Monday, December 8, 2014

感觉不到的规范对称性。

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2012年8月29日 - 光的相位差人的肉眼感觉不到;光的衍射则是无限多次子波的相干叠加. 光的衍射干涉人的感觉 的結果(無引號): ...
  • phymath999: 石墨烯的研究,很多都认为是二维运动,也就是 ...

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    2012年8月7日 - 光的相位差人的肉眼感觉不到;光的衍射则是无限多次子波的相干叠加 · 菲涅耳公式.至此,光的弹性波动理论既能说明光的直线传播也能解释光的 ...

  • 《可怕的對稱-現代物理學中美的探索》


    人們往往把美與藝術欣賞能力聯繫到一起,這是正確的。但又有誰知道,在充當探索自然奧秘先鋒的物理學研究中,美學原則同樣有著巨大的威力,Anthony Zee 用人人都懂得的語言,論述了對稱性的思想是如何奠定現代物理學的美學基礎的。
    【作者簡介】
    Anthony Zee 徐壹鴻,美國著名的理論高能物理學教授。他出生於中國,在巴西長大,就讀於普林斯頓大學和哈佛大學,1968年獲物理學博士學位。自1985年開始,任加利福尼亞大學和聖塔.巴巴拉理論研究所教授。從20世紀70年代開始,Anthony Zee就開始致力於幾種基本作用力的統一問題,以及宇宙學和引力理論的研究。
    【成長背景】

    物理學有兩種研究方式。一種是唯象學研究,即試圖對觀察到的某類現象用規律的形式作出簡單的描述,結果是給出唯象學的定律。如虎克定律(Hooke’s law),它表明拉伸一個金屬彈簧所需要的力正比於彈簧被拉伸的量。唯象學定律的特點是,無論人們賦予什麼樣的條件,它都無法預言超出它所研究的那類現象之外的東西;可以恰當的描述某些現象,但無法預言的東西。與唯象學研究相反,物理學的基礎理論研究方式雖然也不能脫離經驗事實,但它可以從少量已知事實出發,建立起超越它所依賴的已知經驗事實種類的理論,從而預言從前人們並不知道的不同類現象的存在(如馬克士威(James Clerk Maxwell, 1831-1879)方程預言了有電磁波的存在)。建立這樣的物理學理論需要某種理性框架或原則來指導。自愛因斯坦以來,這個理論框架就被確立為一種特定的美學原則---對稱性。理論物理學越來越雄心勃勃,因為在尋求微觀粒子行為的統一解釋和幾種基本作用力統一的問題上,對稱性取得了一個又一個輝煌的成就。


    Anthony Zee就是在這種背景之下動手寫這本書的,他希望通過此書,使那些不熟悉但對理論物理學感興趣的愛好者,能夠全面了解理論物理學家是如何在美學原則引導下工作的。
    【主要內容】

    《可怕的對稱》是傑出的理論物理學家和評論家Anthony Zee的力作。他通過人們可以從身邊體驗到的種種對稱入手,逐步深入到支配大自然基本規律的深刻而抽象的對稱,展示了現代物理學得以運行的美學框架的全貌。該書分為四部分:對稱與設計;愛因斯坦的遺產;光環中的明星;了解他的思想。


    一、對稱性如何走進物理學
    基礎物理學家認為,終極設計者(大自然)是用美的方程來?設計"這個宇宙。這裡所說的美不是別的,恰恰指對稱性。他們得出這個結論,首先是從對事物及幾何學的審視中吸取精髓的。事實上,人們會傾向於認為只有那些具有對稱性的建築才有可能是美的,沒有對稱性的建築就是不美的。再看看圓和正方形這兩個幾何圖形,圓旋轉任意角度都保持不變,而正方形只有旋轉90度、180度、270度和360度才保持不變,因而我們說圓具有更高的對稱性。

