数学心

第五百八十四章 对称性的整体和局部理论(量子力学)(1/1)

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米尔斯说:“为什么要研究对称的整体和局部性,要从中找到什么区别吗?”、

杨振宁举了个例子:“整体对称,顾名思义,如果一个物体所有的部分都按照一个步调变换,那么这种变换就是整体的。打个比方,舞台上所有的演员都同步地向前、向后走,或者全都做同样的动作,观众看着演员都整整齐齐的,觉得所有人都像是一个人的复制品一样,这样的变换就是整体的。如果经过这样一种整体的变换之后,它还能保持某种不变性,我们就说它具有整体对称性。”

米尔斯说:“那局部性呢?”

杨振宁说:“有了整体对称的概念,局域对称就好理解了,类比一下,如果一个物体不同的部分按照不同的步调变换,那么这种变换就是局域的。还是以舞台为例,导演为了使表演更具有个性,他想让演员表现出波浪的样子,或者是千手观音那样,再或者是形成各种不断变化的图案,这种时候每个人的动作变换就不一样了吧,也不会说所有人都像一个人的复制品一样了,这时候这种变换就是局域的。因为它不再是所有的人按照一个规则变换,而是局部的每个人都有他局域特有的变换规则。同样的,如果经过这样一种局域的变换之后,它还能保持某种不变性,我们就说它具有局域对称性。”

米尔斯说:“那真正的区别是什么呢?”

杨振宁说:“整体变换要简单一些,所有的地方都按照同样的规则变换,而局域变换就复杂多了,不同的地方按照不同的规则变换。所以,很明显,如果你要求一套理论具有某种局域对称,这比要求它具有整体对称复杂得多,局域变换对物理定律形式的要求就更加严格一些。但是,你一旦让它满足局域对称了,它能给你的回报也会多得多。”

米尔斯说:“那为什么拐了那么多的弯要研究这个呢?”

杨振宁说:“还是电磁理论的例子:整体规范对称性下我们只能得到电荷守恒,但是一旦要求它具有局域规范对称性,整个电磁理论,甚至麦克斯韦方程组都直接得到了。电荷守恒和麦克斯韦方程组,这就是整体对称和局域对称给的不同回报,孰轻孰重差别很明显吧?电荷守恒是可以直接从麦克斯韦方程组里推导出来的。”

米尔斯想了想,觉得深奥却易懂,点头说:“用标准的说法说吧。”

杨振宁说:“以上是偏科普的解释,从数学的角度来说,整体变换就是你所有的变换跟时空坐标无关,局域变换就是你的变换是一个跟时空坐标相关的函数。跟时空坐标相关的函数,其实就是说不同的时空点,这个函数值是不一样的,也就是说变换不一样。”

米尔斯在想,不管从哪种解释(从数学更容易),我们其实都可以看出:整体变换其实只是局域变换的一种特例。局域变换里变的是一个跟时空坐标相关的函数,但是这个函数的值也可以是一个定值啊,这时候局域变换就退化成整体变换了。

杨振宁继续说:“在电磁理论里,整体规范对称性对应着电荷守恒,但是我一旦要求这个整体规范对称性在局域下也成立,我立马就得到了整个电磁理论。

那么我可不可以把这种思想推广到其他领域呢?比如强力、弱力,有没有可能同样要求某种整体对称性在局域成立,然后可以直接产生强力、弱力的相关理论呢?”

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