「下」追求对称之美：杨振宁超越他诺奖的贡献 | 附量子纠缠新观念

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「下」追求对称之美：杨振宁超越他诺奖的贡献 | 附量子纠缠新观念

撰文 | 长尾科技

点评 | 文小刚

06  对称性的推广

我们把眼光再拉回20世纪四五十年代，这时候人们已经知道自然界除了电磁力和引力之外还有强力和弱力，强力把质子和中子黏在一起（不然质子都带正电，同性相斥早就把原子核拆了），弱力在原子核衰变的时候发挥作用（比如中子衰变变成质子、电子和反中微子的β衰变）。但是那时候对强力和弱力的认识都还非常的肤浅，汤川秀树的介子理论、费米的四费米子理论都只能解释强力、弱力的一些现象，还有大把的问题他们没法解决，谁都知道这些理论只是关于强力、弱力的一个过渡理论，最后肯定要被更加精确的理论取代，但是该怎样去寻找更加精确的理论，大家心里也都没谱，没有一个十分清晰的思路。



但是杨振宁先生那时候的思路却是很清晰的：他对理论的美学要求是跟爱因斯坦一样苛刻的，因此，任何只是试图粗糙、唯象地模拟强力、弱力的理论他都懒得搭理（就跟爱因斯坦嫌弃它们长得丑一样）。然后，加上数学大牛的父亲和恩师吴大猷的悉心栽培，杨振宁先生对数学的群论、物理学的对称性都有非常深刻的理解，所以他就特别理解外尔那种想法的重要性。所以，他要不惜一切代价地扩展它。

外尔发现U（1）群整体规范对称性对应电荷守恒，但是，一旦我把这个整体对称性推广到局域，我就可以直接得到整个电磁理论。这种想法对物理学上有“洁癖”的杨振宁来说，吸引力实在是太大了，因为它实在是太美太简洁，给出的回报也太丰厚。如果我在强力、弱力里通过把某种规范对称性从整体推广到局域，是不是也可以得到关于强力、弱力的理论呢？

我们从事后诸葛亮的角度看，好像这一切都显得很自然，好像只要是物理学家都应该想到这个。但其实不然，且不说当爱因斯坦在搞统一场论的时候，他就已经被所谓的主流物理学界给边缘化了，外尔跟着爱因斯坦搞统一场论时提出的这种想法跟着被边缘化是很正常的事情。物理学家们每天都要产生各种各样的想法，这些想法哪些可靠，哪些值得考虑，哪些值得自己深入研究，哪些东西值得自己不顾一切地去守护，这原本就是一个极困难的问题，也是非常考验物理学家水平的事情。

在当时更多物理学家的眼里，外尔这样的手法可能确实很漂亮，但有点“绣花枕头”的嫌疑：麦克斯韦方程组我们早就知道了，狄拉克、费曼等人也已经成功地把电磁场量子化了（就是所谓的量子电动力学），你在电磁领域这样颠来倒去好像确实很漂亮，但是没有增加任何知识啊？好吧，就算你的这个东西可能更普适，可能在强力、弱力里也有用武之地，但是在当时主流的描述强力和弱力的理论（也就是汤川秀树的介子理论和费米的四费米子理论）里，也看不到合适的用武的地方。而且，一般物理学家对“对称决定相互作用”的认识还远远没有达到爱因斯坦和杨振宁的水平，所以他们不怎么关注这个也是自然的。

所以，当时除了杨振宁、泡利、外尔等寥寥几人关注这个以外，其他人对此根本就不关心。而在这些关注的人里，杨振宁又无疑是其中对此关注度最高的一个，毕竟本科论文就是做的这个，后来给他带来诺贝尔奖的宇称不守恒也是关于对称性的，他一直对对称性在物理学里的作用保持极高的关注度。

既然想推广外尔的思想，试图通过找到某种新的局域规范对称性来找到强力、弱力的理论，那么关键就是要找到这种对称性。但是怎么找这种对称性呢？当然还是按照诺特定理，去看看强力、弱力里有什么守恒定律呗，最好还是像电荷守恒那样，那种相互作用力特有的。

07  同位旋

杨振宁通过一番审查，发现弱相互作用里暂时没有什么特殊的守恒定律，但是强相互作用力里却有一个现成的：同位旋守恒。而且这个同位旋守恒还只在强相互作用下守恒，在其它作用下不一定守恒，这不刚好么？

同位旋是啥呢？大家只要看一下质子（1.6726231 × 10-27千克）和中子（1.6749286 ×10-27千克）的质量，就会发现它们的质量实在是太接近了（差别在千分之一）。而且，人们还发现2个质子、1个质子1个中子、2个中子之间的强相互作用几乎是相同的，也就是说，如果我们不考虑电磁作用，在强相互作用的眼里，质子和中子完全是相同的。



