杨-米尔斯存在性与质量间隙

✍ dations ◷ 2025-08-28 14:58:21 #量子色动力学,千禧年大奖难题

杨-米尔斯规范场论与质量间隙是理论物理中规范场论的一道基础问题,必须在数学上严格证明杨-米尔斯场论存在(即需符合构造性量子场论的标准),亦要证明它们有质量间隙,即模型所预测的最轻单粒子态为正质量。2000年,克雷数学研究所悬赏各一百万元的数学七大千禧年难题,其中一道题为杨-米尔斯规范场论同质量间隙。

在物理学中,杨-米尔斯理论是一种基于非阿贝尔群的量子规范理论:508。20世纪初,物理学家期待量子理论和经典场论两种思想可以融合:82-83。在这一方向上,最早出现的理论是英国物理学家保罗·狄拉克1927年创立的量子电动力学,简称QED:7,它提供了对电磁现象的量子描述,成为麦克斯韦理论的一个量子版本,能极为精确地解释电磁场和电磁力。自然而然的,物理学家期待后续的理论能将电磁现象与弱力和强力一道统一起来:2。

1954年杨振宁和罗伯特·米尔斯提出了杨-米尔斯理论,它是对QED的进一步推广:481。在此基础上统一电磁力和强弱相互作用时,物理学家发现这一理论的“无质量性”成为症结所在:88。经典杨-米尔斯理论的核心是一组非线性偏微分方程,杨-米尔斯存在性与质量间隙难题旨在证明杨-米尔斯方程组有唯一解,并且该解满足“质量间隙”这一特征:90,其官方表述为:对任意紧致、单的规范群,四维欧几里得空间中的量子杨-米尔斯理论存在一个正的质量间隙:6。质量间隙问题是量子色动力学理解强相互作用的理论关键,关乎理论物理学的数学基础,其解决将意味着一个数学上完整的量子规范场论的产生:5。

这一问题的解决前景不甚乐观,爱德华·威滕也直言“(它)对现在而言实在是太难了:92。”物理学家普遍相信质量间隙的存在,但至今未能找到确凿的数学和物理学证明。

杨-米尔斯存在性与质量间隙问题的官方陈述由亚瑟·贾菲(英语:Arthur Jaffe)和爱德华·威滕写出。

我们所知多数非凡()──即有相互作用──的4维量子场论皆为有截断能标(英语:cutoff (physics))的有效场论。因多数模型的beta-函数是正的,似乎大多数这类模型皆有一支朗道极点,因我们完全不清楚它们有没有非凡紫外定点。故此,若每一scale上皆定义有这样的量子场论,它只可能为单纯的自由场论。

然而,有不可交换结构群的杨-米尔斯理论(无夸克)例外。它有一种性质称为渐近自由,指它有一单纯(trivial)的紫外定点(英语:UV fixed point)。因此,我们可以寄望它成为非凡的构造性()四维量子场模型。

不交换群杨-米尔斯理论的色禁闭性已有符合理论物理严谨性的证明,但未有符合数理物理严谨性的证明。基本上,换言之,过了QCD尺度(或者这里应称为禁闭尺度,因为无夸克),那些色荷粒子被色动力学的“流管”连着,所以粒子间有线性势(“弦”张力x长度)。所以胶子之类自由贺粒子不可能存在。若没有这些禁闭效应,我们应见到零质量的胶子;但因它们被禁闭,我们只见到不带色荷的胶子束绑态——胶波。凡胶波皆质量,所以我们期望质量间隙。

格点规范场论(英语:lattice gauge theory)(https://en.wikipedia.org/wiki/Lattice_gauge_theory)的结果令不少工作者相信,这个模型真的有禁闭现象(由Wilson圈的真空期望值的下降的“面积规律”()看出),但这项结果还没有符合数学的严慬性。

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