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对称性与现代物理:杨振宁先生在物理学上的贡献

2021/10/5
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遥遥无期

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赵志成
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赵志成:我认为杨振宁先生最重要的贡献在于将现代物理学的视角从场本位转向对称本位,这深刻地改变了我们对物理实在的理解。他的杨-米尔斯理论奠定了现代粒子物理学的基础,其重要性堪比麦克斯韦的电磁理论。物理学的本体论经历了两次转变:第一次是从粒子到场,第二次是从场到对称,杨-米尔斯理论代表了第二次转变。经典力学以粒子为核心,但光的波动性挑战了这一图景。麦克斯韦的电磁理论提出光是由电磁场的振动产生,场成为独立实体。量子场论中,场是核心,粒子是场的激发态。在量子场论的视角下,粒子是场在时空中的短暂激发态,宇宙是场持续激发和湮灭过程的快照。对称本位并非否定粒子或场,而是强调对称性在描述物理世界中的核心地位。大量基本粒子的发现促使人们寻找更深层次的规律,对称性成为理解粒子性质和相互作用的关键。诺特定理揭示了对称性和守恒定律之间的关系。物理学中的对称性是指在某种变换下,物理定律保持不变的性质。宇称不守恒的发现挑战了人们对宇宙对称性的朴素认知。全局对称是指整个系统发生相同的变换,而局域对称是指系统不同部分发生不同的变换。广义相对论体现了局域对称性。局域对称性对理论形式有很强的约束作用,可以指导理论的构建和发展。杨-米尔斯理论提供了一个框架,通过假设对称性来推导理论的具体形式,但其本身并未给出具体的对称性。杨-米尔斯理论及其标准模型代表了从场本位到对称本位的转变,对称性成为更基本的描述语言。如果我是上帝创造宇宙,我会先选择宇宙中需要满足的对称性,然后其他一切都会随之确定。所有已知的物理理论都是等效理论,它们是更基本理论在特定能量尺度下的近似。杨振宁反对建造大型对撞机,是因为其性价比低,建造大型对撞机获得新发现的可能性越来越小。当前的物理学理论框架已经能够很好地解释已知的现象,但寻找新的物理现象越来越困难。 穆瑶:作为一名非物理专业人士,我对于杨振宁先生的贡献以及现代物理学对世界的理解方式感到好奇,希望赵教授能够从一个通俗易懂的角度来解释这些问题。

Deep Dive

Chapters
本期节目,我们邀请物理学博士赵智沉,探讨杨振宁先生对现代物理学的贡献,特别是其提出的杨-米尔斯理论如何改变了物理学界对‘实在’的认知。从粒子到场,再到对称性,我们逐步揭示现代物理学的演变历程。

Shownotes Transcript

这是一期特别节目,我和我的朋友老赵 @赵智沉 坐在一起,聊了聊现代物理学。当然确切来说,是老赵讲,我听。 起因是老赵在转发一篇关于杨振宁先生的文章《杨振宁先生的数学贡献》(载于「普林小虎队」公众号)的时候说:杨先生把物理学由场本位转向了对称本位,深刻改变了物理学家对「实在」的认知。 我要求老赵给我讲讲这是什么意思,然后就有了这期播客。 这不是一期很容易听懂的播客。如果你点开然后又迅速退出,我非常理解。如果你听得云里雾里,那也绝不是你的错。老赵已经在很努力地解释这个极为抽象的问题,我也在尽我所能地帮他廓清一些晦涩的地方。但这仍然可能是非常考验耐心的一期节目。甚至很可能是失败的。 如果你有一些物理或数学的专业背景会更容易听下去。 节目长度为一小时左右,下面是大纲。如果你觉得某些段落很难听下去,请直接跳过。 00:30 老赵的自我介绍。物理学的鄙视链。 04:17 杨振宁先生的贡献的概述。 06:00 从粒子到场:物理学发展中的一次立场转换。 10:40 光的电磁学本质。 12:12 麦克斯韦是如何理解粒子和场的关系的。 19:25 当你说场比粒子更本质的时候你是什么意思。 22:48 宇宙作为场的存在:随机的涨落。 24:25 从场到对称:物理学发展中的另一次立场转换。 25:26 第一个背景:大量基本粒子的涌现。 29:10 第二个背景:关于对称性的理解的深入,对称与守恒,诺特定理。 30:20 对称是什么意思。 31:38 李政道与毛泽东的对话。 34:20 宇称不守恒的奇特之处,三种离散对称。 37:45 全局对称与局域对称。 38:55 局域对称的例子:广义相对论。 41:00 局域对称的例子:电荷守恒与电势的局域对称。 41:49 局域对称的例子:量子电动力学里的波函数幅角自由度。 44:00 局域对称性对量子电动力学方程的约束。 45:24 杨-米尔斯框架的意义。 50:10 杨-米尔斯理论最初遇到的问题。 53:30 对称的视角和场的视角之间的关系,范式选择。 56:44 如果我是上帝,我如何创造宇宙。 01:00:20 如果我是上帝,我如何改造宇宙。 01:01:32 所有理论都是等效理论。 01:03:48 杨振宁对中国建设高能粒子对撞机的反对。 01:06:52 理论物理学的未来。