规范场论
规范场
虚粒子(virtualparticle)的概念 核力的作用在较低能量下（比介子质量小）也是可以发生 的，此时怎么可以认为核子发射了很重的介子而本身质量不 变？这里的交换粒子，实际上是虚粒子。虚粒子用于传递相互 作用，因而总是局限在一定时空范围内的。由于测不准关系， 它本身可以不遵从自由粒子的能量-动量关系。表现到作用过程 中，就是交换粒子的质量不确定，或者能量守恒在作用时间内
§4.3.1 氘核基态
1. 实验数据
表4—1 氘核的实验数据 结合能 自旋宇称 磁矩 电四极矩 B（MeV） Jπ 2.224573±0.000002 1+ 0.857438230±0.000000024 0.2860±0.0015
μd(μN)
Qd(10-2b)
氘核是np二核子体系，核子之间没有库仑力，只有核力。但是 ，氘核又过于简单，只有一个束缚态，因此不能由它得到关于核力 较多的知识。
r A,V 是电磁场的势。此时，对于下面的协同变换，带
电磁作用势的薛定谔方程不变：
r r ψ ( x, t ) → ψ ' ( x, t ) = e r r r hc A → A ' = A − ∇χ q V →V '= V + h q ∂t
r − iχ ( x , t )
∂χ
⎫ r ⎪ ψ ( x, t ) ⎪ ⎪ ⎬ ⎪ ⎪ ⎪ ⎭
1935 年，汤川秀树建立核力的介子场论。他认为核子 - 核子间的相 互作用是由于交换介子而引起的，并且由力程预言介子的质量介乎电子 质量和核子质量之间，是电子质量的 200多倍。实验上，首先探测到的 质量在电子和核子之间的粒子是μ子，其质量
mμ = 206.6me = 105.66MeV / c 2
物理世界相互作用定律的内在不变性——从系统科学哲学视角看规范场论
笔者在 《 范场 论 的哲 学探 究 ： 论 基 础 、 史 规 理 历
渊 源及 其哲 学 意 蕴》 一 书 的总 体 思 路 中 ， 点 强 Ｊ 重
调 了规 范对 称 性 的 本 质 或 真 谛 在 于 物 理 学 定 律 在 变 换 中的 内在 不 变性 。 书 中分八 个 方 面展 开 ：
（ ） 一 第一 部分 先介 绍 规范 场论 的 基本 原 理 （ 更
详细 的是 ， 录 ： 范场 论 的形 式 体 系 ） 附 规 。考虑 到 由
浅人 深 的原 则 ， 书所 采 用 的 是尽 可 能通 俗 的一 种 该
表 述方 式 。先交 待 了一 下 “ 本 粒 子 论 中对 称 性 ” 基
桂 起 权
（． 汉大学 １武
哲 学 学 院 ，湖 北
武汉
４ ０ ７ ；． 海 系 统 科 学 研 究 院 ，上 海 ３０ ２ ２ 上
２０９ ） ００ ３
［ 摘
要 ］ 根 据规 范场论 ， 自然界各种不 同的基本相 互作用在 实质上都 归结 为规 范场 ， 规 范对 称性” 而“ 的本
质 在 于 “ 理 定律 在 变 换 中保持 内在 不 变性 ” 物 。按 照 一 般 系统 论 的 “ 同科 学 中 的 同 构 性 ” 思 想 ， 种 “ 不 的 这 变换 中的
由于杨振 宁及 其 合 作 者 的工 作 ， 范 场 论 （ 规 尤 其是 杨 一米尔 斯规 范 场理 论 ） 渐 成 为 大 家 耳熟 能 逐 详 的名词 。杨 振 宁 ｌ（ 说 ： ｌ ｌ
近代 物理 学研 究 自然 界 的 “ 力”（ ： 本 相 互 指 基
作用 ） 发 现 共 有 四 种 ： 力 、 ， 核 电磁 力 、 力 和 引 力 。 弱 四种 力和 它们 的 能 都 是 规 范 场 （ ａｇ ｅ 。 是 ｇｕ ｅｆ ｌ 这 ｉ ｄ） 近三 十年 来的 一项 基本 了解 。
规范场和规范不变性
规范场和规范不变性规范场和规范不变性是现代物理学中的重要概念，它们在多个领域中具有广泛的应用。
本文将介绍规范场和规范不变性的基本概念及其在物理学中的应用，并探讨它们对我们对自然界的理解和描述的重要性。
一、规范场的概念规范场是现代物理学中的一个基本概念，它描述了一种物理场的性质，并与场的规范不变性密切相关。