    在幾何學中,對某個幾何圖形進行特定的操作(operation, transformation),以使它保持不變是完全不成問題的。但物理學不是處理幾何圖形,那麼對稱性是如何進入物理學中的呢?像幾何學家一樣,物理學家可能會問,在不改變物理現實的前提下,我們能對它?做"什麼呢?這樣提問題顯然不很恰當,然而它提出的確實是物理學的一個基本問題:在處於不同運動狀態的物理學家的眼中,物理定律是一樣的嗎?比如說,有兩個人(一個在地面上,另一個坐在運行的火車上)同時觀察某一做直線運動的物體,那麼,會不會出現這樣的情況:在地面上的人,從其觀測數據所概括出來的物體運動的規律是F=ma(即牛頓第二定律),而在運行的火車上的人,基於他的觀測數據所概括出的物體運動的規律會不會是不同於牛頓第二定律的公式呢?也許我們在中學學物理時從來沒有想過,或從來沒有人向我們提出這樣的問題。這蘊含著一個真諦,即這種事情不會發生。否則,不要說處在不同運動狀態的不同觀察者,即使是一個特定的人,由於他每時每刻的運動狀態都有所不同,他就沒有任何理由奢談規律。這樣一來,所謂的觀測數據和經驗事實就成了捉弄人的惡魔。

    區分物理定律的對稱性和特定情形(如建築物或幾何圖形)的對稱性是極其重要的。對基礎物理學家而言的對稱性,不是具體事物的對稱性,而是對於處在不同運動狀態下的觀察者來說,物理定律的不變性。那麼,我們如何判定某個物理定律是否對稱呢?儘管不同的觀察者對同一運動物體的觀測結果是不同的,但我們可以建立某種聯繫不同觀察者的方程式,通過它我們能夠方便地從一個觀察者所處的狀態,推知另一個觀察者所處的狀態。這個方程式我們稱之為變換。將這個方程式代入某個物理定律之中,若這個定律的形式保持不變,我們就說此定律在這種變換下具有對稱性;若代入後它的形式已經改變了,我們就說它在這種變換下不具有對稱性。

    請記住,理論物理學家是把物理定律在變換下的不變性,看成物理學不可動搖的根基。他們把對稱性的概念發展成一個判斷自然設計的客觀判據:給出兩個

    理論,物理學家一般會覺得對稱性更高的那一個要更美一些;當觀察者是物理學家時,美意味著對稱。
    二、愛因斯坦的遺產

    20世紀以前的物理學很少提到對稱性,是愛因斯坦第一次發現了自然一直忍痛隱藏的對稱性。我們往往驚訝於愛因斯坦所給出的物理結果,但他真正的輝煌理性遺產,卻是對於對稱性的深邃洞察,那些物理結果只是他的對稱性思想的邏輯產物。

    我們都熟悉運動的相對性。可以設想一個相對於站台以每秒30米的速度運行的火車,如果有一個坐在車廂裡面的乘客以10米的速度向火車運行的方向扔出一個球,那麼,對站在站台上的人來說,這個球的速度是多少呢?很多人憑直覺就知道,這個球顯然是以每秒30+10=40米的速度向前運動(這個公式就是在這種特定的條件下的伽利略變換)。但是,如果我們假定除了火車運行速度達到光速(C)之外,其它條件都保持不變,那麼,球向前運動的速度為每秒C+10米的直覺還是正確的嗎?


    物理學家發現,牛頓定律在伽利略變換下的對稱性,保證了當火車以遠小於光速的情況下人們直覺的正確性。但是如果火車運動的速度接近於光速,人們基於日常經驗的直覺就是錯誤的。當馬克士威建立起電磁理論的方程組之後,他就獲得了物理學中的一個真正讓人吃驚的發現:電磁波的存在,而且它以恆定的速度即光速運動。這之所以讓人吃驚,是因為它與人們的直感極不相符;電磁理論方程的建立,像牛頓力學一樣,對觀察者的運動狀態沒有作特殊的規定,由此說明光速與觀測者的運動速度無關。更驚人的是,在伽利略變換下,牛頓力學是對稱的,而馬克士威電磁學方程卻失去了對稱性。