于是，海森堡就来提出了一个大胆的想法：他认为质子和中子压根就是同一种粒子-核子的两种不同的状态，它们共同组成了一个同位旋二重态。在抽象的同位旋空间里，质子可以“旋转”成为中子，中子也可以“旋转”成为质子，因为质子和中子在强相互作用下是一样的。所以，我们就可以说：强相互作用具有同位旋空间下的旋转不变性。

大家可能注意到我上面的“旋转”打了一个引号，因为我们这里说的旋转并不是在我们常说的真实空间里，而是在核子内部抽象出来的同位旋空间，因此这种对称性又叫内部对称性，而之前我们谈的各种跟时空有关的对称性就叫外部对称性。内部对称性咋一看好像不那么真实，但其实它跟外部对称是一样真实自然的，它们一样对应着守恒定律，强相互作用下同位旋空间里的这种旋转不变性就对应同位旋守恒。

关于同位旋的事情这里就不再多说了，大家只要知道在强相互作用里同位旋是守恒的，并且同位旋空间下质子和中子可以相互旋转得到就行了。

因为描述对称性的数学语言是群论，与同位旋这种对称相对应的群叫SU（2）（特殊幺正群），里面的数字2提醒我们这是两个物体（如质子和中子）相互变换来确定的。我们先甭管这个SU（2）群到底是什么意思（这是群论的基础知识，感兴趣的自己看群论），只需要知道这个群可以描述两个物体相互变换的这种对称性，跟电磁理论里用U（1）群来描述电磁理论里的对称性一样的就行了。

外尔和泡利发现，只要我们要求系统具有U（1）群的局域规范不变性，我们就能从中推导出全部的电磁理论。那么，杨振宁如果认为强力的本质由质子和中子相互作用产生，那么推广前面的思想，我们就应该要求系统具有SU（2）群的局域规范不变性。

好吧，要推广那就推广吧，不就是把局域规范不变性从U（1）群推广到SU（2）群么，有些人认为科学家们风风雨雨什么没见过，把一个东西从U（1）群推广到SU（2）群应该没什么难度吧？那你就错了，这玩意还真不是这么简单的，广义相对论也不过是把狭义相对论里的洛伦兹不变性推广到了广义坐标不变性，你觉得这个简单么？

U（1）群的问题之所以比较简单，是因为跟U（1）群对应的电磁理论它本身就具有局域规范对称性。也就是说，当我们的麦克斯韦同学写下麦克斯韦方程组的时候，他就已经把U（1）群的局域规范对称性写到这方程里去了，虽然他自己没有意识到。熟悉电磁理论的人都知道其实我们有两套表述电磁场的体系，一套就是我们初中就开始学习的场强体系，还有一套势体系，也就是电磁势这些东西，从这个角度很容易就能看出它的规范不变性。

但是SU（2）这里一切都是空白，没有电磁势这样的东西。杨振宁先生想做的就是要找到类似电磁势这种具有局域规范不变性的东西，然后利用他们来描述强力，所谓的推广是这个样子的一种推广。在这种推广里，最困难的地方就在这四个字：非阿贝尔。

05  非阿贝尔群

在前面我跟大家提过，杨-米尔斯理论又叫非阿贝尔规范场论，这个阿贝尔指的是阿贝尔群（以挪威的天才数学家阿贝尔命名），它又叫交换群，通俗地讲就是这个群里的运算是满足交换律的。



最简单的例子就是整数的加法，小学生都知道加法满足交换律：3+5=5+3，不论你加数的顺序怎么交换，最后的结果都不变。于是，我们就说整数和整数的加法构成了一个整数加法群，这个群的运算（加法）是满足交换律的，所以这个整数加法群就是阿贝尔群。

那么，非阿贝尔群自然就是指群的运算不满足交换律的群。那么，不满足交换律的运算有没有呢？当然有了，最常见的就是矩阵的乘法。稍微有点线性代数基础的人都知道：两个矩阵相乘，交换两个矩阵的位置之后得到的结果是不一样的。而矩阵这种东西在数学、物理学里是非常基础的东西，比如你对一个物体进行旋转操作，最后都可以转化为物体跟一个旋转矩阵的运算，这样非阿贝尔其实就没啥奇怪的了。

这里我借用一下徐一鸿在《可畏的对称》里的一个例子让大家感受一下这种不可交换的次序，也就是非阿贝尔的感觉。



上图是一个新兵，他现在要执行两个操作，一个是顺时针旋转90°（从上往下看），一个是向右倒（其实就是从外往里看顺时针旋转90°）。上面的a图是先旋转再右倒，而下面的b图则是先右倒再旋转，我们可以清楚地看到，最后这两个人的状态是完全不一样的（一个左侧对着你，一个头对着你）。

