1916年的深秋,战争的硝烟在欧洲大陆逐渐散去,但重建的步履维艰,学术交流的恢复也如同初融的冰河,缓慢而脆弱。然而,思想的火花一旦被点燃,便能穿越物理的阻隔,在书信往来中持续燃烧。哈尔森·沃克与沃尔夫冈·泡利之间,自瑞士那次花园谈话后建立起的通信联系,便成了这样一条重要的思想通道。
在剑桥的书房里,哈尔森铺开信纸,煤油灯的光芒将他的影子拉长在布满书籍的墙壁上。他刚刚仔细阅读了泡利从慕尼黑寄来的长信。信中,泡利以他特有的、近乎苛刻的严谨,详细阐述了他对哈尔森提出的“电子内禀角动量”想法的进一步思考,以及这个想法如何与他萌芽中的“不相容原理”相结合,来解释元素周期律和原子光谱的种种疑难。泡利的逻辑清晰,推导严密,显示出他非凡的数学功底和物理洞察力。但他也坦诚地表达了一个核心的困惑:这个“内禀角动量”究竟是什么?它的物理起源是什么?它似乎是一个为了解释现象而引入的、缺乏更深层理论基础的“特设性”假设。
读到这里,哈尔森的嘴角泛起一丝不易察觉的微笑。泡利的困惑,正是他将对话引向更深层次的绝佳契机。他提起笔,蘸饱墨水,决定将一颗更重要的种子,埋入这位未来巨匠的心中。
“亲爱的沃尔夫冈:”
“很高兴收到你的长信,你对‘内禀自由度’与元素周期律关联的思考极为深刻,我相信这正通向一个非常根本的原理。关于你提到的‘物理起源’问题,这无疑是切中要害的。我们确实不能止步于引入新自由度来解释现象,而应追问其背后的‘为什么’。”
他先肯定了泡利的思考方向,然后巧妙地引入了新的视角。
“近来,我反复思索一个或许更为原理性的问题:在理论物理学中,我们常常发现,对称性与守恒定律之间存在着深刻的联系(正如我们在广义相对论的讨论中看到的,广义协变性导致了能量动量守恒)。那么,反过来思考:如果我们发现自然界存在某种守恒量(比如,你正在思考的、与电子内禀自由度相关的某种‘荷’),这是否意味着,我们的物理理论应该具有某种对应的对称性(或者说不变性)来保证这个量的守恒?”
这是一个将“诺特定理”思想(对称性对应守恒律)反向运用的启发。他没有提出定理名称,而是将其作为一种物理哲学来探讨。
“现在,让我们做一个大胆的‘数学游戏’。” 哈尔森的笔触变得更具引导性和探索性,“假设电子的这个内禀自由度(我们暂且称之为某种‘内部坐标’或‘内部状态’),其物理意义在于,它携带了某种新的‘荷’。并且,我们要求物理定律在关于这个‘内部坐标’的某种连续相位变换下保持不变(即具有某种规范不变性)。也就是说,我们强行要求理论具有这种对称性。”
写到这里,他停顿了一下,让这个抽象的概念沉淀。他知道,这对于1916年的泡利来说,是极其超前的思想。
“那么,一个非常有趣且可能具有深远后果的问题产生了:为了保持理论在这种定域规范变换(即时空每一点的相位变换可以独立进行)下的不变性,我们的理论结构需要做出怎样的改变?”
他逐步推进,指向核心:
“数学上可以证明(这涉及到一些有趣的微分几何概念),如果我们要求理论在定域的相位变换下保持不变,那么我们就不得不在理论中引入一个新的场。这个场会与携带那个‘荷’的粒子发生耦合,其作用正是‘补偿’因定域相位变化所带来的不对称性,从而恢复整体的对称性。这个新引入的场,可以看作是传递相互作用的媒介。”
接着,他抛出了最关键的、也是最具预言性的部分:
“更有趣的是,从这个要求规范不变性的纯粹数学原理出发,我们甚至可以推断出这个新场的某些必然性质。比如,为了保证理论的协变性和对称性,这个传递相互作用的场量子,很可能必须是无质量的。因为质量项通常会破坏这种严格的规范对称性。”
无质量的场量子!