规范场可以是电磁场、引力场等，通过引入规范场，我们可以更好地描述和理解某些物理现象。
二、规范不变性的概念规范不变性是指物理定律在规范变换下保持不变的性质。
规范不变性是现代物理学中的一种对称性，并且在许多物理理论中都具有重要作用。
通过规范不变性，我们可以得到一些重要的约束条件，从而更好地理解和描述物理现象。
三、规范场和规范不变性在电磁学中的应用在电磁学中，电磁场是一种规范场，通过规范不变性我们可以建立麦克斯韦方程组，从而描述电磁现象。
麦克斯韦方程组的规范不变性保证了电磁理论在不同规范下的有效性，使得我们可以更好地理解电磁学中的各种现象。
四、规范场和规范不变性在引力学中的应用在引力学中，引力场是一种规范场，通过规范不变性我们可以建立爱因斯坦场方程，从而描述引力现象。
爱因斯坦场方程的规范不变性保证了引力理论在不同规范下的一致性，使得我们可以更好地理解宇宙的演化和引力的性质。
五、规范场和规范不变性在量子场论中的应用在量子场论中，规范场和规范不变性是非常重要的概念。
通过引入规范场，我们可以建立量子电动力学、量子色动力学等理论，从而描述微观粒子的相互作用。
规范不变性使得这些理论在计算物理量和解释实验结果时具有良好的一致性。
六、规范场和规范不变性对物理学的意义规范场和规范不变性对物理学的意义不仅在于它们提供了一种描述和解释物理现象的数学框架，更重要的是它们深刻地影响了我们对自然界的认识和理解。
规范场和规范不变性的引入使得我们能够以更准确、更全面的方式描述物理现象，进而推动了物理学的发展。
七、总结规范场和规范不变性是现代物理学中的核心概念，它们在电磁学、引力学和量子场论等领域中都具有重要应用。
理论物理学前沿中的哲学问题——从规范场论到弦论
【 作者简介】 贺天平（９６ ， 山西大学科学技术哲学研究中心教授， １７ 一） 男， 研究方向： 科技哲学、 科技政策与科技管理；
高
１ ８
策（９ ８ ， 山西大学科 学技术哲 学研 究中心教授 ， 究方向 ： １５ 一） 男， 研 科技哲学、 科技 史。
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２ Ｏ世
纪３ Ｏ年代 人们发 展量 子 电动力学 时所 采用 的观 点 。 １５ 杨振 宁和 米尔斯 发 表 了划 时代经 典论 文 《 ９４年 同
位旋守恒和广义的规 范不变》 同位旋守恒和 同 和《 位规范不变》 。杨振宁和米尔斯构筑 的规范理论所 基于的不是 电动力学 中的简单 ｕ １ 规范群 ， （） 而是 同 位 旋 守 恒 中 的 ｓ ２） 范 群 。 们 希 望 这 会 成 ｕ（ 规 他
维普资讯
第２ ５卷 ， １ 第 期 ２０ ０ ８年 ２月
・
科 学 技 术 与 辩 证 法
Ｓ ｉｎ ｅ， ｃ ｎ ｌｇ ｎｄ Ｄｉｌ ｃｉ ｓ ｃ ｅ ｃ Ｔｅ ｈ ｏ ｏ ｙ ａ ａｅ ｔｃ
Ｖｏ ． ５ Ｎｏ． １２ １
Ｆ ｂ ，０ ８ ｅ．２０
被 视为是 基 于 Ｕ（ ） 范 对称 性 ， 这并 不是 ２ １规 但 ０世
规范场论的观念“ 给人类对宇宙基本作用力和 自然 规 律 提 供 了理 解 ” 被 丁肇 中 （ ａ ｕｌＣ Ｃ ¨， Ｓｍ ｅ ． ．
Ｔｎ ） ｉｇ 赞誉 为 “ 一个 划 时代 的 创作 ， 是 不但 成 为 今 天 粒 子 理论 的基石 ， 且 在相 对 论 及 纯数 学 上 也 有 重 并 大 的意义 ” 。弦论 迫 使 物理 学 家们 改 变关 于实 在 的 观念 ， 迫使 物理 学家重 新审 视事 物最深 层次 的本性 ，
规范场论哲学探究的核心——《规范场论的哲学探究》的总体思路
分 离 的整 体 性 ” 等 哲学 问 题 。 这 是 十 分 可 喜 的 现 象 。 等
相 比之 下 ， 憾 的 是 ， 于 量 子 场 论 和 规 范 场 论 的 哲 学 遗 关
意 义 研 究 却 仍 然 严 重 地 被 忽 视 。 可 是 ， 对 论 和 量 子 相