状态不一样说明什么呢？说明这两个旋转操作如果改变先后次序的话，得到的结果是不一样的，而这两个旋转操作都可以通过跟两个矩阵相乘得到，这说矩阵的乘法是不能随意交换顺序的。

好了，有了这些概念，我们再回到杨振宁先生的问题上来。

09  杨-米尔斯理论

外尔把U（1）群的整体规范对称性推广到了局域，因为U（1）群（1×1矩阵）是阿贝尔群，所以这个过程很简单；杨振宁试图把SU（2）群的整体规范对称也推广到局域，但SU（2）群（2×2矩阵）是非阿贝尔群，这个就麻烦了。

我们知道杨振宁先生的数学水平在物理学家群体里是非常高的，他的父亲杨武之就是群论大师，他自己也很早就进入了对称性领域。饶是如此，他从泡利1941年的论文开始，前前后后过了十几年，一直到1954年，他才和米尔斯（当时和杨振宁先生在同一间办公室，是克劳尔教授的博士研究生）一起写出了划时代的论文《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》。


1954年杨振宁和米尔斯在《物理评论》上发表的第一篇论文截图

这两篇论文正式宣告了杨-米尔斯理论的诞生，杨振宁先生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（阿贝尔群的电磁理论成了它的一个特例），从而使得这种精妙的规范对称可以在电磁理论之外的天地大展拳脚，也使得他一直坚持的“对称决定相互作用”有了落脚之地。为了区别起见，我们把外尔的那一套理论称为阿贝尔规范场论，把杨振宁和米尔斯提出来的称为非阿贝尔规范场论，或者直接叫杨-米尔斯理论。

杨-米尔斯理论给我们提供了一个精确的数学框架，在这个框架里，只要选择了某种对称性（对应数学上的一个群），或者说你只要确定了某个群，后面的相互作用几乎就被完全确定了，它的规范玻色子的数目也完全被确定了。这就是为什么后来大家能直接从强力和弱电理论里预言那么多还未被发现的粒子的原因。

什么是规范玻色子？科学家们按照自旋把基本粒子分成了费米子（自旋为半整数）和玻色子（自旋为整数），其中费米子是组成我们基本物质的粒子，比如电子、夸克，而玻色子是传递作用力的粒子，比如光子、胶子。有些人可能是第一次听说传递作用力的粒子这种说法，会感觉非常奇怪，怎么作用力还用粒子传递？

没错，在量子场论里，每一种作用力都有专门传递作用力的粒子。比如传递电磁力的是光子，传递强力的是胶子，传递弱力的是W和Z玻色子，传递引力的是引力子（不过引力子还没有找到）。两个同性电子之间为什么会相互排斥呢？因为这两个电子之间在不停地发射交换光子，然后看起来就像在相互排斥，这就跟两个人在溜冰场上互相抛篮球然后都向后退一样的道理。那么相互吸引就是朝相反的方向发射光子了，其他的力也都是一样，这些传递相互作用的玻色子在规范场里都统统被称为规范玻色子。

也就是说，在杨-米尔斯理论里，那些传递相互作用的粒子都叫规范玻色子，每一个群都有跟他对应的规范玻色子，只要你把这个群确定了，这些规范玻色子的性质就完全确定了。比如在U（1）群里，规范玻色子就只有一个，那就是光子；在SU（3）群里，理论计算它的规范玻色子不多不少就是8个，然后实验物理学家就根据这个去找，然后真的就找到了8种胶子。以前是实验物理学家发现了新粒子，理论物理学家要琢磨着怎么去解释，现在是理论物理学家预测粒子，实验物理学家再去找，爱因斯坦颠倒研究物理的方法现在终于从蹊径成了主流。

新观念

上面几小节，解释了不同的守恒荷对应于不同的对称群。但在前面的点评中，我们提到守恒荷不一定来源于对称性，也可能来源于量子纠缠。特别是有一种量子纠缠是由弦液体（有方向的弦）来描写的。这种量子纠缠正好能导致出守恒的电荷，以及满足麦克斯韦方程的弦密度波（电磁波）。

这里我们想指出，电荷守恒性质也可以从电荷的融合结构来看出来。当我们把两个电荷为1的粒子融合起来，我们会得到一个电荷为2的粒子。其他电荷都不会出现。这就是我们所说的电荷守恒。

但同位旋的守恒和电荷的守恒很不一样。当我们把两个同位旋为1的粒子融合在一起时，我们会得到同位旋为0，同位旋为1或同位旋为2的粒子。但不会得到其他数值的同位旋。如果要用对称性来理解这种不同的同位旋守恒，那么我们将需要一个非阿贝尔的SU(2)对称群。

