? 科學的守護者:斯蒂文·溫伯格(1933-2021)-深度-知識分子
<bdo id="mkicq"></bdo>
  • <samp id="mkicq"><label id="mkicq"></label></samp>
  • <acronym id="mkicq"></acronym>
  • 科學的守護者:斯蒂文·溫伯格(1933-2021)

    2021/08/02
    導讀
    施郁眼中的溫伯格

    斯蒂文·溫伯格(Steven Weinberg)教授 | 圖源wikimedia.org

     

    撰文 | 施郁(復旦大學物理學系教授)

    責編|邸利會

     
    ●                ●                

    ☆ 溫馨提示 

    本文近1萬5000字,分7個小節,其中4、5、6節適合有一定物理基礎的讀者或專業研究者閱讀。

     目 錄 

    1. 紀念溫伯格
    2. 溫伯格小傳
    3. 寫了最多教科書的一流科學家
    4. 標準模型的物理學和歷史背景
    5. 溫伯格對標準模型的貢獻
    6. 溫伯格的其他科學貢獻與思想
    7. 我和溫伯格的點滴交往


    紀念溫伯格


    7月23日,驚聞斯蒂文·溫伯格(Steven Weinberg)教授在美國奧斯汀仙逝,終年88歲。
     
    我想起他在 Without God(《沒有上帝》)中的一段話 [1]——

     

    “我們越反思生活的愉快,就越懷念曾經由宗教信仰提供的最大的安慰:對于死亡之后生命將繼續的許諾,以及在來世中將與所愛的人相會。隨著宗教信仰的弱化,我們中越來越多的人知道,死亡之后,什么也沒有。”

     
    斯蒂文在彌留之際也許會想起他自己的這段話。
     
    作為 “虔誠的非宗教主義者,面臨結束,他一定很眷念他熱愛的這個世界和他熱愛的科學——理解這個世界的事業。  
     
    我給他的郵箱發了一封郵件,翻譯如下——

     

    “親愛的斯蒂文:
    您為人類做出了偉大的貢獻。您在物理學,特別是標準模型上,留下了永久的影響。您還寫了很多標準的教科書,寫了很多精彩的通俗文章,作了很多富有啟發的演講。

    謝謝您。”

     
    博學、真誠、認真、穩健、較嚴肅卻不乏幽默、高貴卻平易近人,說話清晰、準確、完整,接近書面語,邏輯性強,不乏長句,語速較慢。
     
    這是我眼中溫伯格的形象。
     
    他是當代最杰出的物理學家之一,對量子場論、粒子物理和宇宙學作出很多重要貢獻。
     
    1967年10月2日,溫伯格開著一輛紅色的雪佛蘭科邁羅,去麻省理工學院辦公室。路上,他突然意識到,他的一個理論方法雖然在強相互作用問題上行不通,但是可以完美地用到弱相互作用上 [2]
     
    這個時刻應該是溫伯格作為理論物理學家最刻骨銘心的時刻。
     
    兩周后,他提出了弱相互作用和電磁相互作用的統一理論。后來被稱為電弱統一理論,成為粒子物理標準模型的一部分。這是溫伯格最重要的貢獻,導致他與格拉肖(Sheldon Lee Glashow)、薩拉姆(Mohammad Abdus Salam)平分了1979年的諾貝爾物理學獎。
     
    粒子物理標準模型描述了電磁、強和弱這三種力的基本規律。粒子物理和宇宙學的 “標準模型” 的說法都是他引進的。
     
    溫伯格習慣在思考時踱步,所以喜歡在家工作。從他家里的辦公桌,可以看到奧斯汀湖 [1],也可以看桌上的電視 [3]
     
    直到這次住進醫院,他一直活躍在科研和教學一線。他工作勤奮,筆耕不綴,得諾獎也沒有降低他的勤奮。
     
    溫伯格發表了近400篇各類文章和17本書。今年還在物理評論發表了一篇論文,完成了一篇關于有效場論的預印本。
     
    他總結粒子標準模型半個世紀來的發展后,將接力棒交給后輩 [4]——

     

    “現在的年輕一代物理學家也許嫉妒我們發展標準模型的激動和喜悅。這也許是個錯誤,正如我們這一代嫉妒量子電動力學的前輩英雄。我們新出道的實驗家和理論家現在有機會參與邁出超越標準模型的下一大步。也許他們甚至能夠看清通往顯示終極理論的很高能量標度的道路。”

