东方世界有幸有杨振宁
有的人活得很“叶公爱龙”。
他们声称渴望真理，但当真理到来时，他们却从心底里厌恶它。
他们感叹世界缺乏伟大，但当伟大在他们身边时，他们却诽谤他们。
杨振宁牛顿三大定律简称，作为人类最顶尖的物理学家之一。
他的伟大是在历史层面，他的成就是在文明层面。
作为人类的骄傲之人，他应该在华人世界受到崇拜，享有金字塔顶端的荣耀。
但这位智者中的智者却被太多的“bug”所困扰。
各种令人不快的流言蜚语，各种自以为是的道德绑架，还有一些无聊人的谣言和诽谤。 具体的骚扰我就不多说了，互联网上到处都是。
2017年，我们写了一篇文章《中国人，你真的不懂杨辰宁》，试图让更多普通人了解这个巨人的伟大。 然而时至今日，仍有无数人嘲笑他牛顿三大定律简称，但你了解他吗？
回顾人类近代史300年，这是一个科学“群星闪耀”的时代，他们的名字是：
哥白尼、伽利略、笛卡尔、牛顿、莱布尼茨、欧拉、高斯、黎曼、伽罗瓦、阿贝尔、麦克斯韦、希尔伯特、爱因斯坦、玻尔、狄拉克、科德尔、图灵、费曼、韦尔、温伯格、盖尔曼、维滕、霍金。 ..
伟大的科学家
正是这些名字，构建了伟大的“科技时代”，孕育了辉煌的现代文明。
在东方世界，能够进入这座阵法的人是——杨振宁。
杨振宁为何有资格站在这个阵中？ 有一点非常相似。 和麦克斯韦、爱因斯坦、狄拉克、牛顿等一样，他试图用一个理论（方程）来解释整个世界。
“宇称不守恒”只是开胃菜
杨振宁用什么公式来统治世界？
奇偶校验不守恒
在大多数人的记忆中，杨振宁和李政道因发现弱相互作用下的“宇称不守恒”而获得了第一个华人诺贝尔奖，使他闻名于世。
事实上，“宇称不守恒”的发现只是他的开胃菜。 杨最大的贡献是杨-米尔斯公式的贡献。
什么是杨-米尔斯方程？
学术界的观点是：
杨氏理论是基于 SU(N) 群的规范理论，或者更一般地说，基于紧致、半单李群。 杨米尔斯理论旨在利用这些非阿贝尔李群以及电磁力和弱力的统一核心（即U(1)×SU(2)）以及量子色动力学理论的强力来描述基本粒子的行为（基于 SU（3））。 这构成了我们理解粒子物理标准模型的基础。
万物理论基本模型
好吧，用人类的话来说：
杨振宁说，我已经研制出了一个配方。 基于这个公式，可以形成一套数学框架。 该框架可以描述电磁力和弱力。 我现在已经建立了这个框架，但是我的能力有限。 希望大家能够共同努力。 我它是开源且免费的。 如果你努力学习，仔细研究，你可以用它来统一电磁力、弱力和强力。 当我们使用这个框架战胜引力的那一天，我们将超越爱因斯坦。
稍有物理常识的人都会猜想，杨振宁提出的这个方程与大统一理论无关？
科学的圣杯：统一四种自然力量
是的，要理解杨-米尔斯方程的伟大，我们必须从“大统一理论”开始。
那么什么是“大统一理论”，为什么要统一人类理论呢？ 杨-米尔斯方程在这里起什么作用？
大统一理论思维导图
“大统一理论（Grand）”简称GUT，又称万事万物原理。 因为微观粒子之间只有这四种相互作用力：万有引力、电磁力（由麦克斯韦完成）、强核力、弱核力。
从理论上讲，宇宙中的一切现象都可以用这四种力来解释，所以物理学家一直认为这四种力应该具有相同的物理起源，它们应该能够在一定条件下走到一起。 在同一理论框架内。 能够统一解释这四种相互作用力的理论或模型，可以称为“大统一理论”。
因为“大统一理论”的构建，人类可以解释一切。
因此，构建“大统一理论”是所有顶尖科学家的梦想。
构建“大统一理论”的出发点是统一四种自然力，必须从最基本的粒子相互作用开始。 由于微观粒子之间的相互作用力只有四种，万有引力、电磁力、强核力、弱核力。 理论上，宇宙中的一切现象，包括十维空间，都可以用这四种力来解释。