力学 中的哲学 问题 ， 只有 站 在 量 子 场 论 和 规 范 场 论 的 高 度 ， 有 可 能 更 加 深 刻 地 得 到 理 解 并 有 可 能 阐 明 其 才 本 质 含 义 ， 至 有 些 物理 问题 （ 如 场 、 子 、 互 作 用 甚 比 粒 相 等 ） 只有 在量 子 场 论 和 规 范 场 论 的 统 一 框 架 下 才 能 也
辩 证 联 系 等 等 ； 改 革 开 放 之 后 ， 多 科 学 哲 学 学 者 则 在 许 对 于在 积 极 意 义 上 从 正 面 去 发 掘 量 子 力 学 的哲 学 意 蕴 表 现出空前的热 情。例如 ， 多世 界 解释 、 子 测量 、 有 量 退 相 干 、 子 远 程 关 联 及 量 子 通 讯 、 同 粒 子 “ 对 可 量 全 相
《 范 场 论 的哲 学 探 究 — — 它 的 概 念 基 础 、 史 发 规 历
展 与 哲 学 意 蕴 》是 “ 理 学 前 沿 的 哲 学 问 题 研 究 —— 物 规 范 场 论 的哲 学 意 义 ” 题 的最 终 成果 。间 、 间 与 物 质 运 动 之 间 深 刻 的 特 时 空
得 以正 确 理 解 。 更 重 要 的 是 ， 子 场 论 和 规 范 场 论 已 量 经 成 为 未 来 新 理 论 的 基 础 ， 新 理 论 在 创 建 过 程 中则 而
论 相 结 合 的 产 物 ； 范 场 论 ， 某 种 意 义 上 ， 以 看 作 规 在 可 量 子 场论 思 想 与 广 义 相 对 论 中 的 “ 理 学 几 何 化 ” 物 思 想 综 合 的 结 果 。还 有 一 些 探 索 性 的 研 究 ， 量 子 力 学 如 与 广 义 相 对 论 的 直 接 结 合 的 尝 试 ， 生 了 “ 子 引 力 产 量 论 ” 而量 子 场论 与 “ 子 引 力 论 ” 合 的尝 试 ， 建 构 ， 量 结 正
规范场的概念
规范场的概念规范场是物理学中的一个概念，用来描述粒子之间相互作用的力场。
在粒子物理学中，存在四种基本相互作用力：强相互作用力、电磁相互作用力、弱相互作用力和引力。
这些相互作用力可以通过场的形式来描述，其中规范场就是描述强相互作用力和电磁相互作用力的场。
规范场理论的基础是量子场论。
根据这个理论，物质粒子和相互作用粒子都可以看作是场的激发态。
例如，电子可以看作是电子场的激发态，而光子可以看作是电磁场的激发态。
规范场理论将粒子的相互作用描述为场之间的相互作用。
规范场的基本性质是它们与规范变换相联系。
规范变换是一个变换，它保持物理过程不变，但改变了规范场的表达方式。
规范场的物理实质应该是与规范无关的，所以规范场的描述应该在规范变换下保持不变。
具体来说，规范场的描述可以通过规范势和规范场强度来完成。
规范势是规范场的一种表达方式，它是一个标量场。
与之对应的是规范场强度，它是一个矢量场。
规范场强度可以看作是规范势的导数。
规范场的动力学方程由拉格朗日量给出。
规范场的动力学方程描述了其如何随时间演化。
例如，电磁场的动力学方程由麦克斯韦方程组给出。
通过求解规范场的动力学方程，可以得到规范场的模式，从而进一步研究粒子的相互作用。
规范场的动力学性质由规范不变性和局域规范不变性所决定。
规范不变性指的是物理规律在规范变换下保持不变，也就是说，使用不同的规范势和规范场强度进行描述，得到的物理结果应该是相同的。
局域规范不变性是规范不变性的一种特殊形式，其中规范变换可以在空间中的每个点上独立进行。
规范场理论在粒子物理学中具有重要的应用。
例如，量子电动力学（QED）就是规范场理论的一个例子，用于描述电磁相互作用。
通过规范场理论，可以解释电子和光子之间的相互作用，并预测一系列实验现象，如康普顿散射和自能修正。
总结起来，规范场是一种用来描述粒子相互作用的力场。
它的基本性质是与规范变换相联系，其描述可以通过规范势和规范场强度完成。
规范场的动力学方程由拉格朗日量给出，其动力学性质由规范不变性和局域规范不变性所决定。