     
    在物理學家中,溫伯格最欽佩的英雄是牛頓;而在全人類中,他最欽佩的英雄是莎士比亞 [5]
     
    他曾經在一篇與薩拉姆和戈德斯通合作的論文開頭,寫上莎翁筆下的李爾王對小女兒考狄利婭的反駁:“Nothing will come of nothing: speak again(一無所有只能換來一無所有:再說)”,以表達對結論的失望(可惜被編輯刪去了)[6]
     
    難怪溫伯格喜歡寫作。
     
    確實,溫伯格也是最吸引讀者和最受尊重的科學傳播大師之一。
     
    因為寫作上的成就,他獲得1999年 Lewis Thomas 科學寫作獎和 2009年 James Joyce 獎。2020年的科學突破獎特別獎除了 “獎勵他對基礎物理持續的領導,對粒子物理,引力和宇宙學的廣泛影響”,也獎勵他 “對廣大公眾進行科學傳播” [7]。 
     
    他1977年的暢銷書 The First Three Minutes(《最初三分鐘》),為大爆炸宇宙學在科學家和公眾中的傳播起到了歷史性作用。
     
    溫伯格做過很多公眾演講,寫過很多科普文章和雜文,出版過很多書,涉及面極廣,包括了天文學、宇宙學與物理學、物理學家、科學史、還原論、科學論戰、公共事務、政治、宗教、給學生的建議、個人經歷等等。
     
    1982年出版的《亞原子粒子的發現Discovery of Subatomic Particles》來自他此前的兩年中,在哈佛大學和德克薩斯大學奧斯汀分校的兩次物理學史課程。他在序言中指出, 20世紀物理學的發現已經是文化的一部分,這本書適合對這些感興趣,但是沒有系統學過物理的一般讀者,所用數學不超過簡單的算術,但是物理學家可能也對此書感興趣。
     
    1986年,費曼和溫伯格在劍橋做了紀念狄拉克的演講,兩人的演講分別是 The Reason for Antiparticles(反粒子的理由)Towards the Final Laws of Physics(尋找物理學的終極定律),被匯集成Elementary Particles and the Laws of Physics(《基本粒子和物理學定律》)
     
    溫伯格將后來的公眾演講和報刊文章匯編為三本文集—— Facing Up(《仰望蒼穹》)Lake View(《湖畔遐思》)以及 Third Thoughts(《第三思想》,意為第三本文集),分別對應他分別2000年之前,2000-2008年和2009-2018年三個時期的作品。
     
    用他自己的話說,他的演講和文章清晰展示了他 “理性、還原論、實在論和虔誠的非宗教主義思想”。 
     
    溫伯格是還原論的旗手。
     
    他認為 [8],“還原論的方案(將所有的科學原理歸結為幾條簡單的物理定律)不是唯一重要的科學,或者不是唯一重要的一類科學,但是它自有一種特殊的重要性。”
     
    圍繞這個話題,他寫過很多文章,以及一本書 Dreams of a Final Theory(《終極理論之夢》)。表面上,這些觀點與層展論旗手、凝聚態物理學家安德森(Philip Anderson)的觀點相左。但是筆者認為,還原論與和層展論是硬幣的兩面,相輔相成,安德森所說的 “基本”(fundamental)與溫伯格所說的 “基本”(fundamental)的含義并不一樣。
     
    作為科學的發言人和實在論的代表,溫伯格參與了社會建構主義者、后現代主義者的論戰。

    在很多演講和文章中,他強調了科學的客觀性和非人格性,即存在客觀的實在和客觀的真,而科學描述這個客觀實在和客觀的真。
     
    然而,他也注重科學家在科學活動中的主觀過程。他說過 [5]——

     

    “所有好的科學家都依賴于直覺,以及關于什么是吸引人的理論的品味,從歷史的意義上,他們感覺到領域在移動。這是很主觀的。我們互相爭論,這是社會過程。我和其他科學家有復雜的社會相互作用。這是值得社會學家研究的有魅力的現象。但是我認為,我們向一個客觀真理匯聚,因為世界就是那樣。最后,那成為穩定的、我們知識體系的永久部分。”