    愛因斯坦敏銳地抓住了這個矛盾。他堅持認為物理學規律一定是對稱的,這迫使他拋棄了伽利略(Galileo Galilei, 1564-1642)的那個特殊的變換,而代之以洛倫茲變換(Lorentz transformation)。在愛因斯坦那裡,誕生於電磁學的洛倫茲(Hendrik Antoon Lorentz, 1853-1928)變換下的對稱性,最終產生了一次物理學的革命;他開始全面地修正曾經被認為完全可靠的牛頓力學了。例如時間的概念,在上述事例中牛頓和所有其他的人,都作了一個沒有言明但顯得是合理的假定,即當對於乘客來說1秒鐘流逝時,對站台上的人來說,流逝的時間也嚴格的是1秒鐘。這樣的時間被稱為牛頓絕對時間。愛因斯坦拋棄了人們所鍾愛的絕對時間觀念,代之以常速度相互運動的兩個觀察者感受到的時間流逝是不同的,即鐘慢效應。由於火車速度比光速小得多,乘客幾乎感受不到絕對時間的不對。然而,在粒子加速器中,亞核粒子的運動速度接近光速,愛因斯坦革命性的時間觀念現在每天都得到驗證。再如,物理學家不能澄清一個長期懸而未決的謎:恆星為何能容納那麼多的燃料來供它們長時間燃燒?有了愛因斯坦的質能公式,我們就清楚地知道了,恆星之火是以它的巨大的質量為燃料的。

    後來,愛因斯坦又把對稱性的思想指向引力(重力)理論,提出了廣義協變原理:物理定律在廣義坐標變換下應保持其結構形式。正是在它的引導下,他才找到了正確的重力理論,並且得出了更為驚世駭俗的結論:在重力場的作用下,空間和時間都被扭曲了。時空扭曲有一些出人意料的推論。例如空間,在歐基里德幾何學中,兩點間的最短路徑是直線。但在引力場中,這種最短路徑是直線的說法就失去了效力。正因為如此,光線在重力的作用之下會走一條彎曲的路徑。這一點在1919年發生日全蝕時,因觀測到了一顆本應被太陽完全擋住的恆星所證實……。


    愛因斯坦對物理學定律對稱性的解釋,是他全部工作的要點:不同的觀察者應該感受到同樣的物理實在的結構,這樣就可以從中總結出不因人而異的真理。相對論本身並不是理論,而是對物理學理論的一種美學的、對稱的要求。所以,愛因斯坦對自己用?狹義"和?廣義"相對論來稱謂其理論並不滿意,後來他倒是希望用?不變性原理"這個名字。
    三、對稱性的擴展

    將一枝筷子的一部份放入水中,我們感覺到它好像彎曲了。這是我們完全可以理解的客觀物理現象:我們以為從筷子頂端反射出來的光線,是以直線傳播的方式射入我們的眼睛的,但實際上它所走的路徑是一條折線。為什麼如此呢?數學家費馬(Pierre de Fermat, 1601-1665)在他去世那年,提出了一個相當神秘的原理(費馬原理)。這個原理說,光所選擇的路徑,是使它到達目的地所花時間最短的那條路徑。這個理論後來被證明是正確的,它意味著光線?知道"怎樣才能避免浪費其精力。那麼,是否整個自然界在任何場合下都?懂得"這一點呢?

    現在我們考察一個粒子在時間TaA點出發,在時間Tb時到達B點這樣一個典型過程。如果把粒子的每一種可能的經歷都用一個可以度量的數-作用量來表示,那麼粒子的實際經歷就是作用量最小的那一個。這個原理叫做最小作用量原理。它表明,一旦我們確定了作用量,它就為我們確定了粒子的實際路徑(費馬原理只是最小作用量原理的一個特例)同時也表明了自然界真的?知道"它該如何最大限度地節省其精力。