可同位旋守恒也可以更简单地用量子纠缠来理解。能产生同位旋守恒的量子纠缠，不再对应于一个弦液体，而是对于一个弦网液体。弦网中的弦有不同的种类，而不同种类的弦可以接在一起，形成分叉。不同弦的端点对应于不同的同位旋。这时弦网的分叉结构正好刻画了同位旋所拥有的不同融合结构（也就是守恒性质）。用弦网的量子纠缠来理解同位旋守恒，比用对称群更加简单明了。


弦网液体和弦的端点（守恒荷）

由弦网描写的量子纠缠、不仅能给出向同位旋这样的守恒荷，而且能给出一种新的波形态物质——弦网的密度波。我们发现弦网的密度波正好满足杨-米尔斯方程。这一切真是太奇妙了。

按照主流看法，选不同的对称群，会得出不同的规范场理论，其描写不同的相互作用和守恒荷。但按照上面的讨论，我们有一个非主流观念：相互作用其实不是起源于对称性，而是起源于量子纠缠。我们发现、所有由规范对称理论所描写的相互作用，也都可以用量子纠缠来描写，这包括电磁、强、弱三种相互作用。可我们又发现，量子纠缠还会给出超越规范理论的新的相互作用。这样就提出了一个很有趣的问题：我们自然界中有没有超越规范理论的新相互作用？这将是一个很有趣的研究课题。

也许很多人会问：弦网理论和大家常听到的超弦理论有什么关系？弦网中的弦又是由什么组成的？除了它们都想解释我们宇宙中的基本粒子之外，其实弦网理论和超弦理论没有什么关系。在早期的超弦理论中，基本粒子被认为是一小段的弦。弦的不同振动模式对应于不同的基本粒子。而弦网理论关于基本粒子则有一个很不相同的图像。弦网理论的出发点，是认为我们的空间是一个由许多许多量子比特所组成的量子比特海。相邻比特的距离大约是普朗克长度：千亿亿亿亿分之一米，比质子小一万亿亿倍。这些量子比特有一个由弦网所描写的量子纠缠。所以弦网本身并不是什么东西，而是描写量子比特海中量子纠缠结构的一个名字。具体地说，我们把量子比特海中的0比特看成是背景。如果1比特连在一起，形成一个弦网结构；而由1比特组成的弦网还能动来动去，形成一个弦网液体，这样的结构就是我们想要的量子纠缠，一个由弦网所描写的量子纠缠。这一弦网量子纠缠就能描写我们宇宙中的基本粒子：弦的端点对应于电子、夸克这些粒子形态物质；而弦的密度波对应于电磁力、强力、弱力这些波形态物质。在弦网理论中，因为所有的基本粒子都起源于纠缠的量子比特，所以我们说物质起源于量子信息。因为量子比特是离散的，描写量子比特的理论对应于数学中的代数，所以弦网理论是以代数的眼光看世界，认为我们的世界是由离散的量子信息组成的。0和1是简单得不能再简单的东西，弦网理论认为，量子信息0和1是组成我们世界的基本构件，也是唯一的构件。

10  从杨-米尔斯理论到标准模型

杨-米尔斯理论从数学上确定了“对称决定相互作用”，那么我们接下来的问题就是“什么样的对称决定什么样的相互作用”了。比如，我现在要描述强力，那么强力到底是由什么对称决定的呢？

有些人可能觉得奇怪，你上面不是说了一大片同位旋守恒么，杨振宁先生不就是看到同位旋守恒和电荷守恒的相似性才最终提出了杨-米尔斯理论么，为什么现在还要来问强力是什么对称决定的，难道不是同位旋么？

没错，还真不是同位旋！

海森堡从质子和中子的质量相近提出了同位旋的概念，同位旋守恒确实也只在强力中成立，但是大家不要忘了质子和中子的质量只是接近，并不是相等。杨-米尔斯理论里的对称是一种精确对称，不是你质子和中子的这种近似相等，当时的科学家们把质子和中子的微小质量差别寄希望于电磁污染，但事实并非如此。所以，当杨振宁试图用质子中子同位旋对称对应的SU（2）群作为强力的对称群的时候，得到的结果肯定跟实际情况不会相符的。

但是，我们要注意到当时才1954年，人们对强力的认识还太少了，后来我们知道真正决定强力的精确对称是夸克的色对称，与之对应的群是SU（3）群，所以我们把最终描述强力的理论称之为量子色动力学（QCD）。但是，夸克这个概念要到1964年才由盖尔曼、茨威格提出来，所以杨振宁在1954年就算想破脑袋也不可能想到强力是由夸克的色对称决定的。