     
    在《第三思想》的序言中,溫伯格坦誠地提前向讀者致謝 [8]——
     
    “我希望這不是最后一部文集。但是基于保險統計的現實,現在是個好時間,讓我為讀者加幾句感謝,他們許多年來忍受我的辯論和解釋,從而給予我一個可貴的機會,能夠接觸物理學之外的世界。”
     
    溫伯格工作在科研前沿,推進科學進步,又經常審視、考察、梳理他熱愛的物理學,與其他物理學家討論、辯論對科學的不同看法,向公眾解釋科學。
     
    這讓我想象一位勤勞的司機,經常擦拭自己心愛的車,琢磨汽車的結構和功能,以及如何更好地開車,而且就此熱切地與其他司機辯論,并介紹給大眾。
     
    他堪稱科學的守護者。

     

    溫伯格小傳


    1933年5月3日,溫伯格生于紐約的一個猶太人家庭。
     
    他對科學的興趣受到父親(一位法庭速記員)的鼓勵。15到16歲時,溫伯格的興趣已經集中于理論物理。當時他讀過伽莫夫的科普書。
     
    在Bronx理科高中,他與格拉肖(Sheldon L. Glashow)、費因伯格(Gerard Feinberg)是親密的同學,而且都對科幻很感興趣 [3]。這個學校有3位校友得到諾獎:庫柏(Leon Cooper,1972)、溫伯格(1979)、格拉肖(1979)。1950年高中畢業,費因伯格去了哥倫比亞大學,后成為李政道的研究生,又成為本校的教授;而格拉肖和溫伯格去了康奈爾大學。
     
    溫伯格在康奈爾讀本科時認識了露易絲(Louise),畢業時結婚。
     
    夫婦二人打算在國外生活度過浪漫的一年再回美國。當時歐洲核研究組織(The European Organization for Nuclear Research, 簡稱CERN)的理論部在丹麥哥本哈根大學理論物理研究所(1962年玻爾去世后,改稱玻爾研究所),物理學家達里茲(Richard Dalitz)建議溫伯格去那里 [9]
     
    1954年,溫伯格成為玻爾研究所的研究生。他帶去了很多書。愛讀書的習慣與他的博學以及后來寫了那么多書和文章很一致。溫伯格與玻爾只簡單交談過,關于玻爾的一個主要記憶是,在玻爾家的一次晚會上,玻爾與露易絲談了很長時間,但是露易絲一句也沒聽懂。 
     
    當時溫伯格以為做研究之前,需要了解這個領域的所有已知。但玻爾研究所的人建議溫伯格要立即開始做科研。后來溫伯格以此經歷,告訴學生:沒有人知道所有的事,你也不必 [1]
     
    溫伯格在 David Frisch 建議下研究α衰變,但是沒有做出結果。Gunnar K?llén和泡利剛證明了李模型(李政道提出的一個模型)中的散射違反量子力學的幺正性(總概率保持為1)。K?llén希望溫伯格研究李模型還有什么問題 [9]。在他指導下,溫伯格證明了李模型中有能量為復數(應該是實數)。一年后,在回美國的船上,溫伯格完成這個工作,成為他第一篇論文。 
     
    1955年,溫伯格成為普林斯頓大學博士研究生,導師是費米的學生崔曼(Sam Treiman)。博士論文是將重整化理論用于強相互作用在弱相互作用過程中的作用。 
     
    1957年博士畢業后,溫伯格來到哥倫比亞大學,成為中學同學費因伯格的同事。李政道主持哥倫比亞的理論物理,正是在1957年,與楊振寧共同獲得諾獎的那年。兩年后溫伯格去了加州大學伯克利分校,1964年成為教授。
     
    因為夫人露易絲進入哈佛大學法學院學習,溫伯格在哈佛大學訪問了一年,然后又去同城的麻省理工學院訪問了兩年。到麻省理工學院不久,就發生了科邁羅汽車里的 “頓悟”,建立了弱相互作用和電磁相互作用的統一理論。這導致他1979年與格拉肖和薩拉姆平分諾貝爾物理學獎。1969年,溫伯格成為麻省理工學院的教授。
     
    1973年,溫伯格接替了從哈佛大學退休的施溫格的 Eugene Higgins 講座教授職位。
     
    1982年,溫伯格離開哈佛,成為德克薩斯大學奧斯汀分校 Jack S. Josey-Welch Foundation Regents 講座教授,此后一直在這個職位上。
     
