撰写者 陈学雷,中国科学院国家天文台研究员、宇宙暗物质与暗能量研究组组长、星系宇宙学研究室副主任。

编者按:2018年1月3日,诺贝尔物理学奖获得者杨振宁院士访问中国科学院国家天文台,并作了关于麦克斯韦方程组和规范场论起源的学术讲座。 麦克斯韦方程组是英国物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦在19世纪建立的一组偏微分方程,用于描述电场、磁场、电荷密度和电流密度之间的关系。

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观看著名物理学家杨振宁视频讲座:麦克斯韦方程组概述和规范场理论的起源

学术报告是增强学术氛围、开阔视野、促进学术交流的重要途径。 我的同事苟立军来到天文台后,为推广台湾学术报告提出了很多好主意,包括每年邀请重量级人物为全台首次学术报告做讲座、安排报告网络直播等。今年,我台邀请杨振宁先生来台做报告。 杨先生是当今在世的最杰出的物理学家之一,现年95岁。 他的报告是台湾学术演讲中前所未有的盛事。 由于想要参加的人太多,但场地有限,泰里不得不发行门票,而且一票难求。 幸运的是,即使不在场的人也可以观看网络直播。

我本人以前听过两次杨先生的报告,一次在清华大学,一次在中科院物理研究所,都是二十多年前的事了。 因此,我这次提前进场,选了靠近前排的座位。 下午4点,杨振宁先生准时来到观象台,走上主席台。 报告会由陈建生院士主持。

杨老师做了题为“麦克斯韦方程组和规范场论的起源”的讲座。 杨先生在报告中回顾了规范场论的发展历史,包括他仔细研究历史文献得出的结论,以及他自己和米尔斯提出非阿贝尔规范场的历史过程。

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杨先生首先回顾了电磁理论的早期发展历史。 最早,数学性很强的安培给出的磁与电流的关系是基于远距离作用的概念。 法拉第不懂数学,但他首先通过实验研究否定了远距离作用的概念,提出了一个模糊的几何概念:电紧张态,但未能给出精确的定义。 23岁从剑桥大学毕业后,麦克斯韦决心研究电学理论。 仅仅两年后,他就写出了三篇经典电磁论文中的第一篇。 在这篇论文中,受到汤姆森论文的启发,麦克斯韦写出了磁场强度等于矢量势旋度的公式:H=▽×A,其中A现在称为矢量势,即法拉第电紧张态。 杨先生特别指出,虽然科学史家常常将麦克斯韦在第二篇论文中发现位移电流视为他最大的贡献,但实际上写出这个公式也是麦克斯韦的一大贡献。 杨先生还饶有兴趣地讨论了麦在涡流理论的启发下发现位移流的过程,但表示,今天我们很难完全理解麦在当时的思想。 他自己也曾多次仔细研究过麦的推理过程。 不成功。

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麦克斯韦一生都用矢量势A来表达他的方程组,但由于A不是直接可观测的量,麦克斯韦之后的亥维赛、赫兹等人并不喜欢这样,他们致力于消除电磁场方程中的A并相反,仅使用电磁场强度 E 和 H,但今天我们知道 A 实际上具有基本意义,并且由于量子力学阿哈罗诺夫-玻姆效应而无法消除。

之后,狄拉克写出了相对论量子力学中电子的运动方程,并预言了正电子的存在。 杨先生曾经研究过这段历史。 他指出,赵忠尧先生实际上是第一个通过实验发现正电子的人。 遗憾的是,当时赵先生和他的导师密立根并不了解正电子理论。 迈特纳等著名物理学家的类似实验结果与赵忠尧先生不一致。 事后看来,赵先生是对的,他们是错的,但在当时,这使得赵先生的发现没有受到重视,因此正电子的发现后来被归咎于同一个安德森实验室采取了不同的方法来做出这一发现。