    最小作用量原理被物理學家用來探尋粒子在眾多的可能路徑中,選擇某一特別路徑而不是其它路徑的根據。這種方法長期以來只被當成牛頓公式的一個精巧的替代物,但當代理論物理學家最終卻拋棄了經典物理學的微分方法,而去擁抱作用量方法。其中的道理非常簡單,它被證明是適用於整個宇宙的,並且可以大大的簡化物理學理論。例如,馬克士威的四個電磁學方程可以用一個簡單的作用量來表示;愛因斯坦的重力理論的十個方程也可精巧地概括到一個簡單的作用量中去。儘管運動方程可以很複雜,可以有很多個,作用量公式卻只有一個。更重要的是,理論物理學家偏愛作用量的最主要的原因,是它使我們能夠給出?物理實在的結構"一詞以精確的含義。按物理學家的行話來說,並不是物理定律不

    變,而說它是協變的:方程兩邊都以同樣的方式變化,而不是保持不變。說物理學具有某種對稱性,是指在作過與這種對稱性相應的變換後,作用量保持不變。

    還有一個問題,人們早已知道能量和動量守恆定律了,但物理學家們從沒有把它們明顯地和對稱性聯繫在一起。一位偉大的女性、數學家阿瑪麗.艾米.諾特爾(Emmy Amalie Noether, 1882-1935)前來救駕了。她告訴我們,對稱變換下保持不變的作用量,必須會具有同樣的守恆定律與之對應。依據她的理論,如果物理定律不隨時間變化,能量就守恆---這正是我們對物理定律所作的要求:昨天、今天和明天的物理規律應該是一樣的;如果作用是不隨空間變化的,動量就守恆---這也是我們所需要的:物理學在這裡、那裡,在所有地方都應該是一樣的……。過去物理學家們用試探法尋找恆量是非常困難的,有了Noether的啟示,他們再也用不著依次找出每一個作用量的守恆定律了。對稱性與守恆定律之間的聯繫是永恆的。


    四、對稱性的凱旋

    愛因斯坦舉起對稱性的火炬,魏爾(Hermann Weyl, 1885-1955)受到了Noether深刻的精神法則的激勵後,接過這把火炬,然後又傳承給海森堡(Werner Karl Heisenberg, 1901-1976)以及楊振寧與密爾斯(R. Mills)。在這個過程中,物理學家發現了許多自然的奧秘,並逐步使我們所知道的四種作用力(引力作用、電磁作用、弱交互作用和強交互作用)逐步走向統一。

    為什麼會有光?這個問題並不在絕大多數人的認識範圍之內。Noether的洞察迅速使人們尋求與電荷守恆相關的對稱。魏爾找到了這個對稱,他發現它是局域性的,並由此導出一個引人注目的結果。他從反面表明,如果人們需要這一對稱是局域性的,那麼他們就不得不包括電磁場,因而也就包括光。這是一個偉大的發現,它解釋了我們以前認為無需解釋的東西。


    當人們打開原子的內部世界之後,物理學家就對於中子在質量上為什麼同質子那樣接近深感迷惑。海森堡大膽地提出:中子之謎只能通過大自然設計中的一種基本對稱---同位旋來理解。他假定,質子可以?旋轉"成中子,強相互作用在這種情況下具有不變性。一個觀察者看到一個質子,而另一個觀察者從同位旋角度觀察,會堅持說他看到了一個中子。他們都是正確的。就好像對一為觀察者是?上"的東西,對另一位觀察者卻可能是?下"。他以雷霆之勢開闢了一個玄妙的內部世界,原來,在原子內部也可以進行對稱運作。正是在對稱思想的引導下,物理學家開始對複雜的微觀粒子行為作統一的解釋了,而且極賦成效。

    但是,同位旋只是一種近似對稱。1954年,楊振寧和密爾斯發明了一種新的、具有令人眩目的數學美的精確對稱---非阿貝爾規範對稱。這種對稱並非像歷史上的情況那樣受到實驗觀察的啟發,它是以美學為基礎的一種學術創造。可是在當時,這個理論與人們看到的並不完全相符,因為它預示著許多組特徵相同的粒子(無質量的規範玻色子)的存在。這使楊振寧和米爾斯非常尷尬。許多