    去哥本哈根讀研、到哈佛和麻省理工訪問又留下,都有考慮夫人的因素。據說去德克薩斯大學的一個原因是該校同時為夫人提供教職。
     
    在伯克利,溫伯格曾經因后背問題臥床休息,他夫人送給他一本錢德拉塞卡的書《恒星結構》閱讀。筆者注意到,《引力和宇宙學》和《量子場論》第一卷的扉頁上都寫了 “獻給路易絲(To Louise)”;《亞原子粒子的發現》的扉頁上寫了 “獻給伊麗莎白(To  Elizabeth)”;Facing Up的扉頁上寫了“獻給路易絲和伊麗莎白(To Louise and Elizabeth)”;Lake View、《量子力學講義》、《宇宙學》、《解釋世界:發現近代科學》,《天體物理講義》以及《近代物理基礎》的扉頁上都寫了 “獻給路易絲、伊麗莎白和加布里埃爾(To Louise, Elizabeth and Gabrielle)”。Elizabeth 和 Gabrielle 是他的女兒和女婿。

     

    寫了最多教科書的一流科學家

    在第一流的物理學家中,溫伯格應該是寫了最多教科書的人。朗道有10卷的物理學教程,但實際上是栗夫希茲等人幫他寫的,甚至有兩卷在朗道去世十幾年后才出版。費曼也有好幾本書,但是是別人根據他的講課整理的。
     
    溫伯格的書完全是他自己獨自寫的,而且覆蓋很多不同領域——

     

     《引力和宇宙學(Gravitation and Cosmology)》

     《量子場論(Quantum Theory of Fields)》(3卷)

     《量子力學講義(Lectures on Quantum Mechanics)》

     《宇宙學(Cosmology)》

     《解釋世界:發現近代科學(To Explain the World:The Discovery of Modern Science)》

     《天體物理講義(Lectures on Astrophysics)》

     《近代物理基礎(Foundations of Modern Physics)》


    溫伯格說:“當我想學某個科目的時候,就會自告奮勇地教一門課。” [10]教過一次或幾次后,他就出書。溫伯格的教科書也可稱專著,因為是按照他自己梳理的體系展開的。我覺得,溫伯格教學和寫書,很大程度上是對物理學各個基礎科目,按照自己的理解進行梳理,也可以說,梳理自己的理解。
     
    比如《引力論和宇宙論》就源于他想學習這個領域,于是講授這門課。他看不懂羅伯遜-沃克度規的原始證明,就自己做出了一個證明,放在書中。所以他的每本書中不乏原創的內容。而且很多內容也與他的研究密切相關。
     
    教學、寫書過程有時也導致有關課題的研究論文,比如2011年以來他有幾篇量子力學論文,2019年他有一篇天體物理的論文。
     
    他的科普話題,比如對稱性、自發對稱破缺、基本粒子、弱相互作用、強相互作用、標準模型、統一理論、宇宙、量子力學,往往也與他的研究密切相關。這大概也是他書和科普文章多的原因之一。
     
    科普有時也激發科研。
     
    1973年,他應邀對哈佛本科生做個科普演講,打算講宇宙學,于是讀了Kirzhnitz 和Linde的一篇論文,發現沒有解決問題,于是自己寫了關于高溫量子場論的論文。我想,他的科普也對他梳理自己的科學思想發揮了作用。
     
    《引力論和宇宙論》1961年開始寫,1971年出版。
     
    寫作目的一部分是為了突出他的非幾何的觀點。作為粒子物理學家,溫伯格不喜歡引力專家中流行的幾何觀點,而認為物理的觀點更有利于量子引力理論的建立,比如他認為只有有了等效原理,才能存在無質量、自旋為2的引力量子。
     
    40年過去了,引力和量子引力理論都有了很多進展,但是溫伯格在《天體物理講義》中表示,他不想再寫一本,說明他對廣義相對論的物理觀點沒有改變。但是他也表示,對于《引力論和宇宙論》中沒有覆蓋的課題,《天體物理講義》相當于是個更新。 
     
