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？

现代物理学的发展不过百年的时间，不断延伸出去的分支理论进一步丰富了整个物理体系。

不过今天许多令人熟知的一些理论概念，在过去却有着非常曲折的发展历史，其中以量子物理的发展最为坎坷，这是为什么？

一起走进物理的世界

因为在当时的物理研究中，许多关键的研究和概念 并不被科学家认可，像费曼、爱因斯坦、泡利这样的物理学大师虽然都有接触过量子物理。

但这其中缺乏一种统一的理论可以对世界进行阐述，并且相关的实验也非常少。

随着宇称不守恒的发现，到后来的杨-米尔斯理论的发展，物理学中的许多问题才得到统一，并最终演化分支出今天众多且复杂的物理研究。

现代物理也是诸多人的心血所成

究竟什么是宇称不守恒？当年物理界争议的问题到底是什么？物理学是如何走向统一的？被苦心钻研出的杨-米尔斯理论又是什么？

本文接下来将从现代规范场论、粒子物理标准、杨-米尔斯理论来解答这些问题，一起来看看连诺贝尔奖都难以衡量的贡献，杨振宁教授的杨-米尔斯理论到底有多厉害？

四种相互作用带来的困扰

20世纪初，当科学家们还在为电磁问题争得不可开交时，爱因斯坦已经着手准备自己的电磁方程组研究了。

著名物理学家爱因斯坦

尽管麦克斯韦方程揭示了电磁作用，但在引力系统中还是存在一些未知问题。

牛顿的稳定时空概念已经无法很好地解释宇宙中的一些现象，时间与空间的关系需要用一个新的解决方案去完成。

爱因斯坦的相对论给物理界带来了新的曙光，人们在相对论的框架下重新认识到了时间与空间的关系。

同时，世界中的几大基本作用力也在后面有了清晰的认识。

电磁相互作用、强相互、弱相互、引力相互，前三者科学家经过多次研究，基本已经明白了这之间的运作原理，但是引力的相互作用还是没有弄明白。

爱因斯坦的广义相对论

即便是爱因斯坦本人，最终到他去世也没有完全明白引力相互作用，不过他提出的广义相对论算是做了一个基本的开端。

从爱因斯坦所处的这个时代开始，物理学家们就一直想要寻找一种完美的统一方案，这个方案可以把这四种基本相互作用进行统一，可以用来解释整个世界，也就是后来人们谈论的“大一统”定律。

大统一理论,简称GUT,又称为万物之理

想要统一整合这些问题非常困难，这时的物理研究还有一些固执的观点并没有被打破。

从历史发展来看，正是过去一些条条框框的束缚，让不少科学家没有踏出这关键性的一步，“宇称守恒性”正是那一个大框架。

牛顿给出的物理框架下，让后续的科学家发现了物理学中的连续对称性和守恒定律相对应，这个概念的创造人物就是诺特，在后来被称作“诺特定理”。

诺特还被称为“现代数学之母”

诺特定理解释了能量守恒的对称性，即时间平移不变性、空间平移对称、空间旋转对称。这里给大家选取一个较为容易理解的一个特性，时间平移不变性。

也就是说，今天的实验和明天的实验中，两个相同的实验并不会因为时间上的变化，而出现物理定律的不同。

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

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。

可以说这样的研究发现即使是诺贝尔奖也很难为其衡量贡献，但值得一提的是，该研究除了杨振宁教授外，还有他的研究生助手米尔斯同样也是该理论的贡献者，并且还有众多物理学家为其添砖加瓦，最终糅合各家所长完成的一个统一定论。

一步一个脚印

正是有了他们这样敢于质疑同时代理论的学者，科学研究才能够不断更新变化，物理研究才走向今天。