科学|诺奖无法衡量，宇称不守恒只排第三，杨-米尔斯理论到底多厉害？ |

很多朋友是因为两件事认识杨振宁的，第一是宇称不守恒，不仅打破了诺奖颁发的时间记录，也是打破了中国诺奖第一，第二肯定是杨振宁回国娶了比他小54岁的翁帆！一直到现在，大家仍然津津乐道！

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不过他们结婚已经16年，相信比很多人的婚姻寿命都要久了，各种谣言不攻自破。但在各位认识杨老的第一个贡献宇称不守恒中，很多介绍杨振宁贡献的文章和书籍都会将它排到第三，却将名不见经传的杨-米尔斯理论推崇至极，这到底是为什么呢？

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打破常规认知的宇称不守恒
杨振宁和李政道在1956年6月的论文中提出了宇称不守恒， 1957年诺奖就颁发给了他们！如此快速是因为宇称不守恒颠覆了科学们一贯以来对科学规律的认知！

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对称一直就是科学家认识世界的基石，无论物理学界找出任何一种守恒，都会有一种连续对称性等着他们，这个可以用一个非常简洁的语言来描述：“物理学里的连续对称性和守恒定律一一对应。 ” ，这就是著名的诺特定理！

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这是被爱因斯坦称为数学史上最重要的女人：埃米·诺特证明完成的！诺特定理描述的守恒定律和对称性一一对应，每一个守恒定律都和对称相对应，比如角动量守恒与旋转对称，能量守恒和时间平移守恒等等，只要发现了新的守恒量，那么就会发现一个新的对称！因此守恒与对称就成了科学家们的信仰，就像坚信能量守恒一样！

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但在电磁力、引力、强力的物理规律中具有普适性的宇称守恒，到了弱力的范畴里，居然就不守恒了，尽管已经有科学家发现类似的端倪，但犹如信仰一般存在的宇称守恒把大家给框死了，反而在不断寻找是否哪些因素没有考虑在内！

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泡利和吴健雄
所以当杨振宁和李政道在研究θ和τ粒子衰变时得出宇称不守恒的结论：当时发现θ粒子在衰变的时候会产生两个π介子，而τ粒子在衰变的时候会产生三个π介子。尽管θ和τ粒子性质几乎就一模一样，但无人敢怀疑是宇称不守恒所致！泡利直接就说：“我不相信上帝是个左撇子”！

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但有东方居里夫人之称的吴健雄巧妙的用钴-60的衰变证明宇称不守恒的正确性时，把泡利吓出了一身冷汗，因为他曾经打算赌上任何赌注押宝弱力中宇称守恒！而朗道却因为将学生的宇称不守恒的论文丢在一边而懊悔不已！

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所以宇称守恒的冲击实在有些大，它获得诺贝尔奖也毫不意外，但就这样一个颠覆科学家认知的成就，在杨振宁的贡献中，充其量也只能排第三，但在后来被高能粒子物理领域奉为指路明灯的“杨-米尔斯理论” ，却比宇称不守恒发现要早得多，而杨振宁当时根本就不知道这有啥用！
建立粒子物理标准模型框架的杨-米尔斯理论
我们先下个结论，杨·米尔斯理论是粒子物理标准模型和现代规范场论的重要基础，简单的说就是后来粒子物理界的框架性理论，但在1954年杨振宁和米尔斯一起发表了《同位旋守恒和同位旋规范不变性》，论文也很简短，大概只有6页！分页标题

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《同位旋守恒和同位旋规范不变性》论文，页面下半部分
在了解杨-米尔斯理论之前，我们先来了解下物理学的发展，牛顿时代我们从观测获得的数据来发现世界运行的规律，万有引力定律就是这样得出的，但到了麦克斯韦时代，很明显就已经有些不适应了，比如麦氏方程组预言了电磁波以及和光是同一现象，这要到后来赫兹实验才发现！

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而到了爱因斯坦的广义相对论，你会发现已经全部是玄幻色彩，里面提出的一个个理论，简直令当时的科学界目瞪口呆，所以当时号称只有两个半科学家能懂广义相对论，尽管有些夸张，但确实反映出了当时的科学界对广相不接受的程度！而后来的的发现则一一验证了爱氏理论的无比正确性！比如水星进动问题，光线弯曲以及黑洞和引力波，几乎涵盖了二十世纪后期和二十一世纪的天文学重大进展！
【科学|诺奖无法衡量，宇称不守恒只排第三，杨-米尔斯理论到底多厉害？】

