科学大唠嗑：物质是什么（13）杨振宁理论被质疑

科学大唠嗑

张喆

天津市天文学会会员

天津科技馆科普辅导员

上一期咱们提到了基本粒子成为量子场的基本振动或涨落；质子和中子由夸克组合而成，由胶子束缚；质量成为一种行为而不是一种性质。这个时候我们能够发现，其实根本没有质量这回事，有的只是量子场的能量。

中微子的发现过程

现代物理学家其实很难理解量子理论所告诉他们的关于物质世界本质的内容，但是量子理论的基本正确性是不可否认的。直到今天，量子理论还在持续不断地做出人们难以理解的预测，但这些预测都能在实验中得到严格的证实。

现在，环绕着原子核的电子的行为支撑着物理学，以及几乎所有的化学和分子生物学的发展。然而，我们知道原子内部的结构远远不止这些，随着量子电动力学问题的圆满解决，物理学家的注意力就已经转向了原子核本身的结构。

量子电动力学可以说非常成功，它给物理学家们提供了一种通用的方法，可以建立新的理论，用来解释原子内部其他力是如何发生作用的。

20世纪50年代初，人们认识到原子内部有三种力，其中电磁力使得带电的原子核与电子结合在一起，另外两种力则作用于原子核内的质子和中子。

第一种力被称为弱核力，第二种力被称为强核力，弱核力比强核力要弱得多。弱核力出现在某些类型的放射性衰变中，如β衰变。所谓的β衰变就是一个中子自发地转变成一个质子，同时喷射出一个快速移动的电子的过程。

其实，自由中子自身就具有放射性，而且不稳定，它的半衰期大约是610秒，但是中子和质子在原子核中结合在一起之后就会稳定下来，所以大多数原子核都是没有放射性的。

但也不全是这样，比如有一种含有19个质子和21个中子的钾同位素原子的原子核，它自身所具有的能量略大于它能稳定容纳的能量。它的半衰期约为13亿年，是所有包括人类在内的动物体内天然核辐射最主要的来源。

电子参与了β衰变，这说明弱核力也能作用于电子。所以现在我们直接称这种力为“弱力”。但是β衰变还有一个问题，如果仔细比较发生β衰变之前的粒子和发生β衰变之后产生的粒子的能量，这二者之间会有一个小小的差值。

1930年，泡利提出，一定还有另一种不带电的粒子和电子一起被抛出，同时带走了一部分能量。在1956年，科学家们发现了这种神秘的粒子，它就是中微子。

和光子一样，中微子是电中性的，并且在很长一段时间里被认为是没有质量的。不过现在人们认为中微子具有非常非常小的质量。

沃尔夫冈 · 泡利

虽然我不知道你的存在，但我可以预知你是什么样的

现在，科学家们知道了原子核内部还有其他结构，如果量子电动力学是量子场论的一种特殊形式，那么对于20世纪50年代初的理论物理学家来说，想要描述作用于质子和中子的强力和弱力的话，我们要发展一个什么样的量子场论呢？

理论物理学家的能力毋庸置疑，他们找到了可以说是整个物理学中最为伟大的发现之一。这个发现为我们揭示了质能守恒定律、线动量守恒定律、角动量守恒定律等极其重要的守恒定律与自然界基本对称性之间的深层联系。

现在，我们倾向于用旋转或是镜面反射来考虑对称性，在这种情况下，对称变换相当于将物体绕着对称中心或对称轴旋转，或是像镜面反射一样翻转某个物体。但是与守恒定律相关的对称变换是非常不同的，它们包含连续的变化，并不是从一个视角到另一个视角的瞬间“翻转”。

也就是说，物理系统能量的变化在时间的连续变化下是对称的。我们现在用于描述系统能量的数学规律在今后的一段时间之内还会与现在完全相同，这些关系不随时间的变化而改变。能量和时间之所以被认为是共轭的，就是因为它们之间的对称关系，它们的大小受到量子理论中的不确定性原理的限制。

同样，描述线动量变化的定律对于位置的连续变化是对称的；角动量方程对于旋转中心到运动点连线的角度的连续变化也是对称的。线动量和位置，角动量和角度都是共轭性质，受到不确定性原理的限制。

建立起联系我们就可以进行一系列的推导，比如一个物理量看起来是守恒的，但是支配这个物理量行为的规律还没有被发现，那么这种规律必定与某一特定的连续变化对称。如果我们能找到这种对称，就能够很快地找出这一规律本身的数学形式。

量子电动力学中涉及的对称性把电子和电磁场紧密地联系在一起，其直接的结果就是，电荷是守恒的。在与光子的所有相互作用中，电子的电荷都保持不变，因此光子不会携带电荷。另外，电磁场的作用范围很广，这就意味着电磁力可以由电中性、无质量的粒子，也就是光子携带，并以光速进行远距离传播。

这种量子场论描述了一种由“力粒子”就是光子携带的力，作用于质子和电子这种带电的物质粒子。对于电磁学来说相当完美，但是强力和弱力既会作用于带正电的质子，也会作用于电中性的中子。而且，在β衰变中，中子会转变为带正电的质子，因此尽管从总体上说发射出去了电子，电荷是平衡的，但是受弱力作用的粒子的电荷并不守恒。

虽然弱力不守恒，但是物理学家们还是想先解决描述强力的量子场论。研究一下在强力的相互作用中哪些物理性质是守恒的？

1953年，中国物理学家杨振宁和美国物理学家罗伯特·米尔斯在寻找强相互作用中的守恒量时，把目光锁定在由海森堡提出的新的量子数——同位旋身上。随后他们就开始寻找与之对应的对称关系，以此构造量子场论。最终的结果是他们建立的量子场论是具有对称性的，它引入了一个新的量子场，类似于量子电动力学中的电磁场，杨振宁和米尔斯称之为“B场”，也就是杨–米尔斯场。

杨振宁（1922-）和Robert Mills（1927-1999）

但是这个场也存在着问题，在这个场的描述中，带正电和负电以及中性的力粒子都应该像光子一样没有质量。1954年2月23日，在普林斯顿大学的一次研讨会上，杨振宁被泡利一再发难，“这个B场的质量是多少？”

这是一个无法回避的问题，没有质量，杨–米尔斯场中力的载体就不符合物理上的预期。如果这些粒子真的没有质量，那么强力的作用将会远远超出原子核的范围，会像光子一样无处不在，但是在别的地方并没有观测到这些粒子。

在量子场论中，场其实就是物体，而粒子只是场的基本涨落或扰动。泡利要求杨振宁和米尔斯给出B场的质量，就说明，一个分布在空间和时间中的场的基本扰动是与质量有关的。泡利之所以抓着B场的质量不放，是因为他知道杨振宁的方程中没有质量项，他知道杨振宁无法给出一个令人满意的答案。

至于弱力的对称性以及杨–米尔斯场中的质量项，咱们下次再聊。