    作為量子場論大師所寫的《量子場論》3卷分別出版于1995,1996和2000年,給了量子場論一個非常普遍和全面的介紹,目的是說明為什么量子場論是目前這個形式,為什么這個形式取得成功。他的觀點(也就是此書的出發點)是,這是量子力學與狹義相對論的唯一自洽結合。這與他的有效場論的思想(任何相對論性的量子理論在低能下就是量子場論)一致。 
     
    量子場論是描寫基本粒子的理論方法,量子電動力學、楊-米爾斯理論、電弱理論、量子色動力學、弱相互作用和強相互作用的其他理論等等都是量子場論。 在量子場論中,粒子是場的激發,比如電子是電子場的激發,光子是電磁場(一種規范場)的激發,規范粒子是規范場的激發,如此等等。 
     
    1999年,完成3卷《量子場論》后,溫伯格開始了解蓬勃發展的宇宙學的細節,特別是此前20年中的理論進展。他發現,綜述文章常常直接引用公式而不給出推導,甚至沒有參考文獻,甚至公式有錯,而原始文獻中的推導也時有各種問題。因此他發現,最容易的方法是自己重新將理論做出來。結果就是2008年出版的《宇宙學》一書。 
     
    2013年出版的《量子力學講義》強調對稱性原理,也包含一些新的課題,比如粒子物理的例子、量子力學的各種詮釋、量子糾纏與量子計算。 2015年出了第二版,增加了一些內容,更正了一些錯誤。 
     
    溫伯格感覺需要研究較早的科學史的時候,講了幾次科學史課。這導致2015年出版的《解釋世界:發現近代科學》,主要覆蓋從古希臘到牛頓力學的創立,也就是科學史上所說的近代科學的開端。
     
    此書與通常的科學史著作不同,充分體現了活躍在當代科學前沿的科學家不吝用當代科學的眼光審視科學史,將多被詬病的輝格史觀在科學史領域發揚光大。我很有共鳴,因為這樣才能衡量發現近代科學這個理解世界的方法是多么困難,而且科學不是社會建構或者民主選舉,科學是對客觀世界的解釋,科學中有正確與錯誤之分。
     
    2020年出版的《天體物理講義》主要是針對天體物理中比較傳統的內容(恒星、星系、星際物質等等),用解析計算處理,包含很多獨特的內容,特別是其他書上沒有的公式。值得注意的是,此書介紹了近年來很引人注目的引力波及其探測。 
     
    2021年出版的《近代物理基礎》比同類書覆蓋了更多的原子核物理和量子場論,而且更多地強調物理學史。
     
    可惜還沒寫統計力學,否則估計他會涉及對還原論和層展論的討論。

     

    標準模型的物理學和歷史背景



    4種基本相互作用


    將不同現象背后的規律統一起來,是牛頓以來的物理學傳統。1666年,一場瘟疫期間,牛頓發現,行星繞太陽的運動、月球繞地球的運動、蘋果向地面的下落,都可以用引力解釋,月球和蘋果都受到地球的引力。牛頓還提出,任何兩個有質量的物體都存在這種引力,叫做萬有引力。一百多年后,卡文迪許實驗驗證了萬有引力。
     
    19世紀,通過奧斯特、安培和法拉第等人的實驗,以及麥克斯韋的理論,人們認識到電和磁的統一。20世紀初,愛因斯坦的狹義相對論表明,電場和磁場之分與參照系有關。電磁力主宰了原子和分子層次的物理學和化學。  
     
    從19世紀末發現的放射性現象開始,物理學深入到原子核層次。人們發現,在原子核或者更小的尺度,存在兩種核力。一種叫做強核力,負責將核子(質子或中子)結合為原子核(后來知道,核子由夸克組成,強核力本質上是夸克之間的強相互作用)。另一種叫做弱核力,導致β衰變(β指電子,在這種衰變中,有電子產生)等過程。這兩種力都參與支配了太陽發光過程。
     
    因此自然界有4種基本相互作用,按照強度從小到大排列:引力相互作用、電磁相互作用、弱相互作用和強相互作用。在微觀尺度上,萬有引力微乎其微,可忽略。
     

    對稱性與規范對稱性


    物理學要用數學描述相互作用。牛頓萬有引力定律就是最早的例子,但是牛頓引力是超距作用。現代的引力理論是1915年愛因斯坦提出的廣義相對論,揭示了引力本質上是物質所導致的時空的彎曲。
     