场论中的拉格朗日量及其守恒定理
场论中的拉格朗日量及其守恒定理场论是物理学中研究场的动力学规律的一门学科，其中拉格朗日力学是一种重要的描述方法。
在场论中，拉格朗日量是描述场的一种数学量，它包含了场的动力学信息，并且通过最小作用量原理来确定场的运动方程。
除此之外，拉格朗日量还可以用来导出一些守恒定理，这些定理对于理解和预测物理现象非常重要。
拉格朗日量是描述场的物理量，它通常由场的各个分量及其导数构成。
在物理学中，拉格朗日量是一个标量，它不随坐标变换而改变。
通过选择适当的拉格朗日量，可以描述不同的物理场，如电磁场、引力场等。
场的运动方程可以通过最小作用量原理得到，而最小作用量原理可以用拉格朗日量来表示。
最小作用量原理认为，物理系统的运动是使作用量取极小值的路径。
作用量由拉格朗日量和时间积分构成，它描述了物理系统在一定时间内的运动情况。
通过变换场或场的分量，可以得到不同的场方程，从而描述不同的物理现象。
在场论中，拉格朗日量可以导出一些守恒定理，这些定理对于解释和预测物理现象非常重要。
守恒定理表明，在一些特定的条件下，某些物理量在时间和空间中保持不变。
例如，能量-动量守恒定理和角动量守恒定理是场论中最基本的守恒定理之一。
能量-动量守恒定理指出，在一个封闭系统中，能量和动量的总量保持不变。
封闭系统是指不受外界力或力矩作用的系统。
对于一般的场论，能量-动量守恒定理可以通过拉格朗日量的对称性来推导。
例如，如果拉格朗日量在某个坐标变换下保持不变，那么相应的能量和动量一定守恒。
这个定理在研究物体的运动和相互作用时非常有用，可以帮助我们理解物质和能量的转移和转化。
角动量守恒定理指出，在一个封闭系统中，角动量的总量保持不变。
角动量是描述物体绕某一轴旋转的物理量，它由物体的质量、速度和距离决定。
通过拉格朗日量和对称性的分析，可以得到角动量守恒的条件。
这个定理在研究旋转体系和粒子自旋时非常重要，可以帮助我们理解物体的稳定性和旋转行为。
除了能量-动量守恒定理和角动量守恒定理，还有一些其他的守恒定理在场论中起着重要的作用。
10规范场的新认识
10、规范场的新认识现代规范场论始于杨振宁和米尔斯提出的关于强相互作用的同位旋规范不变性理论。
杨-米尔斯理论这种非阿贝尔规范理论，总体上是在量子场纲领的框架内提出的，其中相互作用由场量子传递并通过场量子之间的局域耦合实现。
从方法论上讲，它受到想拥有一个普适原理，以在众多可能性中确定唯一的耦合形式这样一种愿望的驱动。
从物理学上讲，该理论受到强核力的电荷无关性的推动，与此同时又为这种力的短程特征所限制。
这个短程困难被如下发现所克服：首先是20世纪60年代初自发对称性破缺的发现，然后是20世纪70年代初渐进自由的发现。
随着韦尔特曼和特霍夫特关于非阿贝尔规范理论可重整化性的证明，粒子物理学共同体获得了一种似乎自洽的概念框架。
从概念上讲，这个框架在描述自然界中各种基本相互作用、以及探索曾被认为是定域场论的新的整体性特征方面都是强有力的，而这些特征与我们对真空结构和电荷量子化的理解有直接关系，从而开创了一种新的基础物理学研究纲领：规范场纲领。
规范场论是以规范变换群下的不变性为基础建立的理论，它对描述各种基本的相互作用提供了一个适当的确定的框架。
物理学中遇到的连续变换对称性可以分为两种：一种是整体对称性，即空间各点作相同变换的对称性；一种是定域对称性，即空间各点变换可以有不同的对称性。
当场论的规律要在定域对称变换下保持不变时，必须引入新的场，即规范场。
规范场的量子是一种新粒子，该粒子的交换将引起新的相互作用，就是规范相互作用。
因此一定的定域对称性自然给出一类相互作用，并且其相互作用规律相当确定，这就为基本相互作用提供一定的可能的来源。
最早的规范场论是电磁场论，1954年杨振宁（C.N.Yang）和Mills 把它推广到普遍的规范场论，弱电统一理论和量子色动力学的发展都是以此为基础的对称和不变元的关系，晶体的许多性质，只决定于它的不变元的结构。
我们了解的理论，如量子色动力学、Einstein的广义相对论，所有这些理论有17个参数，都是对称出来的。
