现今世界上最难的数学题之一是哥德巴赫猜想。
从关于偶数的哥德巴赫猜想,可推出:任何一个大于7的奇数都能被表示成三个奇质数的和。后者称为“弱哥德巴赫猜想”或“关于奇数的哥德巴赫猜想”。
若关于偶数的哥德巴赫猜想是对的,则关于奇数的哥德巴赫猜想也会是对的。2013年5月,巴黎高等师范学院研究员哈洛德·贺欧夫各特发表了两篇论文,宣布彻底证明了弱哥德巴赫猜想。
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华罗庚是中国最早从事哥德巴赫猜想的数学家。1936~1938年,他赴英留学,师从哈代研究数论,并开始研究哥德巴赫猜想,验证了对于几乎所有的偶数猜想。
1950年,华罗庚从美国回国,在中科院数学研究所组织数论研究讨论班,选择哥德巴赫猜想作为讨论的主题。参加讨论班的学生,例如王元、潘承洞和陈景润等在哥德巴赫猜想的证明上取得了相当好的成绩。
1956年,王元证明了“3+4”;同年,原苏联数学家阿·维诺格拉朵夫证明了“3+3”;1957年,王元又证明了“2+3”;潘承洞于1962年证明了“1+5”。
参考资料来源:百度百科-哥德巴赫猜想
杨振宁是有史以来排名前15的物理学家(《Quora》评),与费曼、朗道奠定20世纪物理学的白银时代,是继爱因斯坦和狄拉克之后,20世纪物理学最卓越的设计师(弗里曼·戴森语)。他是华人骄子中的骄子,他的伟大是历史级别的伟大。
一、获得诺贝尔奖的宇称不守恒定律,只是排到他学术成就的第三位
宇称不守恒说的是弱力中不对称的现象,早先科学界对于对称的信仰是不可动摇的,而诺特定律则从数学层面证明了这个对称犹如犹如能量守恒一样可靠,因此杨振宁和李政道在1956年发现弱力不守恒现象时,科学界普遍对这两位年轻人的研究持不信任的态度,一直到吴建雄以钴60原子核的衰变验证了宇称不守恒定律,这才在科学界炸开了锅。
从1956年杨李二人发现宇称不守恒到1957年十月获得诺贝尔奖,只有短短12个月,这在诺贝尔奖史上是绝无仅有的,这也从另一个侧面肯定了这个发现对于科学界的意义!在所有对称中,仅仅只有弱力的那么一点点不对称,造就了宇宙这万物世界,就像微波背景辐射中几乎就是均匀的,但就是这万分之一的不均匀性,成就恒星与星系的诞生,这个意义特别重大
二、杨-米尔斯方程和杨-巴克斯方程
最早杨振宁在导师泰勒门下攻读博士的毕业论文中就有规范场论的方向,他抛开了泰勒给他制定的论文方向,自行选择了四个目标:伊辛模型、Bethe假设、规范场、核反应中的角分布。
四个方向中三个都被卡死,杨振宁以最后一篇《核反应中角分布》在泰勒门下毕了业,虽然杨振宁毕业了,但毕业论文时定的那几个方向却并没完,杨振宁毕业后一年与李政道一起完成了将二维伊辛模型拓展为三维,继而引发了学术界的研究,最终功力最深的昂萨格以此获得了诺贝尔奖。
规范场就是杨米尔斯理论就是一种基于SU(N)群的规范场论。1954年杨振宁和罗伯特·米尔斯创立了杨米尔斯理论,将原本可交换群的规范理论拓展到不可交换群,以解释强相互作用,不过却受到的泡利的质疑,因为杨米尔斯理论中量子必须质量为零以维持规范不变性,而在当时,质量为零的粒子并没有发现。杨米尔斯理论无法解释为何b量子点质量问题,因此论文并未受到重视。
上世纪六十年代科学界开始用对称性破缺机制,杨米尔斯理论成为了从零质量粒子中获得质量的粒子解释的重要工具,而杨米尔斯理论的重要性才刚刚开始。