    廣義相對論是基于對稱性而得到,這里的對稱性是時空的廣義協變性,是狹義相對論的洛倫茲不變性的推廣。也就是說,愛因斯坦根據對稱性,確定了引力相互作用。 
     
    麥克斯韋方程組給出了電磁相互作用的信息。廣義相對論提出后,外爾(Hermann Weyl)試圖將電磁力納入廣義相對論的框架,將電磁守恒定律與規范不變性聯系起來(規范原本是尺子的意思)。規范不變性就是說在規范變換下,物理定律保持不變。愛因斯坦、泡利等人指出這個理論是錯誤的。量子力學(微觀尺度上物理學的基本框架)興起之后,外爾于1928年將規范不變正確解釋為相位不變 [11]
     
    因此,在量子力學框架下,電磁相互作用可以作為規范不變的后果被推導出來,電磁場是規范場,規范不變性導致電荷守恒。雖然電磁學是已知的,但是規范理論深刻揭示了物理定律的結構。 
     
    電磁學、量子力學與狹義相對論結合,得到量子電動力學。但是在理論計算中,出現了無窮大。1940年代,這個問題由施溫格(Julian Schwinger)、費曼(Richard Feynman)、朝永振一郎和戴森(Freeman Dyson)通過重整化得以解決,即重新定義物理上可測量的質量、電荷這樣的參量,將基于 “裸” 參量算出的形式上的無窮大吸收進這些參量和場的定義。這使得電子磁矩的計算成為最精確的理論計算,可重整化成為對理論的一種合理要求。施溫格、費曼和朝永振一郎因此獲1965年諾獎。沃德(John Ward)的恒等式表明,重整化之所以成功,是因為規范不變性將不同的無窮大聯系起來。
     

    楊-米爾斯理論


    1950年代,粒子物理開始蓬勃發展,實驗上發現越來越多的粒子,特別是奇異粒子(奇異在于與核子不一樣,但是也參與強相互作用;后來知道,這是因為組分中有奇異夸克)。楊振寧認為需要一個決定相互作用的原理。1954年,他與米爾斯(Robert Mills)將外爾的規范理論做了推廣,提出了非阿貝爾規范理論,又被稱為楊-米爾斯理論 [12]
     
    楊振寧和米爾斯討論的是強相互作用,對稱性是質子與中子之間近似的同位旋對稱(質量相等),數學結構是SU(2)。多年之前,海森堡就指出這種對稱性,但是是整體對稱性,也就是說,與空間位置無關。楊振寧和米爾斯參照外爾的理論,將同位旋對稱改為局域對稱性,也就是與空間有關,并引入一個規范場,使得存在規范不變性。但是,楊-米爾斯理論表明,相互作用由沒有質量的媒介粒子(規范場的粒子)傳遞,類似電磁場的粒子,即無質量的光子,而當時實驗上并沒有這樣的無質量粒子。
     
    然而楊-米爾斯理論為粒子物理提供了一個原理,楊振寧后來稱之為 “對稱性支配相互作用”。廣義相對論是這個原理的最早體現。 
     
    1960到1970年代,人們認識到基本粒子是夸克和輕子(輕子包括電子、繆子、陶子以及各自對應的中微子,以及各自的反粒子)。理論上發現了自發對稱破缺機制,被用到楊-米爾斯理論,將輕子和夸克的弱相互作用與電磁相互作用統一起來,被稱為電弱相互作用。人們還發現夸克和膠子的強相互作用也可以用楊-米爾斯理論描寫(膠子是相應的規范粒子,互相之間也有相互作用)。這兩方面統稱粒子物理的標準模型,而溫伯格就是標準模型建立過程中的一位關鍵人物。 
     
    溫伯格說過 [3]:“對稱性所扮演的另一個角色的代表是1915年愛因斯坦的工作,1954年楊振寧和米爾斯的工作,以及1967年的電弱理論。這個角色是,對稱性不僅是唯一能處理的事,而實際上驅動了動力學。這是中心問題。”

     


    弱相互作用


    關于弱相互作用,1934年費米提出了β衰變理論。1956 年,他的學生李政道和楊振寧提出,弱相互作用中,左右可能不對稱(或者說,宇稱不守恒),被費米學生E. Segre的學生吳健雄等人給出實驗證實。在此之后,所謂矢量-軸矢量理論由Marshak和Sudarshan,以及費曼和蓋爾曼提出。但是費米理論和矢量-軸矢量理論都不能重整化。
     
