現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展不過百年的時間，不斷延伸出去的分支理論進一步豐富了整個物理體系。不過今天許多令人熟知的一些理論概念，在過去卻有著非常曲折的發(fā)展歷史，其中以量子物理的發(fā)展最為坎坷，這是為什么？

一起走進物理的世界

    因為在當(dāng)時的物理研究中，許多關(guān)鍵的研究和概念 并不被科學(xué)家認(rèn)可，像費曼、愛因斯坦、泡利這樣的物理學(xué)大師雖然都有接觸過量子物理。但這其中缺乏一種統(tǒng)一的理論可以對世界進行闡述，并且相關(guān)的實驗也非常少。

    隨著宇稱不守恒的發(fā)現(xiàn)，到后來的楊-米爾斯理論的發(fā)展，物理學(xué)中的許多問題才得到統(tǒng)一，并最終演化分支出今天眾多且復(fù)雜的物理研究。

現(xiàn)代物理也是諸多人的心血所成

    究竟什么是宇稱不守恒？當(dāng)年物理界爭議的問題到底是什么？物理學(xué)是如何走向統(tǒng)一的？被苦心鉆研出的楊-米爾斯理論又是什么？本文接下來將從現(xiàn)代規(guī)范場論、粒子物理標(biāo)準(zhǔn)、楊-米爾斯理論來解答這些問題，一起來看看連諾貝爾獎都難以衡量的貢獻，楊振寧教授的楊-米爾斯理論到底有多厲害？

四種相互作用帶來的困擾

    20世紀(jì)初，當(dāng)科學(xué)家們還在為電磁問題爭得不可開交時，愛因斯坦已經(jīng)著手準(zhǔn)備自己的電磁方程組研究了。

著名物理學(xué)家愛因斯坦

    盡管麥克斯韋方程揭示了電磁作用，但在引力系統(tǒng)中還是存在一些未知問題。牛頓的穩(wěn)定時空概念已經(jīng)無法很好地解釋宇宙中的一些現(xiàn)象，時間與空間的關(guān)系需要用一個新的解決方案去完成。

    愛因斯坦的相對論給物理界帶來了新的曙光，人們在相對論的框架下重新認(rèn)識到了時間與空間的關(guān)系。同時，世界中的幾大基本作用力也在后面有了清晰的認(rèn)識。電磁相互作用、強相互、弱相互、引力相互，前三者科學(xué)家經(jīng)過多次研究，基本已經(jīng)明白了這之間的運作原理，但是引力的相互作用還是沒有弄明白。

愛因斯坦的廣義相對論

    即便是愛因斯坦本人，最終到他去世也沒有完全明白引力相互作用，不過他提出的廣義相對論算是做了一個基本的開端。從愛因斯坦所處的這個時代開始，物理學(xué)家們就一直想要尋找一種完美的統(tǒng)一方案，這個方案可以把這四種基本相互作用進行統(tǒng)一，可以用來解釋整個世界，也就是后來人們談?wù)摰摹按笠唤y(tǒng)”定律。

大統(tǒng)一理論,簡稱GUT,又稱為萬物之理

    想要統(tǒng)一整合這些問題非常困難，這時的物理研究還有一些固執(zhí)的觀點并沒有被打破。從歷史發(fā)展來看，正是過去一些條條框框的束縛，讓不少科學(xué)家沒有踏出這關(guān)鍵性的一步，“宇稱守恒性”正是那一個大框架。

    牛頓給出的物理框架下，讓后續(xù)的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了物理學(xué)中的連續(xù)對稱性和守恒定律相對應(yīng)，這個概念的創(chuàng)造人物就是諾特，在后來被稱作“諾特定理”。

諾特還被稱為“現(xiàn)代數(shù)學(xué)之母”

    諾特定理解釋了能量守恒的對稱性，即時間平移不變性、空間平移對稱、空間旋轉(zhuǎn)對稱。這里給大家選取一個較為容易理解的一個特性，時間平移不變性。也就是說，今天的實驗和明天的實驗中，兩個相同的實驗并不會因為時間上出現(xiàn)變化，而出現(xiàn)物理定律的不同。

    此外，空間平移對稱性和空間旋轉(zhuǎn)對稱性分別對應(yīng)動量守恒、角動量守恒，這里便不再仔細敘述?？傊锢韺W(xué)家們認(rèn)為這種對稱性應(yīng)該存在于整個宇宙中，不過有一個問題在于，鏡面世界是否也遵循這種原則？換句話說，這種對稱性是否在鏡像中存在？

鏡面世界的對稱

    在牛頓的運動定律中，整個物理研究基本上都嚴(yán)格遵循這個對稱不變性。因此，當(dāng)時大部分科學(xué)家都認(rèn)為四種基本相互作用里，同樣也遵循這樣的定理。但是電磁力、引力、強力都在后來的研究中證實了，而關(guān)于弱力的實驗和研究少之又少。

四種基本力

宇稱不守恒

    由于宇稱守恒給許多物理學(xué)家?guī)砹诵碌难芯浚锢韺W(xué)中的體系也在不斷地被豐富，盡管有些物理過程看起來并不是那么遵循這種守恒定律，但是眾多科學(xué)家并沒有懷疑這種理論的正確性。懷疑這種對稱性原理的科學(xué)家并不多，楊振寧算一個，β衰變的研究讓楊振寧和李政道兩人開始重新看待宇稱守恒的問題。