1967年温伯格和格拉肖在引入规范对称的自发破缺,将电弱统一理论建立在了杨-米尔斯场论,引入希格斯机制,提出了具有U(1)×SU(2)规范对称性的电弱理论。
1972年弗里兹希和盖尔曼提出了具有SU(3)规范对称性的杨-米尔斯理论,建立了量子色动力学。
至此粒子物理的标准模型两大支柱:电磁力和弱力的电弱理论和描述强力的量子色动力学建立,简单的说杨米尔斯理论是现代粒子物理标准模型的基础。
Bethe假设则是后来著名的杨-巴克斯方程,它起源于一个统计力学问题,要与是与一个四价顶角相联系的一个R矩阵与晶格的行与行转移矩阵对易,杨振宁在60年代用BetheAnsatz方法求解带有d函数相互作用的一维量子N体问题和各向异性海森堡自旋链,提出了杨-巴克斯特关系。
从杨米尔斯理论和杨巴克斯方程的研究中,先后有7个诺贝尔奖出自杨米尔斯理论的研究,还有6个研究杨米尔斯理论和杨巴克斯方程而获得菲尔兹奖(数学界的诺贝尔奖)。
1994年杨振宁被授予鲍尔奖时的颁奖词在现在看来仍然有些肉麻“这项工作已经排列在牛顿、麦克斯韦和爱因斯坦的工作之列,并必将对未来几代产生类似的影响”,不过这个评价并非言过其实,因为杨振宁和牛顿爱因斯坦一样,其影响将是巨大而又深远的。
杨振宁的主要经历
1942年毕业于国立西南联合大学;1944年获清华大学硕士学位;1945年获穆藕初奖学金,赴美留学;1948年获芝加哥大学哲学博士学位,后任芝加哥大学讲师、普林斯顿高等研究院研究员;1955年任普林斯顿高等研究院教授。
1966年任纽约州立大学石溪分校爱因斯坦讲座教授兼理论物理研究所所长;1986年任香港中文大学博文讲座教授;1993年任香港中文大学数学科学研究所所长;1998年任清华大学教授。
说了这么多了,咱们来数一下总共有多少粒子了吧,只说最基本的不可再分的。
先说第一代吧,分别是电子、电子中微子、上夸克、下夸克和它们的反粒子,第一代都是构成我们日常所见的普通物质的,比如质子中子原子,第二代呢,μ子、μ子中微子,奇夸克和粲夸克和它们的反粒子,第二代只能在宇宙射线或者高能实验中出现,比如各种介子。
看出点门道没?
不算中微子的话,第一代和第二代除了质量有差别以外,其余性质都几乎完全相同,这也是格拉肖认为一定存在粲夸克的道理,因为要是没有粲夸克的话第二代粒子就不能和第一代粒子对应了。
为什么格拉肖会这么确定有这种对应关系呢?因为他懂得一种理论,这种理论后来被称为标准模型,标准模型是在著名的伟大的杨振宁先生的杨米尔斯方程基础上发展起来的,是不是觉得杨先生现在才出现有点晚呀,其实杨先生早在宇称不守恒时就出现了,为了行文方便才留在现在出场,还有盖尔曼的八重态法也和杨米尔斯方程有关。
返回来继续说粒子之间的关系,刚才对粒子的分类中有没有发觉缺少了一个,对的,没有说光子,为什么没有包括光子呢?因为光子和它们都不一样,上面所说的所有粒子都遵循泡利的泡利不相容原理,光子却不是,物理学家把遵守泡利不相容原理的粒子叫做费米子,不遵循的称作玻色子。
要是泡利听说还有微观粒子不遵循他的圣旨,一定会火冒三丈,拿起鞭子来一顿乱抽,可是这次泡利要慎重考虑一下了,因为玻色背后站着的大佬是爱因斯坦。
玻色是印度人,同样作为东方文明古国,印度和我们一样对现代科学的贡献少的可怜,不过我们后来有了杨振宁先生这位足以和牛顿爱因斯坦麦克斯韦并称的大神,比起印度来还是强多了,在玻色之前,印度只有拉曼可以拿出手,拉曼也是亚洲第一位获得诺贝尔奖的科学家,后来还有钱德拉塞卡,玻色则处于他们中间。
别人都是好好学习,认真读书,然后一举成名,玻色却是不走寻常路,他是靠错误起家,靠关系成为教授。