    物理學家除了認為它的確美之外,別無它用。但物理學的發展最終還是證明了,強相互作用的本質是由楊-密爾斯精確對稱支配的,物理學由此開始奔向統一的目標。當物理學家發現光子、WZ玻色子都是楊-密爾斯理論的規範玻色子,並且它們之間是相互關聯的時候,電磁交互作用和弱交互作用就被統一為單一的電弱相互作用。20世紀70年代有人構造出弱電交互作用和強交互作用的統一理論(大統一問題,以區別於弱電統一),並獲得一定程度的證實。當然,後來也有人構造出引力與大統一問題的統一理論-超弦理論……。


    【經典實驗】
    所謂思想實驗,就是有時人們不必借助於真實的實驗過程,或者在實際情況中根本無法作出相應的實驗,就可以得出關於我們認識這個世界的基本原理。愛因斯坦就曾作過一個被他稱為?幸福的思想"的思想實驗。他想像一個像電梯一樣的盒子浮在遠離任何引力場的空中。在盒子中,各種各樣的東西,比如說鐵球,也同樣漂浮在這個完全寂靜的太空中。假定這個盒子開始以一個常加速度加速,這些鐵球會依然浮著,而無視這個盒子的?地板"正以越來越快的速度像它們衝來。但對於坐在盒子地板上的觀察者來說,就像是這些鐵球正掉向地板。如果這些鐵球與地板的距離相同,那麼它們將在完全相同的時刻碰到地板。愛因斯坦因此而得出了等價原理:在一個足夠小的空間區域,一個觀察者感受到的物理效應,與另一個在沒有引力場情況下相對於他以常加速度運動的觀察者所感受到的物裡效應,是不可分辨的。
    【哲人金語】
    當我在海邊(或更可能在貝殼商店)發現一個鸚鵡螺時,它的美吸引了我。但一個生物學家可能會說,這種完美的螺旋形狀只不過是貝殼生長率不等的結果。作為一個人,知道這以後也絲毫不會減少我對美麗的鸚鵡的迷戀,但作為一名物理學家,我被驅使去超越我們所見到的外在美。我想討論的並不是翻滾的波浪的美,也不是弓伏在蒼天的彩虹的美,而是存在於最終支配著各種形態下水的行為的物理學定律中的更深沉的美。

    像在基礎物理學中的許多同事一樣,我喜歡愛因斯坦的觀點。我喜歡這麼想:在知道要在何處建何物後,建築師能立即宣稱只有一種可能。他肯定被美的令人激動的力量所驅使,從而去尋找這個唯一的設計。
    【科學地位和歷史影響】

    Anthony Zee是一位著名的基礎物理學家。前蘇聯物理學家薩哈羅夫(Andrei Sakharov,1921-1989)預言,如果重子數目不守恆的話,就有可能弄清宇宙中物質

    的起源。Anthony Zee對於這個問題極感興趣。當大統一理論提出後,他和一些物理學家就把物質起源的圖景置於這個理論之中,並且他和他的兩個同事解決了重子數不守恆是如何使物質和反物質相分離的機制。他遊歷並講學於全世界,是一位能夠讓不十分熟悉基礎物理學的聽眾通曉其基本原理的知識傳播者和普及者。對於《可怕的對稱》這本書,另一位著名物理學家李政道是這樣評價的:『《可怕的對稱》用曉暢生動的語言敘述了現代物理學的成就和當代物理學的故事,它把可怕的問題談得簡潔易懂,正如能把剛烈的老虎馴服得生氣勃勃而富有人情味一樣。』
    : 本文由科學的力量,上冊(團結出版社, 2001)所轉載, 是朱峻賢先生(成功大學應用數學研究所碩士班)幫忙打字將簡體字轉換成繁體字, 並經由物理系陳家駒教授建議修改而成。

    林琦焜 教授 (成功大學數學系) Nov. 18, 2003






    从转动和空间反射这些可以感觉到的对称性开始,物理学家表述越来越多的对称性,到时间反演对称性,甚至我们感觉不到的规范对称性。但是几本的概念和动机始终是没有变的,基础物理学家们始终坚信:上帝设计设个世界的时候是以对称性为基础的。是这样的吗?你问我?我不知道,但是我可以告诉你的是,我能够感觉到是这样的,因为这样是美的,尽管我解释不了为什么对称就是美。