    施溫格不滿意于費米理論,試圖將它與電磁相互作用統一描述。矢量-軸矢量理論出來后,他知道失敗了,但是將此問題交給了他的研究生格拉肖。格拉肖在博士論文中猜想,可能重整化需要通過將弱作用與電磁作用統一起來才能解決。1958到1960年,格拉肖在玻爾研究所做博士后。他用楊-米爾斯理論,硬性假設規范粒子具有質量,并考慮到宇稱在電磁作用中守恒,而在弱作用中不守恒,提出一個具有U(1)×SU(2)對稱性的模型,將電磁相互作用和弱相互作用聯系起來,1961年發表 [13]。3年后,在英國帝國理工大學,薩拉姆(Abdus Salam)和沃德也在施溫格嘗試的啟發下,提出類似的理論 [14]。但是這些工作當時都沒有引起很多注意。真正的電弱理論有待規范粒子質量問題的自然解決。  
     

    自發對稱破缺

    解決規范粒子質量問題的物理思想是自發對稱破缺,意思是,系統狀態并不表現出支配它的物理定律的對稱性。也可以說,對稱性被隱藏起來。
     
    1956年巴丁(John Bardeen)、庫珀和施瑞弗(John Schrieffer)提出超導理論 [15],他們獲得1972年諾獎。人們注意到,超導態破壞了規范對稱。1960年,南部陽一郎指出 [16],超導導致沒有能隙(最低的激發能量)的模(激發),后來被稱為南部-戈德斯通模或者戈德斯通模。這就是自發對稱破缺,讓表面上的對稱破缺與物理定律的對稱性協調起來。模及其能隙類似于粒子物理中的粒子及其質量。 
     
    南部首先將凝聚態物理中的自發對稱破缺類比到粒子物理。他提出 [17],類似于超導,核子通過近似的自發對稱破缺獲得質量,同時產生近似沒有質量的粒子(南部-戈德斯通玻色子),就是已知的派(π)介子(質量相對很小)。南部考慮的對稱性叫做手征對稱(手征指左旋或者右旋)。它的自發破缺是由于核子有質量。南部還和 Jona-Lasinio 提出一個更復雜的模型,并指出,南部-戈德斯通玻色子的出現有個條件,就是沒有庫倫相互作用 [18]。2008年,南部獲得諾獎(Jona-Lasinio為他作了獲獎演講)
     
    戈德斯通指出,作為普遍結論,自發對稱破缺會導致無質量的玻色子 [19]。這就是人們所說的南部-戈德斯通玻色子或者戈德斯通玻色子。粒子有兩種,一種叫玻色子,一個狀態上可以有任意多同種玻色子;另一種叫費米子,一個狀態上只能有一個同種費米子。 
     
    薩拉姆和溫伯格懷疑,戈德斯通的結論并不是必然的。但是1962年,他們和戈德斯通聯名發表論文,嚴格證明了連續對稱性的自發破缺確實必然導致無質量、自旋為0的玻色子 [20]。這似乎摧毀了用自發對稱破缺描述弱相互作用的希望,因為現實中不存在這樣的無質量粒子。
     
    安德森意識到,凝聚態物理中早就有很多自發對稱破缺的例子,比如他1952年發現的反鐵磁體最低能量狀態,也有很多戈德斯通模的例子,例如聲子。凝聚態物理學家以前用有序無序這些名詞,沒有 “自發對稱破缺” 的說法。后來安德森將自發對稱破缺當作凝聚態物理的核心概念之一。因此,在此概念上,凝聚態物理和粒子物理是互惠的。 
     
    現在考慮規范場。南部和安德森都注意到電磁場中的等離子體和超導體中,電磁規范對稱發生自發對稱破缺,使得光子獲得質量,所以超導體有邁斯納效應(將磁場排斥在外)。施溫格猜測,規范對稱性并不一定要求相應的規范粒子的質量為0 [21]。次年,安德森指出,等離子體里的電磁波為施溫格提供了例子,又根據超導體的情況指出,戈德斯通零質量困難可以被楊-米爾斯的零質量問題抵消掉。也就是說,在有規范場時,規范粒子可以因為自發對稱破缺而獲得質量 [22]。這與南部和 Jona-Lasinio 的條件是一致的,因為庫倫作用就是來自規范場。
     
