第十层 光是规范玻色子

第十层 光是规范玻色子

对称性：假设有一个系统，有非常多的正方形，如果施加全局变换，也就是让他们同时旋转90°后，得到了相同的系统，那么这个系统就满足全局对称性。

可如果施加局部变换，让他们各自以不同的角度旋转后，得到不同的系统，那么这个系统就不满足局部对称性。   

假设有另一个系统，有非常多的圆形，全局变换和局部变换都满足对称性。

从这里可以看出，一个系统满足全局对称性不一定满足局部对称性，而满足局部对成性就一定满足全局对称性。局部对称性是比全局对称性更强大的对称性，局部变换是比全局变换更苛刻的变换。

几乎所有的物理学家，都相信着一种非常强大的对称性，也就是规范对称性，而这个规范对称性属于局部对称性。   

规范变换就是在时空上每个点进行不同的变换，如果某个量子场在规范变换下保持不变，那么这个量子场拥有规范对称性。

举个例子，光的本质是电磁场，而电磁场是被电磁四维势描述的，电磁四维势是由电场和磁场组成的，准确来说是电势和磁矢势，但这个电磁四维势并不是可观测量，也就是所无法通过实验直接测量出这个电磁四维势。虽然电磁场本身是不可观测量，但是电磁场本身还是存在一些可以被实验测量的物理量，比如电荷、能量、电场、磁场等。

就算我们对电磁四维势进行了规范变换，也就是时空上的每一个点改变了电磁四维势，我们在实验中所测量到的电场和磁场是不会改变的，所以电磁场满足规范对称性。   

以上是经典电动力学的规范对称性，这里的规范变换只是为了选取一个合适的规范或者基准，来简化计算过程，并没有什么特殊之处。而规范场论里的规范对称性，才是现代物理学的核心，他是能帮我们解开宇宙奥秘的一个非常重要的存在。

根据诺特定理：每一种对称性都有对应的一个守恒定律，比如：

空间平移对称性，对应动量守恒定律；

时间平移对称性，对应能量守恒定律；

同样的，在规范场论里，每一种规范对称性必定会引起一种力或者相互作用。         

而规范场的加入，能保全基本粒子的规范对称性，举个例子，电子的波函数是由狄拉克方程描述的，而相位就是波函数其中一个非常重要的参数。电子的波函数在全局相位变换下时不变的，所以这个对称性给了我们电荷守恒定律。但是电子波函数在进行局部相位变换后，对称性被打破了，所以为了保全电子场的U（1）规范对称性，我们必须引入一个新的力场，也就是光子场。             

 这里有两个非常有意思的点：

第一：在修正薛定谔方程后（为了保全规范对称性），重新发现了电磁场的存在；

第二：似乎找到了电荷的起源。

这是因为任何一个带电的基本粒子，会与电磁场发生相互作用，并且被赋予规范对称性。反过来说也是成立的，为了享有这个规范对称性，电磁场必须存在，粒子必须带电荷才能与电磁场发生相互作用。这三者被规范场论密不可分的联系在一起了，因此，为了满足电子的规范不变性，我们必须引入电磁场。             

物理学家通过规范场论重新发现了光子场的存在，规范场论还能预言其它相互作用，以及规范玻色子的存在。   

至于为什么自然界会满足规范对称性，没人知道。物理学家们只是把这个现象当成一个实验事实，以规范场论为基础来描述相互作用，甚至是预言新的粒子。

规范场论似乎能解答三个问题：

1、为什么光子只有一种？这是因为电磁场是属于U（1）规范对称性，生成元只有一个，所以光子只有一种；

2、为什么光的质量是0 ？这是因为有质量的光子会打破规范对称性；

3、光的存在意义是什么？光的存在就是为了保全带电粒子的规范不变性，所以光子场必须存在。

作者QQ及微信：49922779