夸克有六种（上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克），每一种夸克也称为一味，质子和中子之间的微小质量差异是就是因为上夸克和下夸克的质量不同。另外，每一味夸克都有三种色（红、绿、蓝），比如上夸克就有红上夸克、绿上夸克和蓝上夸克，这不同色的同种夸克之间质量是完全相等的，这是一种完全精确的对称，这种色对称最后决定了强相互作用。



一旦建立了这种夸克模型，并且意识到夸克色对称这种精确对称对应SU（3）群，那么接下来利用杨-米尔斯理论去构造描述强力的理论就是非常简单的事情，基本上就是带公式套现成的事。所以，成功描述强力的量子色动力学的核心就是夸克模型+杨-米尔斯理论。

在弱力这边情况也是类似的，你要想找到描述弱力的理论，那就先去找到决定弱力的精确对称和相应的群，然后直接按照杨-米尔斯理论来就行了。但是，弱力这边的情况稍微复杂一点，科学家们没找到什么弱力里特有的精确对称，但是他们发现，如果我把弱力和电磁力统一起来考虑，考虑统一的电弱力，我倒是能发现这种精确对称。于是，他们索性不去单独建立描述弱力的理论了，转而直接去建立统一弱力和电磁力的弱电统一理论。而最后在弱电相互作用中真正起作用的是（弱）同位旋——超荷这个东西，他们对应的群是SU（2）×U（1）（×表示两个群的直积）。

描述强力的量子色动力学和描述电磁力和弱力的弱电统一理论一起构成了所谓的粒子物理标准模型，于是我们可以在杨-米尔斯理论这同一个框架下描述电磁力、强力和弱力，这是物理学的伟大胜利。同时，我们也要清楚地知道，杨-米尔斯理论不等于标准模型（没有夸克模型你拿着理论也不知道怎么用），它是一个数学框架，是一把神兵利器，它本身并不产生具体的理论知识，但是一旦你把它用在合适的地方，它就能给你带来超出想象的回报（想想我们50年代末还对强力弱力束手无策，但是70年代末就完全驯服了它们）。

新观念

标准模型是描写所有基本粒子的一个标准理论。它精确地描写了我们所观测到的所有基本粒子现象，并获得1979年诺贝尔奖。它是基础理论物理成功的典范。是以几何眼光看世界的代表。

但这方面的专家也都知道，标准模型本身并不是一个自洽的理论。也就是说标准模型作为一个量子理论，并没有一个严格自洽的数学定义。我们现有的标准模型仅仅是一个近似计算，是通过一个微扰展开来定义的。这个近似还不是自洽的，因为微扰展开100多阶以后的贡献比头几阶的贡献还要大。当微扰展开阶数越来越大的时候，其贡献也越来越大，趋于无穷大。换句话说，这样的微扰展开在数学上是不成立的。这就是我们为什么说，由微扰展开定义的标准模型不是一个自洽的量子理论。

可是如果我们只考虑微扰展开的头几项，标准模型所得出的结果跟实验吻合得很好。所以标准模型是一个很有用、很准确但又自相矛盾的一个理论。多年来大家一直想给标准模型一个严格自洽的定义。但正是因为标准模型有李政道-杨振宁所发现的宇称不守恒的性质，这一严格自洽的定义一直找不到。（我们很容易严格定义一个宇称守恒的“标准模型”。）这就是有名的手征费米子问题。但如果我们把相互作用和费米子认为是起源于有纠缠的离散的量子比特，用代数的眼光看世界，这样我们就能解决这一问题。这是近年来的一个新进展。（见《来自拓扑序的大统一》）

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11  不得不说的质量问题

标准模型的建立是另一个非常宏大的故事，就不多说了。这里谈一个不得不说的问题：质量问题。

在上面我们知道了费米子是组成物质的粒子，玻色子是传递相互作用力的粒子。比如两个电子之间通过交换光子来传递电磁力，两个夸克通过交换胶子来传递强力，那么光子和胶子就分别是传递电磁力和强力的规范玻色子。但是，大家有没有考虑过玻色子的质量问题？如果传递相互作用力的玻色子质量过大或者过小会咋样？



还是以溜冰场传球为例，假设两个人站在溜冰场上相互传篮球，那么一开始他们会因为篮球的冲力而后退（这就是斥力的表现），从而把距离拉开，但是他们会一直这样慢慢后退下去么？当然不会！当两人之间的距离足够远的时候，你投篮球根本就投不到我这里来了，那我就不会后退了。再想一下，如果你投的不是篮球而是铅球那会怎样？那可能我们还在很近的时候，你的铅球就投不到我这里来了。

