通俗介绍杨振宁最伟大的成就——规范场论

昨天惊闻杨振宁教授溘然仙逝，首先表示深切地哀悼。网上介绍他生平和成就的文章很多，我就不多说了。本文仅选取杨先生最重要的成就—规范场论，向各位观众作个简单介绍，希望大家能对理论物理及自然科学产生更多的兴趣。本人为纯业余瓜众，没有物理专业背景，其中谬漏之处难免，请方家指正。

杨振宁公认最重要的成就，不是他获得诺贝尔奖的成果——与李政道共同提出的宇称不守恒定律，也不是小他54岁的翁帆（翁帆只是上帝送他的最后一件礼物——杨振宁语录），而是杨米尔斯规范场论。

1.规范场论是干吗的，有啥用处

简单地说，规范场论属于粒子物理学，是粒子物理学中的核心理论。物理学家们经过多年的折腾和天文数字的投入（一台大型电子对撞机造价几百亿元甚至上千亿元，美国还曾经因为中途没钱而烂尾），建立了一个包含62种基本粒子的标准模型。这些基本粒子又分四类：

a)夸克，共36种；

b)轻子，共12种（电子属这类）；

c)规范玻色子，共13种（光子属这类）；

d)希格斯玻色子，比较另类，就1种，也叫上帝粒子，2012年才发现。

理论物理学家的常规工作是提出数学模型，推演一通，预测一些物理现象，再让实验物理学家去验证。最著名的一个例子是，爱因斯坦最开始提出广义相对论时还有好多人不信，后来通过日全食观测到太阳引力场对恒星光线的偏折作用，跟广义相对论计算出来的结果一样，杠精们才心服口服。科学理论能够预测事实才有威望，江湖也如是，好多网红动不动就预测时政，号称猜错了就裸奔或者吃翔。

规范场论也是如此，它描述的粒子行为能够用实验验证，还能根据这个框架发现一些新粒子。目前拥有电子对撞机的只有中美欧日寥寥几国，不但造价奇高而且耗电巨大，谁的钱都不是大风刮来的，没用的理论它们不会天天拿对撞机实验费电玩。

图为瑞士大型强子对撞机LHC

2.“规范”二字是什么意思

可以理解为字面意思，粒子需要遵循哪些规范，也就是造物主给粒子立下的规矩。

我们知道，自然界中只有四种基本力，引力、电磁力、强相互作用力、弱相互作用力。力的作用表面上看不见摸不着，两个物体之间发力似乎像气功大师那样在“隔山打牛”，但物理学家发现了一些媒介粒子，揭示这些力是由媒介粒子传递的（这些媒介粒子都属玻色子）。比如，强力通过胶子传递，电磁力通过光子传递，这就好像是，气功大师不是气功大师，他只是一个魔术大师，手里拿了一条观众看不见的透明流星锤（玻色子）去打牛，使的是障眼法。

即便是障眼法，粒子们仍然需要遵守物理规律，因为“普天之下，莫非王土”，宇宙是上帝的地盘，大若星辰小若尘埃都要服从上帝的意志。粒子之间的相互作用需要遵从的规律，叫做规范对称性。

规范对称性可以理解为“在某种变换下保持的不变性”。比如，一个人把现金存入银行账户，纸币变成了账户上的数字，但金额是不变的。再比如，孙悟空变成土地庙，尾巴去不掉，只好变成旗杆。不管形式如何，你还是你，万物总有界定自己是自己的本质特征。通过引入高深的数学工具（比如规范群），规范场论建立了一套模型，把作用力、基本粒子的行为、规范对称性纳入一套框架之中，说明万物有序、揭示万物之序、指导万物成序。

3.规范场论和大统一理论的进展

物理学家长期以来有一个梦想，要把四种基本力统一起来，也就是大统一理论，这是爱因斯坦鼓捣多年但未成功的东西。在他们的理想中，只有一套规则的宇宙才是完美的，才能达到至高无上的圆融境界。同一个宇宙，怎么能有四种力、四套规则呢？即便有四套不同规则，那也是表面的，不能反映世界最深刻的本质。得给它搞个一站式服务，一价全含。

杨振宁和米尔斯最早的规范场论工作，先尝试把电磁力和弱力统一起来，因为它俩最接近，这个问题已经于1960年代得到解决。强力和弱电的统一模型正在研究中，还有一些问题没有解决，目前的进展应该算施工中、未竣工。但引力就不一样了，把引力和其他三种力统一起来的工作可以说是众说纷纭、毫无头绪。

引力为啥跟其他三种力统一不起来？因为它看起来就和别人一点不一样，好像不是一个东西。主要区别举例如下：

a)引力的名字就叫“万有”，任何两个物体之间都有引力，不像其他三种力都附带条件，电磁力需要物体带电或者磁性，强力弱力在特定的粒子、极小的距离之间才有，而引力是“你有我有全都有”。

b)引力比其他三种力弱很多，在其他三种力的作用范围之内可以忽略不计，但在天文距离（比如恒星之间、星系之间）内又似乎只剩它了，其他三种力够不到那么远。

c)引力既不能被屏蔽，也不受周围其他物体的影响，而且没有反方向的斥力。它似乎亘古不变地静态存在，其他三种力更容易被环境改变、“受情绪影响”、变数更多。

d) 62种基本粒子已在实验中发现了61种，只剩一种“引力子”没发现，也就是传递引力的媒介粒子。这玩意是否存在还很难说，也许就是个假想中的物质。

由于这些原因，把引力统一进来似乎毫无希望。有人（比如我）甚至怀疑，引力还是不是一种力？难道它不会只是宇宙的一个舞台背景吗？引力场就是十里洋场，引力默默地看着别人粉墨登场，而它自己只是逢场作戏。它和其他三种力好像完全不是一回事，也许只是恰巧重名，一个是王力宏的力，一个是高力士的力，名字都叫力，其实毫无关系。如果这样，还费那个劲统一干啥？可是物理学家总不甘心，或许是太相信宇宙的完美了吧。

4.行文至此，相信很多观众都跃跃欲试地想学规范场论了。不过万事开头难，规范场论需要的数学知识比较多，我在此推荐一些有用的数学理论供大家学习：

群论（李群李代数、非阿贝尔群）、微分几何（广义相对论相关）、拓扑学（纤维丛理论）。

宇宙浩瀚无际，怀万物、纳苍生，流转不休。愿探寻宇宙奥秘的人们，生安乐，逝安息。