象泡利海森堡德布罗意狄拉克人家都是20多岁时都做出一生中最大贡献了,玻色都30岁了,还在大学里当讲师混日子,为什么不混个教授啊,因为他没有博士学位,混日子就混日子吧,他还不好好混。
1924年的一天,他在课堂上讲光电效应,一时兴起,准备秀一把,就开始打算重新推导一遍普朗克定律,结果原理引用错了,而且错误极其低级,基本就相当于1+1=2,他却说等于3,可是没想到的是结果居然对了。
这肯定是出来问题,要是一般人也就承认错误了,可玻色不是一般人,他觉得自己没错,还写了一篇论文投了出去,当然别拒稿了,谁会相信连1+1=2都不知道的人的胡说呀,可玻色不死心,他居然把论文寄给了爱因斯坦,要知道那可是1924年,爱因斯坦广义相对论都得到验证了,正是爱因斯坦如日中天的时候,都几乎成神了,玻色就是这么不走寻常路,这就和当年好多中学水平的人告诉陈景润证明了哥德巴赫猜想一样,其实差距更大,可是没想到的是,爱因斯坦居然同意了他的观点,还写了一篇文章支持玻色,并且要求《德国物理学刊》两篇论文一起发表,有了爱因斯坦背书,全世界顿时承认了玻色的成就。
得到爱因斯坦支持后,玻色一夜成名,学校也放他到欧洲游学两年,是真正的游学呀,就跟方鸿渐的游学差不多,反正也没有什么科研任务,当然了也没有什么成果,不过回国后玻色还是破格提拔为了教授,因为他带回来了一封爱因斯坦的推荐信,爱因斯坦爱写推荐信是出了名的,后来爱因斯坦在美国时,每个到美国的犹太人都会找爱神写一封,以至于后来爱神的推荐信大大贬值,基本上就是废纸一张,不过当时爱神的推荐信还没有那么贬值,何况又是在印度,玻色就这样没有博士学位当上了教授。
看起来玻色好像是撞了大运,其实并不是。玻色也是一个聪明人,传说玻尔讲课的时候,遇到了一个难点,玻尔问道玻色教授能不能帮个忙,众人都报以微笑,因为玻色一直在闭目眼神,人们都以为玻尔要出他的洋相,没想到,玻色走上讲台,三下五除二就解决了问题,然后回到座位上继续闭目养神。
玻色的论文说的就是玻色—爱因斯坦统计,爱因斯坦居然还会排在别人后面,真是活久见,而且也就这一回,当然不是爱因斯坦挂了个名,那简直就是不但侮辱了爱神的智商,还侮辱了爱神的人格,在这项工作上,爱神也做了非常多的工作,不过到底是玻色先提出来的,因此玻色排前面就排前面吧,爱神又不缺成果。
符合玻色爱因斯坦统计的粒子就是玻色子,玻色子自旋为1,在同一个能级上能容纳无数多个粒子,这就不符合泡利不相容原理了,泡利说的粒子都是自旋1/2的,而且同一个能级上不允许有两个完全状态相同的粒子,当时知道的玻色子只有一个就是光子。
再来看一下光子有什么作用吧,首先光子不能构成物质,从来就没有听说过什么东西是光组成的,再看看什么时候有光,正反物质湮灭时有光,电子跃迁时有光,这就对了,光就是用来传递电磁力的。
这就好办了,看来粒子分为两种,一种叫费米子,符合费米-狄拉克统计,是构成物质的,一种叫玻色子,符合玻色-爱因斯坦统计,是传递力的,费米-狄拉克统计和玻色-爱因斯坦统计在宏观下的近似就是麦克斯韦-玻尔兹曼统计,之所以之前出现紫外灾难什么的都是由于物理学家使用的是麦克斯韦-玻尔兹曼统计,而玻色犯了一个错误,对麦克斯韦-玻尔兹曼的引用错了,而是考虑了海森堡的测不准原理,所以就直接推导出来了爱因斯坦的光量子假说,他的推导其实使用的就是玻色-爱因斯坦统计,这下说清楚了吧。
既然光子是传递电磁力的,不是有四种力吗?除了电磁力还有弱相互作用、强相互作用和引力,它们是不是也有传递力的粒子呢?