在溜冰场的模型里，球就是传递作用力的玻色子，你无法接到球就意味着这个力无法传到你这里来，就是说它的力程是有限的。从篮球和铅球的对比中我们也能清楚地知道：玻色子的质量越大，力程越短，质量越小，力程越长，如果玻色子的质量为零，那么这个力程就是无限远的。

所以，为什么电磁力是长程力，能传播很远呢？因为传递电磁力的光子没有质量。但是我们也清楚地知道，强力和弱力都仅仅局限在原子核里，也就是说强力、弱力都是短程力，所以，按照我们上面的分析，那么传递强力和弱力的玻色子似乎应该是有质量的，有质量才能对应短程力嘛。

但是，杨振宁在研究规范场的时候，他发现要使得系统具有局域规范不变性，那么传递作用力的规范玻色子的质量就必须为零。也就是说，规范玻色子如果有质量，它就会破坏局域规范对称性。

为什么局域规范对称性要求玻色子的质量必须为零呢？你可以这样想，什么叫局域规范对称？那就是不同的地方在做着不同的变换，既然不同的地方变换是不一样的，那么肯定就必须有个中间的信使来传递这种状态，这样大家才能协调工作，不然你跳你的我跳我的岂不是乱了套？好，既然这个信使要在不同地方（也可能是两个非常远的地方）传递状态，按照上面的分析，它是不是应该零质量？只有质量为零才能跑得远嘛~

所以，这样分析之后，我们就会发现局域规范对称性和规范玻色子零质量之间的对应关系是非常自然的。但是，这样就造成了现在的困境：局域规范对称性要求规范玻色子是零质量的，但是强力、弱力的短程力事实似乎要求对应的规范玻色子必须是有质量的，怎么办？

这个问题不仅困扰着杨振宁，它也同样困扰着泡利（其实当时对规范场感兴趣的也就他们寥寥几个）。泡利开始对规范场的事情也很感兴趣（杨振宁就是读了泡利1941年的那篇论文才开始对规范场感兴趣的），但是当泡利发现了这个似乎无解的质量问题之后，他就慢慢对规范场失去了兴趣，也就没能得出最后的方程。

杨振宁的情况稍微不一样，他的数学功底非常好，对群论的深入理解能够让他更深刻地理解对称性的问题（想想那会儿物理学家都不待见群论，泡利还带头把群论称为群祸）。另外，在美学思想上，杨振宁是爱因斯坦的铁杆粉丝，他们都是“对称决定相互作用”坚定支持者，这使得杨振宁对规范场产生了谜之喜爱。而且，杨振宁那会儿才30岁左右，是科学家精力和创造力的巅峰时期，自然无所畏惧。

所以，杨振宁一直在疯狂地寻找杨-米尔斯方程，找到方程之后，即便知道有尚未解决的质量问题，他依然决定发表他的论文。在他眼里，这个方程，这套理论是他心里“对称决定相互作用”的完美代表，他跟爱因斯坦一样深信上帝喜欢简洁和美，深信上帝的简单和美是由精确对称决定的。如果是这样，那么还有什么比基于规范不变性这种深刻对称的杨-米尔斯理论更能描绘上帝的思想呢？

杨振宁对对称性的深刻理解使得他对杨-米尔斯理论有非常强的信心，至于强力、弱力上表现出来的质量问题，那不过是这个理论在应用层面出现了一些问题。强力、弱力比电磁力复杂很多，因此用杨-米尔斯理论来解释强力、弱力自然就不会像处理电磁力那样简单。为什么电磁力这么简单？你想想，电子有电效应，电子的运动产生磁效应，电子之间的相互作用是通过光子这个规范玻色子传递的，所以电磁力的本质就是电子和光子的相互作用。这里只有一个粒子电子，和一个规范玻色子光子，而且光子还是没有质量的，你再看看强力里面，三种色夸克，八种不同的胶子，这铁定比电磁力复杂多了啊！



所以，杨振宁想的是：杨-米尔斯理论没问题，现在它应用在强力弱力上出现了一些问题（质量问题就是初期最大的一个），这也是自然的。这些是问题，而非错误，以后随着人们研究的深入，这些问题应该可以慢慢得到解决的。

历史的发展确实是这样，质量问题后来都通过一些其他的手段得到了解决，那么质量问题最终是怎么解决的呢？

在描述强力的量子色动力学里，我们注意到传递夸克间作用力的胶子本来就是零质量的，零质量跟规范对称性是相容的。那如果这样的话，零质量的玻色子应该对应长程力啊，为什么强力是短程力（只在原子核里有效）呢？这就涉及到了强力里特有的一种性质：渐近自由。渐近自由说夸克之间的距离很远的时候，它们之间的作用力非常大，一副谁也不能把它们分开的架势，但是一旦真的让它们在一起了，距离很近了，它们之间的相互作用力就变得非常弱了，好像对面这个夸克跟它没任何关系似的，活脱脱的一对夸克小情侣。这样在量子色动力学里，零质量的规范玻色子就和强力的短程力没有冲突了。

