位旋。

在探尋能夠保持同位旋對稱性的量子場論的過程中，楊振寧也沒有什么進展。1953年夏，他到位于紐約長島的布魯克黑文國家實驗室訪問，在那兒，他與年輕的美國物理學(xué)家羅伯特·米爾斯共用一間辦公室。楊振寧的癡迷逐漸吸引了米爾斯，后來兩個人合作研究強相互作用的量子場論。夏末之際，他們研究出了一種解法。然而，這種解法卻得出了某種非物理的結(jié)果。

隨后，楊振寧和米爾斯用到了對稱群，就是包含兩個復(fù)變量的群。由此得出的場論令人滿意地保持了同位旋對稱性，同時引入了一個新的場，類似于量子電動力學(xué)中的電磁場，他們將其命名為B場。這個理論還預(yù)言了三個新的場粒子，負責(zé)攜帶核中質(zhì)子和中子之間的強力，類似于量子電動力學(xué)中的光子發(fā)揮的作用。

之所以需要三個粒子，是因為相互作用的復(fù)雜性越來越大。在這三個場粒子中，有兩個需要帶電荷，用來解釋“質(zhì)子―中子”和“中子―質(zhì)子”相互作用產(chǎn)生的電荷的變化。楊振寧和米爾斯把這兩個粒子用B+和B-表示。第三個粒子是中性的，就像光子，用來解釋“質(zhì)子―質(zhì)子”和“中子―中子”之間的相互作用，其中并沒有電荷的變化。這第三個粒子用B0表示。他們發(fā)現(xiàn)，這些場粒子不僅與質(zhì)子和中子相互作用，而且彼此之間也會相互作用。

這里就帶來了問題。重整化方法在量子電動力學(xué)中雖然應(yīng)用得非常成功，卻無法應(yīng)用到楊―米爾斯場論中。更糟糕的是，微擾展開式中的零階項表明，場粒子應(yīng)該沒有質(zhì)量，就像光子一樣。但這樣就自相矛盾了。

1935年，日本物理學(xué)家湯川秀樹提出，短程力的場粒子應(yīng)該很重，他認為，受限于短程內(nèi)的虛粒子應(yīng)該壽命很短，而根據(jù)能量―時間不確定性關(guān)系，壽命很短意味著質(zhì)量很大。無質(zhì)量的場粒子解釋強力是說不通的。