传递强相互作用的就是胶子,这个名字取得终于有点象人话了,胶子就象是胶水一样把夸克粘在了一起,胶子和夸克一样具有色荷,也就具有了色场,胶子形成的色场跟一根弦一样,夸克要想跑出去玩,必须打破胶子的束缚,这就要象拉伸一根弹簧一样拉伸,这根弦越长需要的力也就越大,这就是我们前面《微观粒子发现史之八:夸克君临,天下震动》中说的"渐进自由",这也形成了夸克禁闭,要是能量非常非常大呢,自然就把弦拉断了,不过这个能量已经大到了从真空中激发出一对正反夸克,激发出来的反夸克和飞出来的夸克组成一个介子,激发出来的正夸克则迅速补上了原来夸克的位置,这也是为什么一直发现不了单独夸克的原因。
这些都还是理论设想,严格来说还只是假说,要想让假说成为现实,必须要有实验验证,1978年,德国科学家宣布发现了三喷注现象,这表明确实有胶子存在。
先简单说一下什么是喷注现象。
喷注就是在高能碰撞和衰变过程中产生的呈喷射状的粒子团。高能粒子碰撞时可产生大量粒子,要是新产生的一些粒子在空间某一方向附近以一定动量范围的动量射出,则这些粒子称为一个喷注。
在高能电子和正电子碰撞产生大量强子的实验中,一般表现为双喷注,这就是产生了一对夸克和反夸克,由于夸克禁闭,产生的夸克不能单独飞出就演化成了两个强子,这就是双喷注。要是产生了一对正反夸克和一个胶子呢,同样由于色禁闭,它们也不能单独飞出,就形成了三个强子飞出,这就是三喷注。
由于发现了三喷注,证明了胶子确实存在。
不过发现一个问题没有,这个三喷注现象居然是德国人发现的,这回怎么不是美国人了呢?
咱们在前面说过,现代物理学发展都成了一个烧钱的 游戏 了,科学家们也都成了一堆"公款嫖娼"的奇人,由于二战后,美国人财大气粗有钱建造各种加速器对撞机,所以美国人一直站在了世界之巅,不过欧洲也并不开心,不管怎么说,美国人也都是欧洲发配去的罪犯贫民的后代,看着这些"下等人"天天耀武扬威,贵族们有点不开心。
不开心又能怎么样,当然是迎头赶上,于是欧洲就开始砸钱造各种加速器对撞机,这一造还真对了,弱相互作用的传递力的玻色子就让他们找着了。
之所以传递弱相互作用力的玻色子难以找到,是由于需要的能量太高了,要达到90GeV,之前丁肇中博士发现J粒子也不过才用了31GeV,这一下子要提高30倍,不过该建还得建。
1976年,欧洲核子中性决定建设大型正负电子对撞机,这会把电子加速到接近光速,能量会达到45GeV,这还是不够呀,才一半了,不是对撞机呀,那边还有一半呢,两个一撞就有90GeV了。
不过这个计划建设周期有点太长了,差不多得十几年,这可让物理学家们不爽,要知道晚一天就有可能失去一个诺贝尔奖,何况十几年呢,物理学家们决定不再"公款嫖娼"了,还是自己动手吧。
范德梅尔提出了随机冷却技术来提高能量,简单说一下吧,其实我们说的能量都是一大堆粒子的平均能量,并不是每个粒子都具有相同能量,肯定有一部分粒子和平均能量偏差比较大,那么就把这些能量偏差比较大的粒子再次加速不就完了,这样粒子束的平均能量也就上升了,把这个过程重复无数次呢,粒子束的平均能量也就足够高了,这个设想是不是有点熟悉呀,对的,这就是当年麦克斯韦提出的麦克斯韦妖。
既然有办法了,那就做吧。
1983年,欧洲核子中心发现了±W粒子和Z0粒子,两种粒子的质量分布是81GeV和93GeV,和理论预测基本相符,同时这一结果也获得了诺贝尔奖。
还有引力呢?有没有传输引力的引力子呢?这还真是个大问题,因为标准模型并没有说过这个问题,那么标准模型到底说什么了呢?
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