空中楼阁理论|从空中楼阁到微观世界的理论基石( 二 )

在19世纪末放射性元素被发现之后，欧内斯特卢瑟福（Ernest Rutherford）和约瑟夫汤姆孙（Joseph Thomson）通过在磁场中研究铀的放射线偏转，发现铀的放射线有带正电的、带负电的和不带电的三种。他们把这三种射线分别称为射线、射线和射线，相应地发出射线和射线的衰变过程也就被命名为衰变和衰变。
1930年的物理学界，人们在讨论一个严肃的问题，衰变中能量、动量以及自旋角动量到底守不守恒，因为在那时实验上观测到的衰变的能量谱线总是呈现出一种弥散的状态，无法给出一个确定的能量值。这个问题如此的深刻地触及到了基本守恒律，几乎动摇了千百年来的物理学基石。但是在那个年代，相对论、量子理论的发展已经将物理学家的世界观打碎了一次又一次了，人们已经开始在谨慎地考虑守恒律也被打破的可能性了。
但是时年仅三十岁的奥地利物理学家沃尔夫冈泡利（Wolfgang Pa百思特网uli）是守恒律的坚定信徒，他为了解释这个问题，提出了一个假设：他认为，在衰变的过程中，除了实验中观测到的带电粒子射线之外，还有一束不带电的粒子射线。这类粒子如此之小又如此之孤僻，以至于当时的各种探测器都无法观测到它，这种粒子就是中微子（泡利最初将其称之为“中子”，但是在两年之后詹姆斯查德维克（James Chadwick）发现了真正的中子之后，恩里科费米（Enrico Fermi）和泡利重新将其命名为“中微子”）。这也是历史上第一次有弱核力参与的衰变过程的表达式被完整地写出。
几年之后的1935年，为了解释原子核内的质子和中子是如何被束缚在一起的，日本科学家汤川秀树提出了强核力的理论。

沃尔夫冈泡利
在那之后的二十年，物理学界对强核力、弱核力进行了更加深入的研究。时间到了1953年，科学家们想要仿照麦克斯韦方程组，写出描述核子、介子以及它们的相互作用的方程。此时长期研究规范场的泡利首先取得了一些突破，他通过纯粹的数学工具严谨地推导出了一条能够统一描述电磁力场和核力场的非阿贝尔规范场方程。
上文中“阿贝尔”则是指这种规范场满足“阿贝尔群”的条件。尼尔斯阿贝尔（Niels Abel）本是一位英年早逝的挪威天才数学家，在他仅仅26年的人生中，阿贝尔在多个数学领域都做出了杰出贡献，其中之一就是具有交换性质的一类群。为了纪念这位数学家，可交换的群也被称为了阿贝尔群。对于某类规范场的某种变换来说，如果连续作两次变换的结果与顺序无关，在数学上就叫阿贝尔的，否则就叫非阿贝尔的。举例子来说，我们熟知的加法，1+2+3=1+3+2，计算的结果和计算的顺序无关，所以加法就属于阿贝尔群。然而在三维空间内的旋转则会有不一样的结果，例如下图是华裔物理学家徐一鸿（Anthony Zee）在他的科普著作《Fearful Symmetry（可畏的对称）》一书中所举的例子，一个海军新兵按照军官的要求，先以竖直轴向右旋转90度后再以水平轴向右旋转90度所呈现的状态，与交换这两条命令的顺序后所呈现的状态不同，因此三维空间内的旋转就不属于阿贝尔群的操作。

一个关于非阿贝尔群的操作的例子
电磁力在数学上满足阿贝尔规范场的形式，而核力的相互作用则呈现了非阿贝尔规范场的形式。
此时的泡利已经53岁，知名于“泡利不相容原理”等理论、年少成名的他此刻已是载誉满身的大科学家，被学界称为“物理学的良心”和“上帝的鞭子” 。虽然他写出的非阿贝尔规范场方程在数学上很美，但是他意识到这条方程在物理上还存在着致命的缺陷，那就是方程存在发散项，这意味着这条方程预示着规范场必须存在质量为零的传递相互作用的规范粒子来维系方程的关系。然而，质量为零的规范粒子就意味着它传递的相互作用力应该是长程力，应该在无限长的距离外都能接收到它的力的作用，这和现实中发现的短程力核力相矛盾。因此，泡利认识到他的理论“导致了一些相当不实际的阴影粒子”，所以治学严谨的他只是在几场报告会上谈论了这个理论，但是选择了不发表这项成果。
可是在这之后的第二年，一位三十出头的中国人和他的美国合作者也写下了一条类似的方程，他们希望这条方程能够描述强核力。不同于谨小慎微的泡利，这个年轻的中国人选择将他的研究结果快速地发表了出来，并且开始了学术圈内的宣传。