1、电磁力：包括电、磁和光本身，是一种远距离的力。
2. 强核力：夸克之间的吸引力，通过胶子传递。
3、弱核力：弱核力控制某些放射性物质的衰变形式，引起β衰变。
4、重力：由引力子传递，与质量成正比，与距离成反比。
通过统一这四种自然力，人类可以改变时空结构，了解宇宙万物的来龙去脉，使物质变得有序。 任意组合和改变粒子，创造出前所未有的物质形式。 我们甚至可以控制空间的维数，成为宇宙真正的主人。
让我们回顾一下人类掌握“权力”的历史：
1、人类自诞生以来99.99%的时间里，唯一能控制的能量就是手和肌肉力量，只有马力的八分之一；
2、十万年前，随着手持工具的发明，人类的能量输出增加了一倍，达到四分之一马力；
3.牛顿发现了万有引力。 现代机械原理催生了蒸汽机，人类控制的能量达到几十到几百马力；
4、麦克斯韦方程组，人类进入了电力时代，能量级数实现了飞跃，极大地推动了人类文明的进程；
5、爱因斯坦的质能方程为人类开启了核能新时代，但人类尚未成功探索其潜力。
可见，如果有一天我们统一四种力量，我们将赢得科学的圣杯，成为我们自己的上帝。
人类最伟大的“火贼”
找到一个可以解释宇宙中一切的方程并不容易。
人类世界那些试图“统一自然力量”的科学家都是顶尖的天才。
在科学统一的道路上，这些“盗火贼”包括伽利略、牛顿、黎曼、麦克斯韦、爱因斯坦，而今天我们要说的就是杨振宁。
让我们来看看天才们走过的这条曲折而辉煌的人类之路。 也许有的人沉迷于春秋时期的王将杀戮，有的人崇拜权贵帝国，但对我来说，人类的顶尖天才都在寻找真知圣火。宇宙。 那是一个让全人类真正感到自豪的时代。
让我们一起经历这段曲折而精彩的旅程：
黑暗的中世纪逐渐褪去，文艺复兴给欧洲带来了巨大的变化。 伽利略用望远镜仰望星空，似乎得到了上帝的指引。 他首先统一了动与静的关系。
紧随其后的牛顿，真正成为了上帝的使者。 他的牛顿三定律和万有引力公式，直接统一了天上星辰的力量，一切都变得明亮起来。
无与伦比的数学天才黎曼也不甘示弱。 当所有人都拜倒在牛顿的膝下时，他认为自然力只是几何结构扭曲造成的现象，直接击败了已经成神的牛顿。 不幸的是，上帝嫉妒黎曼。 他英年早逝，被埋葬在比甘佐洛教堂的庭院里。 他的墓碑上刻着这样的铭文：为了爱上帝的人的利益。
麦斯威尔紧随其后。 这个低调的男人让人怀疑他一生从未谈过恋爱，但他却拥有无与伦比的数学能力。 由于他没有其他爱好，他建立了完整的电磁理论，统一了电和磁。
直到19世纪末，人类一直过得很顺利。 大统一理论似乎就在山的另一边、水的另一边。 引力由牛顿万有引力定律控制，电磁力由麦克斯韦方程组控制。 但麻烦来了。 麦克斯韦方程组和牛顿力学的框架实际上是矛盾的，守护人类科学边界的左右卫士正在战斗。 谁敢挑衅？
幸运的是，另一位天才爱因斯坦横空出世。 他用狭义相对论调和了麦克斯韦方程组与牛顿力学之间的矛盾，用广义相对论对付了喜欢在时空中徘徊的万有引力身边的大刺。 接下来，爱因斯坦的野心变得非常明显：统一引力和电磁力，找到整个宇宙的终极真理。
正当爱因斯坦思考人类的终极秘密时，量子力学的古惑仔突然出现。 他们不但不来帮忙，还和“不确定”、“不确定”打闹。 他一路狂奔，撬开了原子核的“潘多拉魔盒”，发现了原子核内部两种新的力：强核力和弱核力。
这很棒。 重力和电磁力不仅未能统一，反而出现了两种新的力。 爱因斯坦差点气死。 这辈子不可能统一了。
接下来就是杨振宁的表演时间了。 对于杨振宁来说，重力似乎“跳出了三界，不在五行之中”。 就让它安心地待在爱因斯坦广义相对论的宫殿里吧。 让我们首先将电磁学代入方程中。 弱核力、强核力三种力量已经统一了，我们可以回去慢慢对付。
