二、规范相互作用

量子力学中系统状态由波函数描写。波函数通常为复数，复数的幅角称为位相因子。另一方面，一切实验观测量必须为实数，让所有波函数共同变化一个位相因子，在实验中是无法观测的。公共位相因子的不可观测性，表现为量子理论的运动方程式对波函数共同的位相变换保持不变，这称为第一类规范不变性。这种规范变换的不变性是与电荷守恒相联系的。根据狭义相对论的观点，一切能量的传播速度存在上限，即不能大于

光速。让所有空间点的波函数同时作相同的相因子变换，就涉及信号的无穷大传递速度问题。为了协调这种矛盾，引入波函数的局域相因子变换， 即变化的相因子与时空坐标有关，这样的变换称为第二类规范变换。为了

使动力学方程对第二类规范变换保持不变，必须相应地引入静止质量为零的规范场，称为电磁场。第二类规范变换不变性严格地规定了各类物质场与电磁场的相互作用形式。描写电子场的电磁作用的理论即量子电动力学，正是建立在这种第二类规范变换不变性的基础上，称为 U(1)规范作用。量子电动力学取得惊人的成功，使规范不变性成为探索新的运动规律的一种重要方法。对于人类尚未充分了解的新的相互作用，例如强相互作用和弱相互作用，规范不变性可以作为探索相互相作用具体耦合形式的依据。

1954 年杨振宁和米尔斯(Yang-Mills)提出了对同位旋场规范化的SU(2)规范理论，称为非阿贝尔规范理论。这是规范理论向前发展的决定性步骤，SU(2)规范理论很容易被推广到各种复杂形式的规范理论中去。当时SU(2)规范理论中遇到的一个重大困难是，严格的规范不变性要求规范场的量子是零质量的矢量粒子。作为 U(1)规范场的电磁场，它的量子是光量子，静止质量为零。但是，实验上再没有发现其他零质量的矢量粒子，这是非阿贝尔规范理论（non-Abeliangaugetheory）提出以后没有迅速得到应用的根本原因。但是，凡是符合客观实际的理论一定会有顽强的生命力， 会经得起时间的考验。60 年代末和 70 年代初，通过不同方法克服零质量矢量粒子的困难，在规范场论基础上，弱作用与电磁作用统一理论提出来了，描写强相互作用的量子色动力学提出来了，它们都取得了相当的成功。通过这两次成功的突破，统一各种相互作用的愿望又一次得到鼓舞和促进。