爱因斯坦的相对论总被人提及,为什么杨振宁的杨-米尔斯理论却很少会吸引人的眼球呢?
↲✝爱因斯坦的相对论总被人提及,为什么杨振宁的杨-米尔斯理论却很少会吸引人的眼球呢?
因为杨-米尔斯场太晦涩了,大家都认为爱因斯坦的相对论难,实际上杨-米尔斯场更难。
一个是宏观的几何美学,一个是微观的晦涩难懂。
爱因斯坦凭着物理直觉,构建起来的广义相对论主要框架,是一种纯粹如玉一般的几何美学。
而杨-米尔斯场是建立在20世纪20年代兴起的原子碎片上的理论。纷繁复杂的微粒子,注定了杨-米尔斯场描述的繁琐以及晦涩难懂。
杨-米尔斯场,是1954年由杨振宁和他的学生米尔斯共同发现的,被誉为一个多世纪之前描述光理论的麦克斯韦场的进一步推广。但它比麦克斯韦场更为丰富,不仅可以描述光,还可以描述电荷,因此它可以用来解释弱力与强力。
基于量子力学的杨-米尔斯场,是构建在众多的原子碎片上的。为了能包容粒子们众多的特点,杨-米尔斯场的计算相当繁琐。同时在20世纪五六十年代,杨-米尔斯场还面临一个最大的难题:无法重整化。
无法重整化的意思就是,计算结果会出现无穷大,此结果没有物理意义。
而拯救杨-米尔斯场的人,是20年后的一个名叫胡夫特的研究生。他发现只要存在“对称破坏”,杨-米尔斯场就可以获得质量。并证明了杨-米尔斯场,是一个有明确界定的,粒子相互作用理论。
基于此,到了20世纪70年代,物理学家们才逐渐发现,杨-米尔斯场可以解释所有的核物质。
核物质相对于宏观物质来说,对大众来说太神秘了。所以说,它的知名度肯定没有爱因斯坦相对论高!但在物理学界,杨-米尔斯场一样是牛逼轰轰的存在。
一个是自下而上的碎片收纳箱,一个是自上而下的统一几何网。
杨-米尔斯场和爱因斯坦相对论最大的区别就是,杨-米尔斯场描述的是微观的难以感知的物质,而爱因斯坦相对论描述的是宏观可感知的物质。
所以大家都喜欢拿相对论来开脑洞,各种天体运动与光速问题都可以成为热门话题,但杨-米尔斯场描述的是微观的东西,这些东西不是我们平时可以接触或者想象的。
而量子力学大家连最基础的“哥本哈根解释”都难以消化,更不用说,支撑量子力学底层数学的杨-米尔斯场。
相对论难,但我们还可以想象;而杨-米尔斯场已经难到无法想象了,对于无法想象的事,自然关注度就不高了。
以杨-米尔斯场为基础,才建立了量子力学的标准模型。但核心的关键是对称性的概念。
简单了解一下,物理学里面的对称性,你就知道,杨-米尔斯场比爱因斯坦相对论到底难多少了。
我大概说三种对称性的描述。
第1种最简单的时空对称。
这种对称是我们日常最常见的,比如说光的反射,雪花旋转60度,形状还是一样的。相对论实际上就是时间与空间的旋转。
第2种对称需要重组一系列对象来建立。
比如我们经常见到的一种街头小把戏。把三个相同的杯子,其中的一个里面放了一个小球,然后不停的旋转,变换他们的位置。那他们有多少种组合方式?
稍微计算一下,你就会发现总共有6种排列方式。对于看不见杯子里面小球的人来说,这6种方式在外观上看起来是一样的。数学家将这种对称对称性描述为S3。
如果这三个杯子换成夸克,实际上就是我们熟悉的,由三个夸克组成的基本粒子,由强力控制的质子和中子。描述这个的物理方程,我们就称这个方程具有SU(3)的对称性。
大概理解下就行了哈。
第3种对称型组合方式。
实际上就是描述由弱力控制的电子和中微子。类比上面的比喻,我们称描述这个的方程具有SU(2)的对称性。
说到这,即便我已经很通俗的用比喻的方式来介绍第2种与第3种,但是如果你不是学数学的,可能还是会觉得不好理解。
而爱因斯坦相对论玩的只是第1种对称方式,而杨-米尔斯场玩的是所有的对称方式。
总结
当然,理论也并不是越难越好,其实物理学反而追求的是简单。所以“标准模型”的复杂也一直让人诟病。卢瑟福曾说,基于标准模型的粒子物理学研究,就像是一种集邮。
总的来说,杨-米尔斯场没有爱因斯坦相对论出名,并不是因为它不够优秀,而是因为对大众来说,太深奥和晦涩。
爱因斯坦的相对论,既有深度,又给人足够的想象空间;杨-米尔斯场的深度绰绰有余,但一般人,对它难以想象。
Θ©爱因斯坦的相对论总被人提及,为什么杨振宁的杨-米尔斯理论却很少会吸引人的眼球呢?