1954年，32岁的杨振宁提出了杨-米尔斯方程，并为此发展了基于对称性和群论的数学框架，这就是著名的“杨-米尔斯规范理论”。
“规范场”能与“相对论”相媲美吗？
规范场理论真的那么强大吗？
诺贝尔奖获得者丁肇中曾说过：
“说到本世纪物理学的里程碑，我们首先想到三件事，一是相对论（爱因斯坦），二是量子力学（狄拉克），三是规范场（杨振宁） ”。
但大多数人根本没有听说过这个理论。 《相对论》是小学毕业前大家都知道的“和女朋友在一起的时间可以缩短”的故事。 “量子力学”也让你耳朵发麻，但说实话，我从来没有听说过“规范场论”。
规范场论
其实原因很简单。 “规范场论”是当代物理学的前沿。 如果您不是博士学位。 在物理学中，不可能接触到“规范场论”，生活中也无法处理同位旋SU(2)。
“规范场论”不再是质子和中子的朋友，而是和夸克同级的捉迷藏小玩意。 普通人都已经饱受电磁场的折磨，又怎么敢进入“规范场论”的仙境呢？ 在俱乐部练习。
那么，另一个问题就有答案了。
很多人在问，过去60年物理学家都在做什么？ 大家似乎只记得1900年到1953年的黄金时代，当时爱因斯坦、玻尔、薛定谔、海森堡、狄拉克、玻恩、泡利等天才齐聚一堂。
1955年爱因斯坦去世后，物理学界的声音变得安静了很多。 过去60年物理学家去了哪里？ 答案是：很多优秀的物理学家都在“规范场论”中寻找存在的意义，但这个领域太过前沿和深奥，能够真正理解的人并不多。
如果说“相对论”是20世纪初物理学的旗手，“新量子论”是20世纪中叶的主导力量，那么20世纪下半叶则是“规范场论”的主导力量。 ”。
当然，也有一些不同的意见。 20世纪只有相对论和量子力学，其他都是前奏或后续。 规范场论是后来最成功的理论之一。
这方面我们不会过多讨论，但基于“规范场论”的微观粒子标准模型绝对可以称为20世纪物理学三大成就之一。
“规范场论”的微观意义：
建立微观粒子标准模型
规范场论虽然陌生，但本质上和牛顿三定律没有什么区别。
大多数人对微观粒子的认识基本上到了“夸克”时就结束了。 物理教科书对“夸克”也含糊其辞，很少有人探索这个深层的亚原子世界。
宏观世界有牛顿三定律。 人类无论深入地下还是探索火星，都必须遵守牛顿定律。 但在微观世界中，我们应该遵守什么规律呢？
原子图
“规范场论”的目标是建立一个完美的粒子标准模型来描述亚原子世界的运动状态，使所有肉眼不可见的创世粒子都可以在这个标准模型下运行。 但这比玻尔早期在“量子世界”建立原子标准模型要困难得多，因为亚原子世界比原子更微妙，比电子更空灵。
现代粒子碰撞实验示意图
现代物理学必须弄清楚质子、中子和电子如何相互作用。 人类要探索这个世界，只能通过大型对撞机来发现线索。
经过现代粒子碰撞实验和理论的发展，主流物理学已经达成共识：质子由两个上夸克和一个下夸克组成，中子由两个下夸克和一个上夸克组成，这些夸克的性质是不同的颜色。
质子夸克模型
然而，为了构建一个全面的夸克理论，我们必须假设有六种类型的夸克，它们组合成许多其他粒子。 除了由夸克组成的强子外，还有轻子。 就像夸克一样，轻子有六种类型。 夸克之间的强相互作用需要相应的交换粒子进行传输。 这些交换粒子称为规范玻色子（例如胶子）。
从夸克、轻子、规范玻色子、希格斯玻色子的相互作用来看，“规范场论”是描述亚原子世界最成功的物理框架。 目前的实验结果与规范场理论的结果是一致的。 标准模型非常适合，它对电子和光子之间相互作用的预测非常准确，是历史上最准确的理论之一。
实验证明这个理论是正确的，无论你是否相信“规范场论”，它现在都是粒子物理学的基石。
