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物理|杨-米尔斯规范原理和粒子物理标准模型丨庆贺杨振宁先生百岁华诞( 二 )

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2 放射性和三大基本作用力
19世纪90年代放射性的发现 ， 特别是放射线的巨大穿透能力 ， 已经预示了比化学能更高的能量尺度 。 1900年世纪之交 ， 开尔文爵士谈到了古典物理学地平线上的两朵乌云 ， 它们给20世纪前30年的物理学带来了相对论和量子论的狂风骤雨 。 然而无人在那个时候意识到 ， 放射性的发现其实才是定义整个20世纪物理学的隐藏在地平线边缘的热带风暴；风暴过后物理学进入一个新时代 ， 物质结构及其相互作用动力学的微观尺度 ， 在短短的不到一百年内又推进了近一百亿倍 。 20世纪的第一个十年里 ， 就已发现放射性物质其实发射出三种射线 ， 用前三个希腊字母 ， 阿尔法、贝塔和伽马来命名 。 后来知道阿尔法射线由氦的原子核组成 ， 贝塔射线由电子或其反粒子(正电子) 组成 ， 而伽马射线是极高频率的电磁波(即光子) 组成 。 这三种射线都是在原子核内的物理过程产生的 ， 而原子核的大小比原子要小十万倍 ， 所以说放射性的发现开启了物理学下一个未知领域的新征程 。 更为有趣而绝非巧合的是 ， 放射性的这三种射线恰好对应着自然界的三种基本相互作用或三种基本的力：阿尔法射线对应的是强(相互作用) 力 ， 把原子核中的质子和中子束缚在一起的力(也叫做核力) 是它的一种表现；贝塔射线对应于弱(相互作用) 力 ， 它是导致原子核发射贝塔射线(弱衰变) 的力；伽马射线就对应于熟知的电磁(相互作用) 力 。 这三种相互作用力和从牛顿时代我们就熟知的引力 ， 合称物理学中的四大基本 (相互作用) 力 。 电磁相互作用是麦克斯韦理论的对象 。 电磁力和引力都是长程相互作用 ， 在我们的日常生活中就可以观察到 。 而强力和弱力是所谓的短程力 ， 它的作用力程限于原子核大小的尺度 。 在20世纪之前 ， 人类不知道这两种力的存在 。 它们是20世纪亚原子新物理学的研究对象 。
3 提出规范原理的历史背景
杨—米尔斯的规范场理论文章 ， 发表于1954年 。 当时正是粒子物理实验蓬勃发展的初期 ， 各种加速器和新型的探测器飞速发展 ， 陆续投入运行 ， 开启了粒子物理 (又叫高能物理) 的黄金时代 。 大量有关新粒子发现的实验数据和结果层出不穷 ， 激动人心 。 那时研究粒子物理的理论家 ， 就是在研究分析有关新粒子的实验数据 ， 从中提炼出新粒子的性质、新的分类模式等等 ， 并提出解释实验数据的理论新观念 ， 发现实验数据中可能的新问题 ， 提出新的可能的实验来检验理论上的新观点等等 。 一句话 ， 当时的粒子理论学家 ， 都是围绕新粒子的现象学 (即有关新粒子的前沿实验数据和结果) 开展工作 。 杨先生当然也不例外 。 当时他的主要精力也花在这些方面 ， 并已成为粒子物理现象学前沿的一位青年专家 。 到1954年 ， 他已在美国普林斯顿的高等研究院工作了5年 。 那年夏天 ， 他去纽约长岛布鲁克海文国家实验室 (美国当时的加速器中心之一) 访问 。 在那里 ， 他重新捡起一个在芝加哥大学读研期间思考过而没有成功的问题 ， 就是能否推广电磁场的麦克斯韦理论的问题 。 当年他开始思考这个问题 ， 也许是好奇心在驱使 。 但是到此时在布鲁克海文 ， 他已精通但不满意新粒子现象学的研究了 ， 他越发感到了这个问题的重要性和迫切性1)：现在已经发现了不少新粒子 ， 未来估计还会发现更多的新粒子 。 这样 ， 新粒子之间的相互作用 ， 特别是它们之间的新型未知的强力和弱力 ， 可能会变成理论研究的中心问题 。 而新粒子一多 ， 它们的动力学运动方程 (或者推导运动方程的最小作用量原理中的作用量) 就必然包含许多项 ， 会变得极其复杂 。 所以 ， 理论上我们需要一个新的原则去写新粒子的新的运动方程 (或者作用量) 。 这在当时是一个相当超前的、思路与众不同的问题 。 也许不少习惯于现象学思维的人可能从来没有想过这个问题 。 或者偶尔想过但会认为 ， 当时缺乏新粒子相互作用的实验数据和结果 ， 这个问题不具有解决的实验基础和理论基础 ， 应该在未来积累了相当数量的实验数据和实验结果后才提出问题和解决问题 。 但是 ， 就在那个夏天 ， 和同在一个办公室的米尔斯合作讨论 ， 通过理性的思维 ， 没有依赖实验的数据 ， 杨先生就在数学上发明了一个新的方法 ， 从理论上解答了这个问题 。 这就是非阿贝尔规范场理论和规范原理文章的由来 。

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