原因很简单,因为杨-米尔斯理论很伟大,但什么也干不了。同时它还不够简洁,如果你用一个特别复杂的东西来解释世界的复杂,那大概率和没解释差不多。
在说明我的观点之前,先讲两个故事。
在哥白尼发表日心说理论之前,关于星球运行关系理论的统治者是托勒密的地心说。地心说不仅仅是一句“太阳绕着地球转”那么简单,为了解释太阳还有行星与地球间运行关系,托勒密建立一套非常复杂的数学理论体系,可以说是一套可计算的天体运行公式。如果现在拿出来看,没有个十五六年的数学修为和相当牛的空间想象能力,都理解不了。哥白尼提出日心说,除了在欧洲政教界引起轩然大波外,在科学界也引起广泛讨论,而当时的科学界广泛认为哥白尼是正确的。一个重要的理由是,如果用日心说解释世界,更简洁。后人在哥白尼理论上,通过不过找寻天体运行的中心,太阳系的中心,银河系的中心等等,建立简洁的现代天文学体系。
第二个故事是爱因斯坦提出相对论后,很多科学家开始找相对论的漏洞,比如相对论的基础,光速不变。有一个科学家通过实验(后来证明实验有误)得出光速是变化的结论,有人问爱因斯坦,如何看待这个结论。爱因斯坦回答:上帝是不可捉摸的,但并不邪恶。如果用科学的思维理解这句话,就是世界的底层应该是简洁的,不是复杂不可理解的。
讲完这两个故事,我们再回头看看相对论,量子力学以及杨-米尔斯理论。
一个物理理论,一定要有物理现象或者可想象的物理现象作为注脚才能广为人知,就像苹果落地可以注释万有引力。现代物理理论也是如此。
就像很多人知道相对论,大概也就只知道光速不变;知道量子力学,大概率知道测不准原理就到头了,具体公式能随手写出的更是寥寥无几。相对论的光速不变,重力扭曲时空等等非常简洁且容易想象,也确实在科技实践中解决了问题,比如导航定位的时间差修正。
微观上的量子力学就比相对论难于理解多了,但波粒二象性,质能方程以及测不准原理都是非常形象的。有黑洞,光电效应,原子弹这些人们熟知的理论想象和理论结合实际的产物,还有薛定谔的猫这类的科普想象。
再来看看杨-米尔斯理论。
扬—米方程,又称规范场理论,是研究自然界四种相互作用(电磁、弱、强、引力)的基本理论,基本上是个纯数学的东西,没有熟知的物理现象和科幻想象作为注脚。同时这个方程十分复杂,如果你用一个特别复杂的东西来解释世界的复杂,那大概率和没解释差不多。当然必须说明,扬—米方程相比较这个世界,已经很简洁了。还有一个重要的是,纯数学方程,在现实中应用非常少。所以一个理论解释不了多少人们的疑惑,应用很少,又很复杂的情况下,讨论的人很少就很正常。咱们不妨脑补一下两个人讨论规范场论的情景:
甲:杨-米尔斯理论啥玩意?
乙:就是规范场论,统一四种相互作用。(聊到这里,基本就劝退一大半了)
甲:统一四种相互作用有啥用?(聊到这儿基本就科普变抬杠了)
乙:人类解释世界的终极梦想啊!(这个回答有高度)
甲:那是咋统一的,你给讲讲?
乙:这个,嗯,这个……要不咱们聊聊中药有效不有效,转基因危险不危险,俄乌冲突谁占理?实在不愿意聊这些憧憬一下世界和平也行啊!
≏┣爱因斯坦的相对论总被人提及,为什么杨振宁的杨-米尔斯理论却很少会吸引人的眼球呢?