物理學(xué)家楊振寧

    為了解釋這種守恒是否存在于β衰變中，隨后兩人設(shè)計了幾種實驗來證明這種理論不存在于β衰變中，并接著發(fā)表了“宇稱不守恒”的論文。

    但經(jīng)過前文的介紹，想必大家也明白，這樣的論文想要得到支持有多難，更別說像費曼、泡利這樣的物理大師還曾嚴(yán)厲批評過這些相關(guān)的實驗。不過這時出現(xiàn)了一名真正敢于嘗試的人物，同時也是極力支持楊振寧和李政道研究的人——吳健雄。

吳健雄是美國物理學(xué)會（APS）歷史上第一位女性會長

    吳健雄的鈷元素放射實驗中的β衰變證明了宇稱守恒在弱相互作用下并沒像定律展示的那樣，宇稱守恒就此被打破。實驗和論文完成的第二年，楊振寧和李政道兩人就獲得了諾貝爾獎。不過這并不是說諾特定律就是錯的或是有問題，它并不完全適用整個物理世界，強弱相互作用不一定遵循這種對稱性，諾特定理還是有它自身發(fā)揮的地方。

楊振寧的諾貝爾獎?wù)拢ìF(xiàn)藏于香港中文大學(xué)）

    物理界在迎來一次大變化后，新的融合即將出現(xiàn)，這就是楊-米爾斯理論，也被稱作“非阿貝爾規(guī)范場論”。

    這里需要指明一點，也是需要強調(diào)的一點，每一個相互作用力對應(yīng)一個場，例如電磁作用對應(yīng)電磁場，引力相互對應(yīng)引力場。宇稱不守恒在被發(fā)現(xiàn)之前，電磁理論的研究也得到了進一步的解釋。外爾在電磁的研究中發(fā)現(xiàn)，電荷守恒是由規(guī)范不變性出現(xiàn)，但規(guī)范不變性如果是在局域?qū)ΨQ中，就必須包含電磁場。

外爾

    這兩種規(guī)范變換解釋了電磁理論，這樣的變換過程的推導(dǎo)是否能夠應(yīng)用在其他相互作用力上？外爾的研究吸引了楊振寧，既然相互作用有自身應(yīng)對的變換和特有物理屬性，那么其他作用力應(yīng)該也會有，弱力會不會也像這樣？

統(tǒng)一公式

    “群論”是描述對稱性的數(shù)學(xué)語言，之前關(guān)于電磁場研究的對應(yīng)變換正是利用了群論中“酉群”，可以簡單的把它理解成一種變換公式結(jié)果不變。由于強弱作用并沒有像電磁場變換公式這樣，可以直接推導(dǎo)利用群論，因此尋找一種群論公式是解開問題的關(guān)鍵所在。

走出迷宮就靠群論啦

    楊振寧在后來的推導(dǎo)中，和米爾斯一起完成了關(guān)于海森堡的同位旋守恒，以及同位旋規(guī)范不變性的研究。阿爾貝群在電磁場中的局域規(guī)范對稱得到了推廣，并在此研究中推導(dǎo)制定出了一個框架，這便是楊-米爾斯理論。

楊振寧和米爾斯

    該框架下確定了對稱決定相互作用，只需要選擇一個對稱性便能在“群”中被確定。這顛覆了物理界以往的研究方法，過去人們是先確定一種現(xiàn)象，再從中去解釋。而現(xiàn)在，可以直接先假設(shè)，再去解釋。

    到了后來，夸克模型的建立進一步利用到了這種公式，成功描述了強力相互作用下的量子色動力學(xué)的核心。并且到后來的量子色動力學(xué)中，楊-米爾斯給出的數(shù)學(xué)框架解釋了強力、弱力的問題?！跋８袼箼C制”的出現(xiàn)為整個理論框架完成了最后的建設(shè)，就此，人們利用該定理解釋了強力、弱力、電磁力。

希格斯粒子發(fā)現(xiàn)

    并且在現(xiàn)代的量子物理中，這套理論框架還為不少理論做出了貢獻，可以說這是現(xiàn)代物理學(xué)的一塊基石，沒有它的出現(xiàn)，現(xiàn)代物理不可能發(fā)展如此迅速。盡管這只是一個數(shù)學(xué)體系，并不是什么實際的理論，但是只要利用該公式和相應(yīng)的框架，就可以對未來的發(fā)現(xiàn)（例如基本粒子）進行預(yù)測。

    可以說這樣的研究發(fā)現(xiàn)即使是諾貝爾獎也很難為其衡量貢獻，但值得一提的是，該研究除了楊振寧教授外，還有他的研究生助手米爾斯同樣也是該理論的貢獻者，并且還有眾多物理學(xué)家為其添磚加瓦，最終糅合各家所長完成的一個統(tǒng)一定論。

一步一個腳印

    正是有了他們這樣敢于質(zhì)疑同時代理論的學(xué)者，科學(xué)研究才能夠不斷更新變化，物理研究才走向今天。