    Einstein毕生精力都用在同一场论上,而对称性和重正化是场论的两个基本原则,可以说不能重正化的场论都不是最后的选择,这让我想起了2004年的Nobel Prize,David J. Gross, H. David Politzer, Frank Wilczek由于他们发现了强相互作用里面的渐进自由而得到炸弹奖,这是一个十分重要的工作,可以说是挽救了场论,

    说到这里,不得不提到一个华人,名字叫Anthony Zee,中文名叫徐一鸿,UCSB的Kavli Insititute of Theoretical Physics的终生教授,1972年也就是上面三个人发表他们的得炸弹奖的论文时,他们文章是7月份发表的,A.Zee在5月份发表了一篇文章,里面他计算了除了Yang-Mills场以外的所有场的重正化都计算过了,没有得到渐进自由,也就是说随着能量越来越高,耦合强度越来越高,而渐进自由是指着时候耦合强度越来越小,趋近于零,A.Zee在文中非常sad的说到场论没有渐进自由,但是很不幸,那三个人计算了非阿贝尔规范场的重正化得到了渐进自由,记得我们当年上场论课的时候,当时青哥告诉我们叫我们去问问A.Zee为什么当年没有计算Yang-Mills场,估计这是他心中永远的痛:)

    当时A.Zee刚好博士毕业两年,刚刚拿到洛克菲勒大学的教职,而且刚刚结了婚,计算了完了那篇文章,他正准备计算Yang-Mills场,他发现“在1972-1973年的那个冬天,如闻惊雷一样,我听到令人过电的消息”(他自己写道)那几个人找到了那个盼望已久的“自由”。我猜他当时的心情肯定不好受,虽然Yang-Mills场的重正化不好弄,但是至少他那时候已经哈佛大学理论物理博士毕业,日子肯定比H. David Politzer和Frank Wilczek好过, 他们两个还为了让别人肯定他们的工作而到处奔波。

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    场论方面数一数二的牛人
    A.Zee也属于场论方面数一数二的牛人,当初在Princeton当教授时Witten当他助教,据说他当时计算了除非阿贝尔规范场以外的所有“贝塔"函数,如果当初再多算一个就发现QCD渐进自由了,那诺奖就没Gross他们什么事儿了,真是生不逢时啊。

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    2004年诺贝尔物理学奖: 最郁闷的两个人

    每年的诺贝尔获奖名单公布以后,获奖者当然高兴得不得了,但是也一定有人因为错过了发现的机会而扼腕长叹、顿足仰天。

      2004年也不例外。我所知道的就有两位物理学家悔得肠子发青。一位是特霍夫特,一位是华裔美国物理学家徐一鸿。徐一鸿在1972年春天就想到了“渐近自由”,但是这种想法在那时是太出格了,他自己都认为他的想法荒诞到好像是在说:“如果他的伯母是一个男人的话,她会怎么样呢?” 因此他没有敢再往下想。

      最可惜的是美国物理学家特霍夫特。在1972年春天马赛一次会议上,他对德国物理学家西曼尼说,他可以证明“渐近自由”符合现有的理论;西曼克觉得难以置信说:“倘若你是对的,那么你应该马上发表这一结果,因为这会十分重要!”可惜特霍夫特当时忙于进行另外一个还没有结束的研究,没有听从西曼尼的建议。到1973年格罗斯、维尔切克和波利策发表他们的发现以后,特霍夫特真是后悔得想自己把自己狠狠揍一顿!


    【既然A Zee要来中国】八卦一下,A Zee心中永远的痛 - 百度贴吧

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    2008年4月3日 - 徐一鸿( A. Zee)的(后者可能因其因科普作品《可怕的对称》更多为 ... 徐一鸿/ Tony A. Zee ..... 由于某种历史原因,这种定域对称性同样被叫做规范对称性。 ..... 的时候,她/他倾向于具有更多的热情并且她/他的感觉也更容易被欺骗。
  • 可畏的对称(探寻现代物理学的美丽修订版)/理解科学丛书:(美 ...

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