物理群星
1954 粒子物理

杨-米尔斯规范场论

Yang–Mills Gauge Theory

把对称性从「记账规则」升级为「定律的源头」——要求对称在时空每一点独立成立,传递相互作用的场便自动诞生。

关键人物: 杨振宁

粒子物理标准模型希格斯机制的舞台千禧年数学难题

当时的困境

1950 年代初,量子电动力学大获成功,核力却仍是一团乱麻:各种介子理论补丁摞补丁,算不出可靠结果。物理学家早已知道,质子和中子在核力面前几乎不分彼此——海森堡称之为同位旋对称——但它只是一条「记账规则」,只说什么守恒,不说力从何来。杨振宁从研究生时代起就被一个念头纠缠:在电磁学里,规范不变性能「生出」电磁场;能否让同位旋对称也如此,让对称性亲手写下核力的方程?

洞见时刻

1953 年夏,杨振宁在布鲁克海文实验室与同办公室的米尔斯把同位旋对称「局域化」:要求时空每一点都能独立选取对称变换。代价立刻显现——必须引入一组新的场,而且它们彼此纠缠、自己与自己作用,方程是非线性的。1954 年 2 月,杨振宁在普林斯顿高等研究院报告,刚写下场的记号,泡利便发问:「这个场的质量是多少?」他答不上来,被一再追问,只好坐回座位,靠奥本海默打圆场才继续讲完。泡利问中了要害:规范对称要求场无质量,核力却是短程的。论文当年 10 月照常发表,随后被冷落了十几年。

涟漪效应

1960 年代,对称性自发破缺与希格斯机制解开了质量死结——规范粒子可以「吃」出质量而不破坏对称;1973 年渐近自由的发现则表明,夸克之间的强作用正是一种杨-米尔斯理论。至此真相大白:标准模型的电磁、弱、强三种相互作用,共用同一套杨-米尔斯语言;2012 年发现的希格斯粒子,正是在这座舞台上登场。「对称支配相互作用」从一篇被当面质疑的论文,变成基础物理的第一设计原则,还与数学中的纤维丛理论殊途同归。

如果没有它

没有杨-米尔斯理论,就没有统一电磁力与弱力的电弱理论,没有描述夸克禁闭的量子色动力学,大型强子对撞机的每一条预言都无从谈起。它同时还是一道未解的数学悬案:严格证明四维杨-米尔斯理论的存在性并解释「质量间隙」,是克雷数学研究所悬赏百万美元的七个千禧年难题之一——物理学家天天使用、屡试不爽的理论,数学家至今无法为它奠定严格的地基。

走近这些人