渐近自由解释了为什么胶子是零质量但是强力却是短程力，那么传递弱力的W和Z玻色子可是有质量的。有质量的话短程力是好解释了，但是我们上面说有质量的规范玻色子会破坏规范对称性，这规范对称性可是杨-米尔斯理论的根基啊，它被破坏了那还怎么玩？

最后解决这个问题的是希格斯机制。希格斯机制是来打圆场的：你杨-米尔斯理论要求规范玻色子是零质量的，但是最后我们测量到W和Z玻色子是有质量的，怎么办呢？简单，我认为W和Z这些传递弱力的规范玻色子一出生的时候是零质量的，但是它来到这个世界之后慢慢由于某种原因获得了质量，也就是说它们的质量不是天生的而是后天赋予的，这样就既不与杨-米尔斯理论相冲突，也不跟实际测量相冲突了。

所以，希格斯机制其实就是赋予粒子质量的机制。它认为我们的宇宙中到处都充满了希格斯场，粒子如果不跟希格斯场发生作用，它的质量就是零（比如光子、胶子），如果粒子跟希格斯场发生作用，那么它就有质量，发生的作用越强，得到的质量就越大（需要说明的是，并不是所有的质量都来自于粒子和希格斯场的相互作用，还有一部分来自粒子间的相互作用）。2012年7月，科学家终于在大型强子对撞机（LHC）中找到了希格斯粒子，为这段故事画上了一个圆满的句号，也理所当然地预约了2013年的诺贝尔物理学奖。



这样杨-米尔斯理论就可以完整地描述强力、弱力和电磁力了，在霍夫特完成了非阿贝尔规范场的重整化（重整化简单地说就是让理论能算出有意义的数值，而不是无穷大这种没意义的结果，这是点粒子模型经常会出现的问题。举个最简单的例子，我们都知道电荷越近，它们之间的电磁力越大，那么当电荷的距离趋近于零的时候，难道电磁力要变成无穷大么？这个当做思考题~）之后，粒子物理标准模型就正式投产商用。

新观念

希格斯机制能够解释规范波色子和费米子的质量，但需要付出一个惨重的代价：这一解释非常不自然。在希格斯机制中有一个参数，其决定于粒子的质量有多大。这个参数可以是0.5，可以是1.6……等等。但为了得到我们实验中所观测到的质量，我们必须把这个参数精细调节为10-17（十亿亿分之一）。其实标准模型中的电磁、弱、强三种相互作用都会影响这一参数的值，对这一参数做一个数量级为1的修正。但为了得到实验中所观测到的质量，这三种修正必须精确调整到让它们几乎完全抵消，使得最后的参数是一个十亿亿分之一的小量。这也太不自然了。所以说希格斯机制是一个很丑陋的机制，一点都不美。但我们现在没有更好的机制，一点办法也没有，只好接受丑陋。这是基本粒子物理中有名的自然性问题，到现在一直都没有解决。

12  结语

至此，我们关于杨-米尔斯理论的故事就告一段落了，相信能坚持看到这里的人对杨-米尔斯理论应该都有了个大致的了解，对它的作用和意义也会有自己的判断。

之所以执意用这么通俗的语言讲杨-米尔斯理论，主要就是想让更多人更加客观地理解杨振宁先生的工作，很多事情如果彻底搞清楚了，就会省去很多无意义的争论。现在网上关于杨振宁先生的新闻很多，但是很不幸，大部分新闻上的却是娱乐版，即便除去那些娱乐八卦，关于杨先生科学方面的话题大部分最后都演变成了诸如“杨振宁真的很伟大么？”“杨振宁跟霍金谁厉害？”“杨振宁跟爱因斯坦一样伟大吗？”“杨振宁没有你想象得那么伟大！”等极容易引起撕逼骂战却又很空洞没营养的问题。并且，论战中的双方要么就把杨振宁先生往天上捧，要么就把他使劲往地上踩，这还算是科学讨论么？这是讨论科学问题该有的态度么？

物理学家并不是擂台上的拳击手，他们一起通力合作构建我们现在恢弘的物理大厦。没有开普勒和伽利略的奠基，不可能有牛顿的力学体系；没有法拉第的工作，不可能有麦克斯韦的电磁大厦；狭义相对论在20世纪初已经是水到渠成呼之欲出了，爱因斯坦也只不过是捷足先登了而已。而且，除了广义相对论确实是爱因斯坦的独门独创，好像还真没有哪个东西说是非谁不可的。没有牛顿，我估计胡克和哈雷也快找到万有引力定律了，洛伦兹和彭加莱已经一只脚跨入狭义相对论的大门了，有没有爱因斯坦狭义相对论差不多都该出现了。