这个结论,在1916年听起来,简首如同天方夜谭。当时物理学家认知中的基本相互作用媒介,如电磁场(光子),确实是无质量的,但这被视为一种特例,而非原理性的要求。而哈尔森此刻,从一个抽象的数学对称性原理出发,竟然推导出了相互作用媒介粒子可能具有的无质量属性!这实际上是后来杨-米尔斯理论的核心思想,也是弱电统一理论中要求希格斯机制赋予W、Z玻色子质量的深层原因——因为纯粹的规范理论要求它们原本是无质量的。
哈尔森深知这个概念的颠覆性,他在信中继续写道:
“我知道,这个‘无质量粒子’的想法在目前看来近乎幻想,缺乏任何实验依据。我们甚至不清楚它对应的‘荷’究竟是什么(或许与β放射性有关?这只是猜测)。这完全是一个基于数学美感和原理性追求的‘思想游戏’。但回顾历史,麦克斯韦当年统一电与磁时,他引入的‘位移电流’项最初不也是一种基于对称性和数学完备性的、看似没有首接对应物的概念吗?然而它却预言了电磁波的存在。”
“所以,沃尔夫冈,我想与你探讨的是:是否存在这样一种可能性——相互作用的形式本身,是由某种基本的对称性原理(规范不变性)所决定的,而不仅仅是由经验归纳而来? 如果我们承认电子有内禀自由度,那么从保证相关‘荷’守恒的规范原理出发,是否可能‘推导’出一种新的相互作用场,其量子是无质量的?这虽然目前只是一个数学框架,但或许为我们理解力的起源提供了全新的视角。”
他将这个极其超前的思想,包装成一个与泡利共同探讨的“数学游戏”,既激发了泡利对数学结构的好奇心,又避免了首接给出答案可能带来的抵触。
信寄出后,哈尔森耐心地等待着回音。他知道,泡利以其批判性思维著称,绝不会轻易接受一个空中楼阁式的想法。但他也相信,泡利对数学结构的内在美和逻辑自洽性有着近乎偏执的追求,这个“游戏”很可能击中他的兴趣点。
几周后,泡利的回信抵达了剑桥。信中的语气果然充满了质疑和挑战,但哈尔森敏锐地察觉到,在那些尖锐的问题背后,隐藏着被强烈吸引的迹象。
泡利详细反驳了“无质量粒子”的物理现实性,质疑了“内部相位变换”的物理意义,并指出这个框架目前完全无法给出任何可检验的预言。然而,在信件的最后,他写道:
“……尽管您的这个‘规范不变性’游戏在物理上目前看来站不住脚,但我必须承认,其数学结构本身具有一种奇特的优雅和力量。从一条对称性公设出发,似乎能‘迫使’理论产生新的场,并且限定其性质,这种思路……很有趣。它像是一种理论的‘自举’(bootstrap)。或许,我们可以暂时搁置其物理诠释,先纯粹从数学上探讨这个框架的完整性和一致性?比如,如果存在多个这样的‘荷’和相应的规范场,它们之间会如何相互作用?这些场本身的规范变换性质又是怎样的?……”
读到这里,哈尔森欣慰地笑了。种子己经播下。泡利虽然从物理上强烈质疑,但他己经被这个数学游戏的纯粹性和内在力量所吸引。他没有完全拒绝,而是提议继续进行“纯粹数学”的探讨。这正是哈尔森想要的结果——让规范对称性的思想,首先以数学形式潜入泡利的思维深处。
在随后的通信中,两人(主要是哈尔森引导,泡利质疑和深化)开始更深入地探讨多重规范场、非阿贝尔规范群(虽然未用此名)的可能性,以及规范场强张量的构造等高度形式化的内容。这些讨论完全脱离了当时的实验物理背景,更像是一种数学物理的前沿探索。
这次通信,没有产生任何立即的论文,也没有解决任何具体的物理问题。在1916年的物理学界看来,这或许只是两位天才之间不切实际的智力消遣。然而,历史将证明,这颗名为“规范原理”的种子,一旦落入泡利这样肥沃而锐利的头脑中,将会孕育出何等强大的力量。它将在未来,由泡利本人、杨振宁、米尔斯等一代代物理学家浇灌,最终生长为描述弱电相互作用和强相互作用的标准模型的核心支柱。
哈尔森·沃克,这位时空的先知,再次以他超越时代的视野,通过一次精心设计的“数学游戏”,将一条通往终极统一之路的关键线索,悄无声息地交给了未来。而这条线索,将在他自己的秘密探索——那低维引力模型中浮现的SU(2)幽灵——的映照下,显得愈发意味深长。统一之路的图景,正在这些跨越时空的思想交流中,逐渐变得清晰起来。
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