题主在问题中还提到了相对论、量子纠缠、薛定谔的猫,和这些相比,杨米尔斯理论的确在公众中很少被人提及。很少被公众了解,不是因为杨米尔斯理论不伟大,在我看来是因为很难做出面向大众的关于杨米尔斯理论的科普。
知道相对论的人很多,但能够理解运动的尺变短、运动的钟变慢的人就要少很多,能写出钟慢尺缩公式的人会变得更少。相对论的出现极大改写了人们对时间、空间的认识,其产生的强烈震撼至今仍回荡在公众心中。速度增大时间居然变慢,长度居然会收缩,这种奇特的现象与日常生活形成的经验总结不相容。依托相对论,涌现出很多科幻小说,也有很多关于相对论的科普作品面向大众。所以相对论能够在公众中收获人气。
量子世界也是非常的奇特,量子纠缠的奇特被一些自媒体广泛提及,不确定性原理、测量导致塌缩等等也与人们的日常思维不匹配。量子世界的奇妙也为科幻作品、科普作品提供了优秀的素材,薛定谔的猫甚至被用到了爱情中。尽管量子力学是高冷的,量子力学中的猫、一些奇特的现象还是很接地气很吸引人的。
霍金的《时间简史》风靡全球,其中一个原因就是里面出现的公式极少,只有一个质能方程。霍金曾说过,每增加一个公式就会导致销量减少一半。越是高深就越容易曲高和寡。
杨米尔斯方程是非线性偏微分方程,从形式上看就要比相对论的一些公式复杂难懂。极少有科普文章能够面向公众科普清楚杨米尔斯方程,理论的高深使得在公众中很少有市场。
科学成就的高低不是看在公众中有多高的知名度,主要还是看科学共同体的评价。杨振宁1994年获美国的鲍尔奖时,授奖词中将他的杨米尔斯场排在了牛顿、麦克斯韦、爱因斯坦的工作之列。从中可以感受到杨米尔斯理论的伟大。
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▾╎爱因斯坦的相对论总被人提及,为什么杨振宁的杨-米尔斯理论却很少会吸引人的眼球呢?
其实这个问题和另一个问题是一回事:你知道世界第一高山是珠穆朗玛峰,那第二高呢?第三高呢?
事实就是这么残酷:不是第一,知名度就会远逊于第一。
有的朋友会说:我知道世界第二高山是乔戈里峰,我还知道世界第三高山是干城章嘉峰,还有第四……
那你确实很厉害,但你一定学过,或是对地理很有兴趣。
科学也是这样。即便是文科生,没有专门学过物理,一定知道爱因斯坦的名字,知道量子力学这个说法,知道牛顿。
但如果不去专门学习,很难知道除了这些No.1之外,还有很多也很伟大的科学家。
这可能就是所谓的「学科壁垒」:你必须稍微花一些力气才能知道的东西。
你认真学了高中物理,那你除了知道牛顿、爱因斯坦之外,还可能会知道波尔、麦克斯韦、薛定谔。
你认真学了本科阶段的物理,你大概就能「听说」大部分物理学家的名字了。
而只有你真的钻到了某个学科,比如粒子物理、量子场论,你才能认识到杨振宁的贡献,才能知道杨-米尔斯理论到底是什么。这背后还需要掌握大量的背景知识。
爱因斯坦的工作,在很多标准下,都可以说比杨老的工作要重要,但也没有天上地下的差别,至少杨振宁老先生的贡献,比一众只知道揪着私生活喷的喷子要不知高到哪里去了。
┡☩爱因斯坦的相对论总被人提及,为什么杨振宁的杨-米尔斯理论却很少会吸引人的眼球呢?
爱因斯坦的相对论总被人提及,为什么杨振宁的杨-米尔斯理论却很少会吸引人的眼球呢?
看起来大家对爱因斯坦的相对论似乎很熟悉,因为理解一些延伸出来的比如质能方程或者质增效应或者空间膨胀以及引力等表面上的东西并不深奥,稍稍有些许数学知识大部分还是能理解的!
正因为如此,各种一知半解的民间科学家挑战爱因斯坦的相对论,或者普朗克的量子力学,抱歉普朗克也躺枪了,但确实有.....但从来没听说过有人要挑战杨振宁,或者我孤陋寡闻,哪位如果有听说过的不妨出来818,愿闻其详!因为杨振宁和米尔斯合作的杨米尔斯理论门槛太高了,如果那么多民间科学家到了这个层次就不是挑战杨振宁了,将是膜拜.....正所谓钻的够深才会觉得自己了解得太少,而知识正是这样!因此科学界没有人去挑战爱因斯坦!
从杨-米尔斯理论开始即要求相当的数学与物理以及广义相对论等,几乎无法用通俗的语言来描述,比如相对论中的各种简化公式在杨-米尔斯理论中基本不存在,这个如果对大众科普的话,估计还没开讲就跑掉一大半了,所以说起这个杨-米尔斯理论,甚至在普通大众中了解的都不多!
也许最简单与最容易描述的也就是这个电弱统一了......
但大众对这些不会有兴趣,而对于描述宇宙,天体,黑洞......等等却是科普的热点与重点,毕竟科普和科研是两回事,而兴趣与研究同样是两回事,所以选择容易理解,也是更感兴趣的话题就是非常自然的事情了!
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