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                      著名物理學家楊振寧解讀麥克斯韋方程和規范理論概述起源

                      2020-12-04 來源:新浪科技《科學大家》作者:陳學雷 我要評論(0) 字號:

                      撰文| 陳學雷 中國科學院國家天文臺研究員,宇宙暗物質暗能量團組首席,星系宇宙學部副主任。

                      編注:2018年1月3日,諾貝爾物理學獎獲得者楊振寧院士做客中科院國家天文臺,為大家帶來一場題為麥克斯韋方程和規范理論起源的學術講座。麥克斯韋方程是英國物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋在19世紀建立的一組描述電場、磁場與電荷密度、電流密度之間關系的偏微分方程。

                      觀看視頻 著名物理學家楊振寧講座:麥克斯韋方程和規范理論概述起源

                      學術報告是增強學術氛圍、開闊眼界、促進學術交流的重要方式。我的同事茍利軍研究員來天文臺后,為促進我臺學術報告出了很多好點子,包括每年第一個全臺學術報告邀請重量級人物來講,以及安排報告的網絡直播等。今年,我臺邀請到楊振寧先生來臺里做報告。楊先生是當前健在的物理學家中最為杰出者之一,而且他已95歲高齡,他的這次報告實為我臺學術演講上空前之盛事。由于想來參加的人非常多而場地有限,臺里只好發入場券,真是一票難求。好在即使不在場的人也可以看網絡直播。

                      我自己此前聽過兩次楊先生的報告,一次在清華大學,一次在中科院物理所,那都是二十多年前的事了。因此這次也早早進入會場,選了一個靠前的座位。下午4時,楊振寧先生準時來到天文臺,走上講臺。報告由陳建生院士主持。

                      楊先生做了題為麥克斯韋方程和規范理論起源的演講。楊先生在報告中回顧了規范理論的發展歷史,既有他對這段歷史文獻資料仔細研究得出的結論,又有他自己和米爾斯提出非阿貝爾規范場的歷史過程。

                      楊先生首先回顧了電磁理論早期的發展歷史。最早,數學很強的安培給出的磁力與電流的關系是基于超距作用的概念。法拉第不懂數學,但他首先通過實驗研究拒絕了超距作用的觀念,并提出了一個模糊的幾何概念:electro-tonic state, 但未能給出精確的定義。麥克斯韋23歲從劍橋大學畢業后決心研究電學理論。僅僅2年后,他就寫出了他經典的3篇電磁學論文中的第1篇。在這一篇論文里,受到湯姆森論文的啟發,麥克斯韋寫出了磁場強度等于矢量勢的旋度的公式:H=▽×A,這里的A現在稱為矢量勢,就是法拉第的electro-tonic state。楊先生特別指出,盡管一般科學史家往往把麥克斯韋在第2篇論文中發現位移電流作為其最大貢獻,但實際上寫出這一公式也是麥氏的重大貢獻。楊先生也饒有興趣地討論了麥氏受旋渦理論啟示發現位移電流的過程,但表示今天我們已很難完全理解麥氏當時的思路了,他自己曾幾次仔細研究麥氏的推理過程也未能成功。

                      麥克斯韋終其一生都用矢量勢A表述他的方程,但由于A不是直接可觀測量,因此麥氏之后的海維賽、赫茲等人都不喜歡這一點,他們致力于在電磁場方程中消除A而僅使用電磁場強度E和H,但今天我們知道,由于量子力學Aharonov-Bohm 效應,A實際上有基本的意義,是不能被消除的。

                      在此之后,狄拉克寫出了相對論量子力學的電子運動方程,并預言了正電子的存在。楊先生曾研究過這段歷史,他指出趙忠堯先生實際上是首先在實驗上發現正電子的人,但可惜的是,趙先生以及其導師密立根當時不了解正電子的理論,另一方面當時梅特納等著名物理學家類似實驗的結果與趙忠堯先生不一致,事后看來趙先生正確而他們錯誤,但在當時這使得趙先生的發現沒有得到重視,因此后來正電子的發現被歸功于同一實驗室用另一方法做出發現的安德森。

