杨－米尔斯规范场论简介

·物理学家和物理学史· 杨振宁与杨2米尔斯场理论 吴晓薇　　　　　　　　　郭子政 (内蒙古农业大学基础部物理教研室, 呼和浩特　010018)　 (内蒙古师范大学物理系, 呼和浩特　010022) 　　杨振宁教授在中国是家喻户晓的世界著名科学 家, 他和李政道教授合作在 1956 年发现了弱相互作用 中宇称不守恒, 次年这项发现就获得了诺贝尔物理学 奖, 这是诺贝尔奖历史上从发现到获奖时间最短的一 次. 杨振宁教授在理论物理方面建树颇多, 宇称不守恒 理论只是其中之一, 他的另一项杰作是杨2米尔斯场理 论. 对于这一理论业外人士可能知道不多, 其实这一理 论的重要意义一点也不亚于他和李政道教授发现的宇 称不守恒, 因此美国政府在 1994 年授予杨振宁教授鲍 尔奖, 这是全美奖金最高的一项科学奖, 除了 25 万美 元的奖金外, 还有一枚 2. 5 尺高的金质奖牌. 1994 年国内最先报道杨振宁教授获得鲍尔奖的 媒体是《参考消息》, 但是译者把杨- 米尔斯场理论误 译作“杨氏磨房理论”, 闹出个不小的笑话来. 后来杨振 宁教授专门在电视里对此作了解释. 杨振宁教授谦虚 地称米尔斯 (R. L. M ills) 为同事和合作者, 实际上, 在 发现这一理论时米尔斯还是杨振宁教授的学生. 我们知道, 自然界存在四种力: 引力、弱相互作用、 强相互作用和电磁相互作用. 每一种力都应该能被描 述成一种场的形式. 为了深刻理解每一种力的本质, 我 们必须建立描述该种力的场方程. 寻求自然力的场方 程是理论物理工作的一个重要方面. 19 世纪 60 年代 麦克斯韦建立了电磁场方程, 1915 年爱因斯坦发现了 引力的场方程. 20 世纪 70 年代, 利用杨振宁和米尔斯 的早期工作, 描述亚原子力的场方程终于被建立, 这个 场就被称做杨- 米尔斯场. 一个场理论的建立必须解 决以下问题: 第一, 给出场方程; 第二, 解决场的检测问 题, 例如电磁场、引力场可以直接检测, 如果场不能直 接检测, 那么它必须可以量子化, 从而检测它的量子, 电磁场的量子即光子; 第三, 场方程必须是可以重整化 的, 这也是正确的场理论的判据之一. 过去有段时间气 功和特异功能很热门, 曾有人提出气功师对作用对象 的作用是通过气场进行的, 气场可以解释许多气功和 特异功能现象. 但物理学家对这种说法马上提出质疑: 既然存在气场, 那么气场的场方程是什么?气场的场量 子又是什么?如果这两个问题不能回答, 所谓气场就是 子虚乌有. 核子间的作用是弱相互作用和强相互作用, 简称 弱力和强力, 那么弱力、强力通过什么场作用, 它的场 量子又是什么? 这就是杨- 米尔斯场理论所要回答的 问题. 杨- 米尔斯场理论是麦克斯韦场的直接推广. 杨 振宁和米尔斯认为可以通过与麦克斯韦场的类比讨论 核子间的媒介场. 电动力学的规范不变性与电荷守恒 有关, 那么核力的同位旋守恒是否意味着强相互作用 也能用规范不变性理论描述呢? 他们遇到的最大困难 就是规范场强与规范势的关系. 如果按照电磁场的关 系加以简单推广, 则规范不变性难以保证. 最后考虑到 场的非阿贝尔性即非交换性的特点加以推广才得以成 功. 所以杨- 米尔斯场又叫非阿贝尔规范场, 或非交换 规范场, 用群论的语言叫 SU (2) 场, 而杨振宁和米尔 斯当时称这种场为“B 场”. 对于弱相互作用“B 场”的 场量子是W 粒子和 Z 粒子, 而对于强相互作用“B 场” 的场量子为胶子. 杨 - 米尔斯场为 1967 年温伯格 (Steven W einberg) 和萨拉姆 (A bdus Salam ) 等人建立 弱力和电磁相互作用的统一描述理论打下了基础, 而 温伯格和萨拉姆等人也由于弱电统一理论获得了 1979 年的诺贝尔奖. 杨- 米尔斯场理论发表于 1954 年, 比杨振宁和李 政道发现弱相互作用中宇称不守恒还要早二年. 由于 宇称不守恒的理论预见马上被吴健雄教授的实验组证 实, 这个发现迅速得到物理学界的承认并马上获得诺 贝尔奖. 而杨- 米尔斯场理论的重要性在当时并没有 引起广泛重视, 主要原因是杨- 米尔斯场在计算中过 于复杂, 以至很少有人敢于问津, 而且杨- 米尔斯场在 应用时遇到一些困难, 例如场量子的质量问题和场的 重整化问题. 前一个问题在 1967 年由温伯格和萨拉姆 在建立弱电统一理论时巧妙解决, 后一个问题直到 20 年后, 即 1971 年, 才由荷兰一位很年青的研究生霍夫 特 (Gerard’t Hooft) 解决. 霍夫特证明弱电统一理论确 能重整化, 杨- 米尔斯场是一种明确界定的粒子相互 作用理论. 这个霍夫特和他的老师费尔特曼 (M art inus V eltm an)于 1999 年也获得了诺贝尔物理学奖. 