我这么说并不是要否定牛顿和爱因斯坦他们的功绩，能抢在同时代最杰出的头脑之前发现那些理论，这本身就是科学家的能力体现。我只是想建议大家不要总把注意力放在“谁或者谁更伟大，谁比谁更厉害”这种很虚的东西上面，而更多的把注意力放在这些科学家工作本身上去，这些才是全人类共同的宝贵财富。大家的时间都很宝贵，我们就尽量把时间都花在刀刃上去，科学家最宝贵是他们的科学思想，而中国比任何一个国家都不缺少娱乐八卦。

杨振宁先生是我们国宝级的科学家，杨-米尔斯理论是他工作里目前已知的最为璀璨的明珠（鉴于杨振宁先生工作的基础性和前瞻性，他有很多理论刚提出来的时候不被重视，过了几十年之后却发现它极为重要，所以我不确定以后是否会出现比杨-米尔斯理论更重要的东西）。

诺特发现了对称性和守恒律之间的关系，打开了现代物理对称性的大门。

爱因斯坦敏锐而深刻地意识到了这点，然后以雷霆之势将它应用在相对论上，取得的巨大成功把当时其他的科学家惊得目瞪口呆。但是这个套路爱因斯坦熟悉，其他人不熟啊，况且在量子革命的时代，爱因斯坦是那帮量子革命家的“反面教材”，波尔才是他们的教皇，所以人家也不屑于跟你玩。

杨振宁可以说是爱因斯坦的嫡系弟子，如果说爱因斯坦对对称性是偏爱的话，那么杨振宁对对称性就是情有独钟了。他充分吸收了爱因斯坦的对称思想，并且把它发扬光大，再吸收了外尔的规范对称的思想，最后创造了集大成的杨-米尔斯理论。杨-米尔斯理论出来以后，对称性就不再是一个人的玩具了，杨振宁通过这个理论把对称性这种高大上的精英产品一下子变成了谁都可以玩的平民玩具，他把如何释放对称性里蕴藏能量的方式给标准化、工具化、流水化了。从此，“对称决定相互作用”就不再是一句标语，而成了物理学家们的共识和最基本的指导思想，这极大的释放了物理学家的生产力，为后来快速构建标准模型奠定了基础。

这一块是大家在谈论杨振宁先生的工作，谈论杨-米尔斯理论的时候最容易忽略的一块，如果你不能认识到对称性在现代物理里的重要性，不能认识到杨振宁先生和杨-米尔斯理论在对称性问题上的作用，那么你对杨先生工作的理解是非常片面的，甚至错失了他最精华的部分。希格斯机制、渐近自由、夸克禁闭、自发对称破缺、规范场的重整化，这些从杨-米尔斯理论到标准模型之间众多精彩纷呈的故事似乎更适合说书，但是，大家要记住对称性才是现代物理的核心。

杨振宁先生是非常伟大的物理学家，除了在学术上取得的巨大成就以外，他的治学态度一样十分值得大家去深入学习。深入了解之后你能非常明显地感觉到杨先生身上同时闪烁着中国教育和西方教育的优点，他非常有效地把东西方教育里的糟粕都给规避了，所以杨先生总是能很超前地看到一些关键问题。

杨振宁先生在八九十岁的时候还亲自给清华大学的本科生上课（羡慕嫉妒恨~），想必也是想把自己做学问的一些心得尽可能教给更多人，这点跟我们这些做科普的想法是一样的。考虑到杨先生的年龄，长尾君不得不写个大大的“服”，不知道以后自己七老八十了，还有没有给年轻人做科普的动力~

最后，祝杨先生身体健康~

新观念

“对称性决定相互作用”的确是引领我们物理学家近百年的标语。但现在它可能已经成为一个过时的标语。它可能会被一个新的标语所取代：“基本粒子及其相互作用起源于纠缠的量子信息”。今后在《返朴》我们会陆续地介绍这一新的世界观。

虽然杨-米尔斯理论是通过对称性的考虑而发展出来的。但我个人认为杨-米尔斯理论与对称性毫无关系，而是来源于当时还搞不清楚的量子纠缠。所以杨-米尔斯理论是一个超越他那个时代的理论，比我们的想象还要超前。

在学术中没有崇拜，没有教条。只有自己对美的认知，和对自己认知的追求与坚持。

参考文献

1. Xiao-Gang Wen, Topological order: from long-range entangled quantum matter to an unification of light and electrons,  arXiv:1210.1281