量子力学中的规范场与场的量子化
量子力学中的规范场与场的量子化量子力学是描述微观世界行为的一种理论框架，而规范场理论是量子力学中的重要组成部分。
规范场理论研究的是一类具有规范对称性的场，其中最著名的就是电磁场。
本文将介绍规范场的概念以及场的量子化过程。
一、规范场的概念规范场是一种具有规范对称性的场，其物理量在规范变换下保持不变。
规范对称性是指在场的变换下，物理量的变化可以通过引入一个规范变换来抵消。
以电磁场为例，电磁场的规范对称性可以通过引入电磁势的规范变换来实现。
在电磁场中，电磁势的规范变换可以写为A' = A + ∇Λ，其中A是电磁势，Λ是一个任意的标量函数。
尽管电磁势的数值发生了变化，但电场和磁场的物理量并未改变，因此电磁场具有规范对称性。
二、场的量子化场的量子化是将经典场论转化为量子场论的过程。
在量子力学中，物理量的测量结果是离散的，而经典场论中的场是连续的。
因此，为了描述微观世界的行为，需要将场量子化。
场的量子化可以通过正则量子化方法实现。
正则量子化方法是将场的坐标和动量视为算符，满足一定的对易关系。
以标量场为例，标量场的坐标算符是ϕ(x) =a(k)e^(ik·x) + a†(k)e^(-ik·x)，其中a(k)和a†(k)分别是湮灭算符和产生算符。
这些算符满足对易关系[a(k), a†(k')] = δ(k - k')，其中δ(k - k')是狄拉克δ函数。
通过对易关系，可以推导出场的动量算符和哈密顿算符，进而得到场的量子力学描述。
三、规范场的量子化规范场的量子化是将规范场转化为量子场的过程。
在规范场中，由于规范对称性的存在，会出现场的冗余度。
为了消除这种冗余度，需要引入规范固定条件。
以电磁场为例，电磁场的规范固定条件可以选择为库伦规范或洛伦兹规范。
在库伦规范下，电磁势满足∇·A = 0；在洛伦兹规范下，电磁势满足∇·A + β∂tA = 0，其中β是一个任意的实数。
量子色动力学规范理论进展
量子色动力学规范理论进展近年来，量子色动力学（Quantum Chromodynamics, QCD）规范理论在高能物理领域取得了显著的进展。
QCD是描述强相互作用的理论，它揭示了夸克和胶子的统一性质和相互作用规律。
本文将介绍一些关于QCD规范理论的最新进展。
一、规范场论的基本原理QCD规范理论是基于杨-米尔斯理论的，它描述了强相互作用的规范场。
规范场是一种表示基本粒子相互作用的数学工具，通过它我们可以理解夸克之间的相互作用和色荷传播的机制。
QCD规范理论的基本原理包括：1. 夸克和胶子的自旋和色荷；2. 胶子之间的相互作用；3. 杨-米尔斯规范对称性。
二、渐近自由性和色禁闭QCD规范理论中的一个重要特征是渐近自由性。
随着能量的增加，强相互作用变得相对较弱，使得夸克和胶子可以自由运动。
这种现象在高能散射实验中得到了验证。
另一个重要的现象是色禁闭。
在低能量下，夸克和反夸克之间会形成一对色-反色，并组成弦状物质，这种态被称为弦态。
这种现象在强子光谱、夸克背景和其他实验观测中得到了证实。
三、格点QCD模拟格点QCD模拟是研究QCD规范理论的一种重要方法。
它通过在一个网格上离散化时空和动力学规律，模拟夸克和胶子的相互作用。
通过格点QCD模拟，可以得到一系列物理量的计算结果，如强子质量、强子结构和子结构等。
四、QCD重整化和有效场论由于QCD规范理论的非常规范耦合，尝试直接计算物理量会遇到发散的问题。
为了处理这个问题，引入了QCD重整化方法。
重整化是将发散的结果通过对物理量进行重新定义，得到与实验一致的结果。
在研究QCD规范理论时，还可以采用有效场论的方法。
有效场论是一种模型化简的方法，通过积掉高能自由度，将原始理论映射到低能有效理论上。
这种方法在研究强子共振态、夸克-胶子等非常规范耦合情况下具有重要应用。
五、可重整性和不可重整性QCD规范理论中存在着可重整和不可重整的相互作用。
可重整相互作用是指发散的修正可以通过有限个参数进行重整化。