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到了量子力学时代，也呈现了同样的态势，只是从爱因斯坦单打独斗型选手变成了团队合作型，比如波尔、海森堡，狄拉克，泡利，薛定谔、波恩等等！直接从数学上推导出它的方程，再用实验数据来验证他的理论是否正确，成了百试不爽的黄金法则！

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对称性是物理学的基础
尽管宇称不守恒打破了亘古不变的对称，但上帝在更多时候还是左右手并用的，外尔发现了跟电荷守恒相对应的对称性是波函数的相位不变性，波函数是量子力学中用来描述粒子状态的，尽管有波粒二象性之分，但有波就有相位，因此电荷守恒对应的就是相位不变性，不过它被习惯的称为了规范对称性！

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一维零自旋自由粒子的波函数范例
同位旋守恒
强相互作用下同位旋守恒，海森堡提出质子和中子不过是同位旋的二重态，在这个核子内部的同位旋空间里，是内部对称的，在同位旋空间中，质子可以表现为中子，而中子也可以表现为质子！外尔和泡利都发现可以将电磁理论的局域规范不变性推导出全部的电磁理论！那么如何将强力的本质推广到局域规范不变性呢？

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群论是垫脚石
当杨振宁试图用群论来解决对称性问题时，泡利当时还持有讥讽的态度，认为当时很多物理学家都反对把群论这种过于抽象的数学语言引入到物理学中，但杨振宁的老爹杨武之是著名的数学家，他的群论甚至让很多你耳熟能详的数学家拜读学习，杨振宁当然是近水楼台，他的群论水平是当时物理学家中顶尖级的！

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杨武之一家（1929年摄于厦门）
所以当1941年泡利发表的关于“群整体规范对称性对应电荷守恒”时，很快就被杨振宁所关注，此后的十几年中，杨振宁就没有间断过对群局域规范不变性整体规范对称推广到局域， 1954年《同位旋守恒和同位旋规范不变性》和《同位旋守恒和一个推广的规范不变性》先后发表，这就是后来被称为杨米尔斯理论的论文。分页标题

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杨米尔斯理论和量子场论
杨振宁终于把：局域规范对称的思想从阿贝尔群推广到了更一般的非阿贝尔群，它有啥用呢？它是一个数学框架，只要选择了某种对称性，后面的相互作用就可以被确定，规范玻色子也能被确定，这就是强力和弱电统一理论中能预言那么多粒子的关键！

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杨米尔斯理论的意义：粒子威力标准模型的基石
有朋友诟病杨米尔斯理论有很多BUG ，比如上帝之鞭泡利就毫不留情的指出，杨米尔斯理论中的粒子必须以零才能维持规范不变性，但这些零质量的粒子在自然界中不存在！这也是当时杨米尔斯理论被长期忽视的重要原因，不过后来南部阳一郎、杰弗里·戈德斯通、乔瓦尼·乔纳-拉希尼欧等人开始运用对称性破缺的机制，从杨·米尔斯预言的零质量粒子理论中得到了带质量的粒子。

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电弱在高能（短距离）时统一成一种力
而希格斯机制则应用自发对称性破缺来赋予了规范玻色子质量，还有重整化问题，这会出现无穷大这种没意义的结果，后来被费曼等大佬解决，重整化让理论能算出有意义的数值！

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另外也有朋友将杨米尔斯理论等同于粒子物理标准模型，其实这也是不正确的，这个是一个框架性的基础工作，盖尔曼把杨-米尔斯理论应用到了强力上，最后发展出了量子色动力学（QCD）！格拉肖、温伯格和萨拉姆等人则利用杨米尔斯理论用来统一弱力和电磁力的弱电统一理论！

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杨-米尔斯理论无法上升到粒子物理标准模型，毕竟到了量子力学就已经不是单打独斗的时代，而是众多科学家的一致推动，但杨米尔斯理论制定的框架为粒子物理标准模型打下了坚实的基础，这个开创性工作的意义绝不是的宇称不守恒所能相提并论的！