从 20 世纪 70 年代中期开始, 杨- 米尔斯场被应 用于强相互作用. 这时人们认识到, 所有核物质的奥妙 —53— 第 22 卷第 3 期 2001 年 　　　　　　　　　　　 物　理　教　师 PH YS ICS T EA CH ER 　　　　　　　　　　　 V o l. 22 N o. 3 (2001) 喷墨瓶简谐运动图像描绘仪 辛贵 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf (沧州师范学校, 河北沧州　061001) 我制作了“喷墨瓶简谐运动图像描绘仪”, 效果比 较理想, 愿意介绍给大家. 1　装置描述与制作 图 1　　　　　　　　图 2 装置如图 1 所示. 图中: (1) 底板 110 cm ×35 cm. (2) 尼龙吊线. (3) 纸带, 110 cm ×25 cm , 宜用宣纸、图 画纸等表面不光滑易吸水的纸. (4) 横梁. (5) 定滑轮. (6)绕线轴. (7)喷墨瓶, 100 mL 左右的塑料小药瓶. 瓶 盖中心打孔, 用 914 胶固定一个 6 号注射针头, 可将针 头管截去一段, 只剩下 1 cm 即可. 用 914 胶把瓶盖密 封固定在瓶口上. 瓶底中心打孔, 密封固定自行车气 门. 用白铁片给小瓶作个挂弹簧和吊线的腰带. (8)弹 簧. 劲度系数较小的拉伸软弹簧, 使振子周期不小于 1 s. (9)海绵挡板. 在底板下部开一个 30 cm ×6 cm 的缺 口, 用海绵块挡在缺口后面. 海绵块下面放一个用白铁 片作的浅水槽 (图 1 中没画出). 海绵是为了吸收纸带 提升前小瓶喷出的淡墨水, 浅水槽是为了承接海绵流 出的淡墨水, 以防墨水飞溅、乱流污染他物. (10) 卷纸 筒. (11)送纸狭缝. (12)纸带夹. (13)底座. 2　操作与现象 把纸带卷在卷纸筒上. 调节针头距底板约 1. 5 cm , 对纸带提升无障碍. 从气门向瓶内注入 2ö3 容积 淡墨水. 向瓶内充气, 不要太足, 否则由于喷水量大, 纸 带上会出现流痕. 如果充气过量, 可将小瓶针头向上竖 置放掉一部分气. 使振子 (小瓶)振动起来, 待振动稳定 后, 匀速摇动绕线轴, 纸带从送纸狭缝送出, 紧贴底板 匀速上升. 依靠纸带与送纸狭缝间的摩擦力使纸带张 紧、展平. 针头喷出的淡墨水就在纸带上“画”出一条正 弦曲线. 如果找不到合适的弹簧, 也可以用双线单摆来作, 如图 2, 效果也很好. 只需将针头弯成直角即可. 摆角 一定要不大于 5°. 由于充气不足, 针头很细, 在纸带上升的 2 s～ 3 s 时间内, 喷出的水不多, 振子和摆球 (小瓶)质量变化不 大, 能保持等幅振动. 振子和摆球 (小瓶) 质量减小, 有 使振幅增大的趋势; 克服阻力损失能量, 有使振幅减小 的趋势. 两种趋势相反, 能较好保持等幅. 相比而言, 比沙漏摆和毛笔头法效果要好.“画”出 的图像清晰、整洁、规则. 结构简单, 制作容易, 竖直展 示, 可见度大, 能让学生直观描绘过程, 也是突出优点. (收稿日期: 2000210215) 都能用杨- 米尔斯场来揭开. 但是引力场、电磁场和杨 - 米尔斯场差异甚大, 能否用一个方程来统一描述这 三种场?或者说自然界的四种力能否统一成一种力?这 是几代物理学家梦寐以求的目标. 爱因斯坦为这一目 标付出了他生命的最后 30 年, 但未能如愿. 自然力能 否统一, 如何统一现在仍是一个未解之谜. 杨- 米尔斯场理论从 1954 年建立到 1994 年得鲍 尔奖, 历时 40 年. 40 年来这一理论的深刻意义和重要 影响逐渐得到世界物理学界的广泛认同. 有人认为杨 振宁教授这一理论足以和牛顿的万有引力、麦克斯韦 的电磁场方程和爱因斯坦的相对论相媲美, 1994 年以 前就有许多人呼吁再次授予杨振宁教授诺贝尔奖. 除 了宇称不守恒和杨- 米尔斯场理论外, 杨振宁教授对 物理学的另一个重要贡献是杨- 巴克斯特 (Yang- Bx ter) 方程, 这是统计物理可解模型研究方面的一个 重要内容. 目前杨- 米尔斯场理论和杨- 巴克斯特方 程都仍然是理论物理的热门领域, 吸引了众多的物理 学精英, 相信今后一定会有更大的突破. 　　参考文献 1　加来道雄著. 超越时空. 上海: 上海科技教育出版社, 1999. 138- 145. 2　新华通讯社. 杨振宁教授荣获鲍尔奖. 参考消息, 1994 年 11 月 25 日. 第 2 版. 3　张礼主编. 近代物理学进展. 北京: 清华大学出版社, 1997. 303- 313. (收稿日期: 2000206215) —63— V o l. 22 N o. 3 (2001) 　　　　　　　　　　　 物　理　教　师 PH YS ICS T EA CH ER 　　　　　　　　　　　　　 第 22 卷第 3 期 2001 年