换句话说，规范场论就是牛顿微观世界三大定律。
“规范场论”的宏观意义：
实现爱因斯坦的“大统一理论”
微观与宏观是对应的，微观粒子之间的相互作用最终表现为宏观的力。
自然界中几乎所有基本相互作用都是通过某种形式的规范场传递的，从而确立了当代物理学的基本原理：几乎所有基本力都是规范场。
那么，规范场论是否有可能实现爱因斯坦眼中的“大统一理论”呢？ （如果你看不懂下面的内容，那不是你的问题，是杨振宁先生的问题，量子学派已经尽力了）
量子规范理论实验图
我们可以使用规范群行为的规范场理论来找到这个答案：
1. 电磁力对应规范场理论。 这是最简单的规范场理论。 与电磁相互作用相关的群是阿贝尔群。 伟大的数学家韦尔给出了精彩的解释。
2、弱核力对应规范场论。 从杨-米尔斯理论中引入非阿贝尔规范场论来解决，核子的同位旋对称性在数学上属于一个群，是一个非阿贝尔群。
3、强核力对应规范场论。 强子由夸克组成，夸克之间的强相互作用是通过规范相互作用实现的，群也是非阿贝尔群。
真空对称性的自发破缺
1967年，温伯格和萨拉姆将“对称破缺”引入弱相互作用和电磁相互作用的统一模型中，提出了规范群结构，建立了电弱统一理论，即规范场理论。
量子色动力学
1973年，格罗斯、波利茨和威尔奇克建立了基于非阿贝尔规范场的量子色动力学。 形成了与电磁力、强核力、弱核力有关的所有物理现象的标准模型。
也就是说，除了引力之外，“规范场论”还统一了三种力。
此外，我们还可以看出，引力场是局域广义时空坐标变换下协变的规范场理论。 这不得不让人思考：物理学统一之路是否属于“规范场论”？
当然，将引力纳入“规范场论”的标准模型并不容易。 尽管该组涵盖了三种类型的交互，但它们毕竟是三个不同的组。 如果你能找到单个群，比如流行的和，它们包含子群，然后对称性在低能尺度自发破缺，这就是大统一。
超弦理论
直到现在，引力还没有统一，这涉及到更前沿的“超弦理论”和“M理论”。 随着希格斯粒子的发现，“超弦理论”充满了困难。 目前，“规范场论”仍然是最有可能实现爱因斯坦“大统一梦”的最佳理论。
最大的错误：杨-米尔斯方程
物理学家基于规范场论的框架，建立了基本粒子标准模型，这是现代物理学最伟大的成就。
过去60年里，没有任何伟大的物理学理论得到共识发表；
过去60年，没有一位伟大的物理学家被视为世界的“灯塔”；
在过去的60年里，没有任何令人兴奋的新理论得到检验；
很多时候，我们甚至怀疑真的有超级文明锁住了我们的物理！
再次回顾“规范场论”，我们越来越能感受到它的伟大。 这个统治了半个世纪物理世界的理论与最初的杨-米尔斯方程密不可分。
杨振宁在普林斯顿研究生院课堂
1949年春，29岁的杨振宁考入普林斯顿高等研究院。 他不仅租用了伟大数学家韦尔的房子，而且还接替了韦尔在理论物理界的地位。
作为出生在中国的物理学家，东方美学一直深深影响着他。 “对称”对于杨振宁来说一直有一种磁性的吸引力。
遵循Weyl的思想，他将规范不变性扩展到类似于电荷守恒定律的同位旋守恒。 在认识到同位旋对称性的描述是非阿贝尔群后，他和他的学生米尔斯提出了杨-米尔斯理论，即“杨-米尔斯方程”。 经过后世科学家的重新推导和修改，现在的方程如下：
Yang-Mills 方程是一个非线性波动方程，是线性麦克斯韦方程的推广。
虽然世界上没有多少人能理解它，但它是物理学中最重要的方程之一，它开启了“规范场论”的伟大征程。
但杨-米尔斯理论并非一帆风顺。
1954年，杨振宁受到物理学界“神鞭”泡利的质疑：电磁规范场的作用传播者是光子，而光子没有质量。 然而，强弱相互作用与电磁力不同。 电磁力是长程力，强相互作用力和弱相互作用力都是短程力。 一般认为，短程力的传播粒子必定具有质量。
