的意义之大可想而知。
作为“杨-米尔斯理论核心”的“杨-米尔斯方程”,也因此被称为“量子场论征服物质大统一理论的关键方程”。
但物理学家们通过“杨-米尔斯方程”统一电磁力和弱力或强力时,却遇到一个棘手的大难题。
杨米尔斯方程的经典版本描述了以光速传播的零质量波,但在量子力学中,每个粒子都可以被看作一种特殊类型的波,尤其是“强力”“弱力”均是由非零质量的粒子所承载短程力,两者存在理论上的矛盾。
上面这段话看得有点糊涂了?
没关系,我们慢慢理解。首先我们在这里引入一个专有名词“玻色子”。
所谓的玻色子,就是传递作用力的粒子,比如光子、胶子。在量子场论里,每一种作用力都有专门传递作用力的粒子,比如传递电磁力的是光子,传递强力的是胶子,传递弱力的是前面介绍弱力时提及过的W和Z玻色子。
玻色子的质量问题非常重要,玻色子的质量越大,力程越短;质量越小,力程越长;如果玻色子的质量为零,那么这个力程就是无限远的,比如光子,所以电磁力能传播到非常远的距离。
而强力和弱力都仅仅局限在原子核里,也就是说力程很短,玻色子质量很大。
但问题是,“杨-米尔斯理论”里,局域规范对称性要求规范玻色子是零质量的,但是强力、弱力的短程力事实要求对应的规范玻色子必须是有质量的,实际测量到W和Z玻色子也是有质量的,且质量很大。
——这个就是刚刚提及到存在理论矛盾的“棘手的大难题”,让全世界物理学家、数学家都头疼不已的“质量间隙”问题。放到数学上,它就是“杨-米尔斯方程”解的一个特殊性质。
为了解决这个问题,物理学上提出“希格斯机制”,它是一种生成质量的机制,即能够使基本粒子获得质量。它认为宇宙中到处都充满了希格斯场,粒子如果不跟希格斯场发生作用,它的质量就是零,如果粒子跟希格斯场发生作用,那么它就有质量,发生的作用越强,得到的质量就越大。2012年7月,科学家在大型强子对撞机中找到了希格斯粒子,验证了这个理论。
但这“希格斯机制”只能从物理层面解释弱力的W和Z玻色子,却无法解释强力的胶子为何是零质量的,后来这个问题物理学家通过“量子色动力学”的“渐近自由”特性来补上了。
无论是“希格斯机制”还是“渐近自由”,物理学家们已通过物
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