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从空中楼阁到微观世界的理论基石 空中楼阁理论( 二 )


然而，年仅三十岁的奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利却是守恒定律的坚定信徒 。为了解释这个问题，他提出了一个假设:他认为在衰变过程中，除了实验中观察到的带电粒子射线之外，还有一束不带电的粒子射线 。这种粒子是如此的小，如此的孤立，以至于当时的各种探测器都无法观测到 。这种粒子就是中微子(泡利最初称之为“中子”，但两年后詹姆斯·查德威克发现真正的中子后，恩利克·费密和泡利将其改名为“中微子”) 。这也是历史上第一次完整地写出了涉及弱核力的衰变过程的表达式 。
几年后的1935年，为了解释原子核中的质子和中子是如何束缚在一起的，日本科学家汤川秀树提出了强核力理论 。

沃尔夫冈·泡利
在之后的二十多年里，物理学界对强核力和弱核力进行了更深入的研究 。1953年，科学家想模仿麦克斯韦方程，写出描述核子、介子及其相互作用的方程 。这时，长期研究规范场的泡利首先取得了一些突破 。他通过纯数学工具严谨地推导出了一个可以统一描述电磁力场和核力场的非阿贝尔规范场方程 。
上面的“阿贝尔”是指这个规范场满足“阿贝尔群”的条件 。尼尔斯·阿贝尔是一位天才的挪威数学家，英年早逝 。在他仅有的26年生命中，阿贝尔在数学的许多领域做出了杰出的贡献，其中之一就是具有交换性质的群 。为了纪念这位数学家，交换群也被称为阿贝尔群 。对于一类规范场的变换，如果连续两次变换的结果与阶无关，则数学上称为阿贝尔，否则称为非阿贝尔 。比如大家熟知的加法，1+2+3=1+3+2，与计算的顺序无关，所以加法属于阿贝尔群 。但是三维空中的旋转会有不同的结果 。例如，下图是中国物理学家安东尼·齐(Anthony Zee)在他的科普著作《可怕的对称性》中给出的一个例子 。按照军官的要求，一名海军新兵先用竖轴向右旋转90度，再用横轴向右旋转90度，来换取这两个命令 。

非阿贝尔群运算的一个例子
数学上，电磁力满足阿贝尔规范场的形式，而核力之间的相互作用呈现非阿贝尔规范场的形式 。
此时，泡利已经53岁了 。他因泡利不相容原理等理论而闻名，并成为一名著名的年轻科学家 。他被学术界称为“物理学的良心”、“上帝的鞭子” 。虽然他写的《非阿贝尔规范场的信息资源网》在数学上很美，但他意识到这个方程在物理学上还有一个致命的缺陷，就是方程有一个发散项，这意味着这个方程表明规范场必须有质量为零的规范粒子和转移相互作用才能维持方程的关系 。而质量为零的规范粒子，意味着它传递的相互作用力应该是长程力，应该可以在无限远的距离上接收到它的力，这与现实中发现的短程力核力相矛盾 。因此，泡利意识到他的理论“导致了一些相当不切实际的阴影粒子”，所以他只在几篇报告中讨论了这一理论，而选择不发表这一成果 。
然而，第二年，一个三十出头的中国人和他的美国伙伴写了一个类似的方程，他们希望这个方程可以描述强大的核力 。与谨慎的泡利不同，这个年轻的中国人选择了迅速发表自己的研究成果，并开始了在学术圈的宣传 。
1954年，年轻的中国人在普林斯顿做了一场关于这个方程的学术讲座，报告厅里坐满了大师，仿佛刀光剑影 。其中有泡利前年写的同样概念的方程 。当这位年轻的中国人在黑板上写下他的新发现时，他被坐在台上的泡利打断了，“方程描述的这个场的质量是多少？”泡利的问题简单却深刻，却像一根内力丰富的手指戳中了这个理论的软肋:它无法描述现实中有质量的粒子，泡利自己也很清楚这一点 。宝本希望目睹一场精彩的魔术，但中国人只是尴尬地回答道:“我不知道……”
质量！质量在哪里？这是保利最担心的 。不解决粒子质量的来源问题，所有美好的方程都是纸上谈兵 。不出意外，这个中国年轻人写的方程发表后并没有引起当时学术界的重视，这个理论在那之后被搁置了一段时间 。
这个年轻的中国人是杨振宁 。这个方程最初是由泡利写的，后来被杨振宁和他的合作者重新发现，后来被一些人称为杨-米尔斯方程，因为和米尔斯选择发表它 。

杨振宁和罗伯特·米尔斯
然而，当时的泡利、杨振宁和米尔斯可能都没有想到，多年以后，这个有缺陷的方程所描述的规范对称性成为了标准模型的基石之一 。
基本粒子的“元素周期表”与泡利等人痴迷于研究物质之间的相互作用不同，现在有另一批科学家痴迷于研究物质本身 。


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