正电子发现后,人们又在此基础上发展了量子场论。 为了克服发散问题,重整化理论在 20 世纪 40 年代和 20 世纪 50 年代发展起来。 杨先生随后谈到了规范场论在20世纪50年代和1970年代的发展,包括他自己的工作。 在此之前,韦尔首先从1919年推广相对论的想法出发,认为标准尺度可以在时空中的每一点局部定义,并引入了“比例因子”,这就是今天称为“仪表”。 概念。 但爱因斯坦等物理学家认为,此类理论与物理实验不符。 后来,在1929年Weyl发表的理论中,将比例因子改为量子力学中的复数相位因子,从而重新推导了电磁场理论,但没有得到新的结果,因此被视为美丽但不完美的重要理论形式。

随着二战后大量新粒子的发现,为了描述这些粒子之间的相互作用,人们提出了各种理论。 当时还是博士后的杨先生想提出一种基于一些基本原理的相互作用理论,于是在1954年与米尔斯合作,将麦克斯韦理论中的电荷守恒推广到核子的同位旋守恒,从而建立了非阿贝尔规范理论。 这个理论刚提出的时候,并没有被物理学界接受,因为这个理论预测的规范场粒子的质量为零,但除了光子之外,人们还没有发现任何质量为零的粒子。 当时泡利也在研究这个问题,他可能已经意识到了这个问题。 因此,杨先生在做报告时多次被泡利打断询问他的粒子质量,他不得不停止报告。 后来随着研究的发展,人们发现了希格斯机制,无质量的规范场粒子可以通过自发对称破缺获得质量,解决了这个问题,并利用规范场理论模型建立了粒子物理的标准。 直到2012年,CERN的实验发现了希格斯粒子,才最终证实了这一理论的正确性。 也正是在20世纪70年代,人们发现物理中的规范场和数学中的纤维束其实是同一个东西。

最后,杨先生得出的结论是,已知的四种相互作用中,有三种可以用规范场来描述,但万有引力理论,即广义相对论,无法与量子理论结合起来,可能一两年内都无法解决。 。 很奇怪的是,宇宙的结构中存在着电磁现象,而且这个结构非常美丽,所呈现的现象,人类对它的认识,以及通过这种认识取得的新发展,简直是一个无法想象的奇迹。 这里还有很多深奥的东西,这些深奥的东西要等待年轻的、勤奋的科学家去研究。

我有幸第一个向杨先生提问。 我问的第一个问题是,20世纪50年代粒子物理有这么多新发现,杨先生是怎么想到研究规范场的呢? 杨先生回答说,他在西南联大的7年时间里打下了很好的场论基础,并且对场论进行了多年的深入思考。 他想从一个基本原理上找出相互作用。 我问的第二个问题是,当他发现规范场粒子的质量为零时他是怎么想的,他是否认为有一天有什么办法最终解决这个问题。 杨先生说,无论他在哪里做报告,大家都会问这个问题。 他说,他们论文的最后一段写得很仔细,说这个问题很复杂,需要深入研究。 而泡利也研究了规范场,但是因为这个问题没有发表。

此后,很多人提出了很好的问题,这里就不一一列举了,感兴趣的朋友可以观看视频。 但我认为这里有两个问题。 一是杨先生特别提到一个非常重要的物理问题是暗物质。 暗物质需要研究,但这也是一个难题,因为已经有30到40年的研究历史,但没有取得进展。 作为暗物质和暗能量的研究者,我觉得杨老师对我们这个领域的评价非常准确——很难,可能不会很快取得突破,但值得深入研究。

另一个问题问杨先生对一些地方将物理纳入高考选考的看法。 杨老师认为,一些基础的物理知识,比如能量守恒、为什么需要高压输电等高中物理知识是每个现代年轻人都应该具备、应该学习的常识。 当然,并不是每个人都需要知道麦克斯韦方程组。

报告结束后,国家天文台台长颜军还向杨总赠送了纪念品。 那是一块牌子,上面镶嵌着一块陨石。 这是一块重18克的石铁陨石,主要成分是橄榄石。 牌子上还有一首诗,是我和吴金水老师写的。

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杨先生是一位杰出的物理学家,他的报告非常精彩。 衷心祝愿他健康长寿!

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