                      正電子發現后,人們進而在此基礎上發展了量子場論,為了克服其中出現的發散問題,40-50年代發展了重整化理論。楊先生進而談到50-70年代規范場論的發展,包括他自己的工作。在此之前,外爾(Weyl) 于1919年首先從推廣相對論的思想出發,認為在時空的每一點可以局域地定義標準尺度,引入了“正比因子”也就是今天所說的“規范”的概念。但是愛因斯坦等物理學家認為,這樣的理論與物理實驗不符。后來Weyl在1929年發表的理論中,將其正比因子改為量子力學中的復數相位因子,這樣就重新導出了電磁場理論,但并沒有得到新的結果,因此被視為一種優美但并不重要的理論形式。

                      隨著二戰后大量新粒子的發現,為了描述這些粒子之間的相互作用,人們提出了五花八門的理論。當時是博士后的楊先生想要提出一種從某種基本原理出發的相互作用理論,于是1954年他和米爾斯合作,把麥克斯韋理論中的電荷守恒推廣到核子的同位旋守恒,從而建立了非阿貝爾規范場理論。這個理論最初提出來時并未被物理學界所接受,因為這個理論預言的規范場粒子的質量為0,但除了光子外,人們并未發現任何質量為0的粒子。當時泡利也在研究這一問題,可能已意識到這一問題,因此楊先生在做報告時一再被泡利打斷詢問其粒子質量,不得已只好停止報告。只是后來隨著研究的發展,人們發現了希格斯機制,無質量的規范場粒子可以通過自發對稱破缺獲得質量,這才解決了這一難題,并使用規范場理論建立了粒子物理的標準模型。而直到2012年,CERN的實驗才找到了希格斯粒子,最終證實了這一理論的正確性。而也是到了70年代,人們才發現物理學中的規范場與數學中的纖維叢實際上是一回事。

                      最后,楊先生總結說,目前已知的四種相互作用中的三種可以用規范場描述,但萬有引力理論也就是廣義相對論還無法與量子理論結合,這可能不是一二十年內能夠解決的。非常奇怪的是,宇宙的結構里有電磁學,而且這個結構非常漂亮,所呈現的現象、人類對它的了解,以及通過這些了解所做出的新的發展,簡直是一個很難想象的奇跡。這里深奧的東西還非常多,這些深奧的東西還要等待更年輕的、很努力的科學家去研究。

                      我有幸第一個向楊先生提問。我問的第一個問題是,50年代粒子物理新發現非常多,楊先生是怎么想到去研究規范場的。楊先生回答說,此前他在西南聯大7年時已打下了很好的場論基礎,多年來對此有深入的思考,他想從一種基本的原理出發找出相互作用。我問的第二個問題是,當他發現規范場粒子的質量為零后,是怎么想的,是否認為有什么辦法可以最終有一天解決這一問題。楊先生說無論他到哪里做報告,大家都會問這一問題。他說當時他們那篇論文最后一段寫得非常小心,說這一問題很復雜,需要深入研究。而泡利也研究過規范場,卻因這一問題而未發表。

                      此后,還有很多人提出了很好的問題,我這里不一一列出了,感興趣的朋友可以去看視頻。不過我想這里提到兩個問題。一個是,楊先生特別提到,一個很重要的物理問題就是暗物質。暗物質是要研究的,但是也是個很難的問題,因為已經有三四十年的研究歷史,但還沒有進展。作為暗物質暗能量問題的研究者,我感到楊先生對我們這一領域的評價是非常準確的--很難,未必能很快取得突破,但這是值得深入研究的。

                      另一個問題是問楊先生對某些地方高考中將物理學列為選考的看法。楊先生認為,一些基本的物理學知識,比如能量守恒,比如為什么要用高壓輸電等等這些高中物理知識,是每個現代青年人應該具備的常識,是應該學習的。當然,麥克斯韋方程并非人人都必須了解。

                      報告結束,國家天文臺嚴俊臺長也贈給楊先生一個紀念品,這是一個牌子上面有鑲嵌了一塊隕石,這是一個18克重的石鐵隕石,主要成分為橄欖石。牌子上也有一首詩,是由吳金水先生和我草擬的。

                      楊先生是杰出的物理學家,他的報告非常精彩。真誠地希望他老人家健康長壽!

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                      主題閱讀: 楊振寧  麥克斯韋方程
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