泡利确实是物理学黄金时代的顶尖人物，眼光敏锐。 正是这个质量问题，让规范理论默默等待了20年！ 年轻的杨振宁满头冷汗。 场面极其尴尬，报道根本无法进行下去。 感谢主持人奥本海默，泡利放弃了。
虽然杨-米尔斯公式并没有真正解决强相互作用的问题，但它构造了一个非阿贝尔规范场的模型。
任何人都无法否认创始人对这一理论的巨大贡献。 这样的成就是不可否认的。
规范场理论由温伯格、盖尔曼、希格斯、维滕和其他科学家贡献，为所有已知粒子及其相互作用提供了一个框架。 后来弱电的统一、强相互作用、标准模型都是建立在这个基础上的。
甚至尚未统一到标准模型中的重力也可能包含在规范场理论中。
如今，六十多年过去了，可以毫不夸张地说，杨-米尔斯规范场论在现代理论物理中发挥了“基础”作用。
“规范场论”的遗憾：
杨米尔斯存在和质量差距
“规范场论”在实验室中已被反复证明，但数学解释并不完善。
杨-米尔斯理论天生就有缺陷。 泡利提出的质量问题最终被南部洋一郎的自发对称破缺机制和希格斯等人发明的希格斯机制解决。 结果是电弱统一。 理论。
电弱统一理论示意图
但这并不能否定杨的成就。 在他获得诺贝尔奖后的63年里，丁肇中、希克等7位诺贝尔奖获得者因发现杨的“杨-米尔斯规范场论”预言的粒子而获奖。 斯里兰卡。
杨氏家族几乎垄断了诺贝尔物理学奖的理论物理和粒子物理部分长达60年。 研究杨振宁方程的菲尔兹奖也有6枚。
对于任何物理学家来说，这是多么伟大的成就。
至于微观粒子的基本模型，经过温伯格、盖尔曼、希格斯、维滕等科学家的贡献，这些人最终预测了61种基本粒子。
标准模型的基本粒子
在接下来的几十年里，寻找这61种基本粒子成为物理学家毕生的追求。 令人惊奇的是，每一个粒子都被一一发现，微观粒子的基本模型成为了一座神圣的祭坛。
既然杨振宁提供了基本的框架，并告诉了大家如何搜索，那么功劳归于他也是情理之中。
每发现一个粒子，他的头上就会多一个魂环。 这就是老杨现在成为泰山北斗的原因。 纵观现代物理学的研究，杨振宁是一座无法回避的高山。
从这个意义上说，说杨-米尔斯公式统治世界并不夸张。
他是一只翱翔在天空的雄鹰
杨-米尔斯理论，它是全人类的智慧。
就像欧几里得几何的五公理一样，它是科学大厦的“基础”。
杨振宁的贡献是不能被娱乐八卦污蔑的。
1957年诺贝尔奖现场照片
然而，我们不能神化一个人。 除了爱因斯坦之外，随着物理学发展的今天，一个人完成整个结构基本上是不可能的。
很多理论的基本框架刚建立的时候，很多概念都是模糊的、不成熟的。 杨振宁虽然提出了非阿贝尔规范场，但当时仍局限于同位旋SU(2)。
在评价“杨-米尔斯规范场论”时，很多人将“杨-米尔斯规范场论”等同于微观粒子的基本模型。 事实上，微观粒子基本模型的建立是一项浩大的工程。 无数杰出物理学家为其做出了杰出贡献，它还产生了十七位诺贝尔奖。
杨振宁荣获诺贝尔奖
然而，无论你如何解释，杨-米尔斯方程在历史上仍然是伟大的。
杨振宁提供的基本框架也站在了文明的顶峰。
现代物理学的高山虽然连绵不绝，但孤峰却屈指可数。
量子电动力学大师弗里曼·戴森在他的著名演讲《鸟与青蛙》中评论道：
杨振宁正飞翔在由许多小问题组成的热带雨林上空。 我们大多数人一生都在这些小问题中度过！
是的，他就像一只雄鹰，俯瞰着整个地球。
今年，杨振宁先生一百岁了。
祝你永远健康，永远年轻。
本期编辑| 傅立叶
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