    1964年,3組理論物理學家,布魯(Robert Brout)和恩格勒特(Fran?ois Englert)[23],希格斯(Peter Higgs)[24],以及古拉尼克(Gerald Guralnik)、哈根(Carl Richard Hagen)和基布爾(Tom Kibble)[25],考慮基本的場論模型,里面有規范場。他們證明了,規范對稱的自發破缺確實使得規范粒子獲得質量。這個規范對稱性的自發破缺經常被稱作希格斯機制,也有人稱安德森-希格斯機制,近年來也稱BEH機制。 
     
    希格斯收到文章審稿意見后,加了一些討論,提到對稱破缺后存在有質量的玻色子 [26]。這后來被稱為希格斯玻色子。其他兩組作者沒有提這個,因為覺得這是顯然的 [26]
     
    其實即使沒有規范場,對稱性自發破缺在產生無質量的戈德斯通玻色子的同時,也產生有質量的玻色子。這類似于在酒瓶內的底部,小球很容易沿著最外的凹陷圓運動,但是很難爬高。前者相當于無質量的激發,后者相當于有質量的激發。
     
    一個通俗說法是,規范場吃掉無質量的戈德斯通玻色子,變得有質量。而有質量的玻色子還在那里,這就是希格斯玻色子。
     
    1967年3月,基布爾發表了BEH機制向非阿貝爾理論(即楊-米爾斯理論)的推廣 [27]
     
    為了方便,以上討論中,我們直接用了 “自發對稱破缺” 這個詞,但歷史上1962年才首次出現這個說法,是在1962年Baker和格拉肖的粒子物理論文中 [28]。在上面提到的文章中, 戈德斯通、薩拉姆和溫伯格的文章、布魯和恩格勒特的文章以及古拉尼克、哈根和基布爾的文章用了 “破缺的對稱性”(broken symmetry)一詞,希格斯的文章和基布爾的文章用了“自發對稱破缺”。到了1967年時,“自發對稱破缺” 已經普遍使用。

     

    溫伯格對標準模型的貢獻


    電弱統一理論的誕生

     

    1967年,溫伯格先是在研究強相互作用,考慮一種近似的整體對稱性SU(2)×SU(2)。這是從南部的模型發展而來,SU(2)是質子與中子之間的同位旋對稱,有兩個SU(2)是因為左旋和右旋分開來。溫伯格試圖將這個整體對稱性變成局域的,正如楊振寧和米爾斯對同位旋對稱所做的推廣。因此溫伯格用到楊-米爾斯理論和規范對稱性自發破缺,但是得到的結果與實驗不符。這個難題卡在溫伯格腦中幾個星期。
     
    1967年10月2日,溫伯格開著一輛紅色的雪佛蘭科邁羅去麻省理工學院辦公室 [2]。路上,溫伯格突然意識到,他的方法可以用到弱相互作用上。這個時刻也許是溫伯格作為理論物理學家最刻骨銘心的時刻。
     
    可重整化的要求給理論形式一定限制,要求規范對稱性是U(1)×SU(2)。因為當時夸克(參與弱和強相互作用)的存在還沒有確立,溫伯格集中于輕子(只參與強相互作用)。在這個理論中,規范對稱性自發破缺后,給出傳遞電磁相互作用的光子,傳遞弱相互作用的3個有質量的規范粒子( 電荷為±e 的W±和不帶電的Z0粒子),以及一個希格斯粒子。SU(2)有3個分量,其中兩個組合成W±。第三個與只有一個分量的U(1)組合成Z0和光子,組合方式可以用某個角度來表示,后被稱為溫伯格角。這使得W±Z0的質量都可以表達為溫伯格角的函數。Z0是電中性的,它傳遞弱相互作用,引起中微子這樣的中性粒子的運動,叫做弱中性流。

    兩周后,關于這個理論的論文《輕子的模型A model of leptons》寄給了期刊《物理評論通信》[29]。 文章用了 “自發對稱破缺” 一詞。
     
    這篇文章發表后的4年內,無人引用,然后從1971年開始,每年引用數穩步增加,成為引用最多的高能物理論文之一。 我在Web of Science 上查到,截至2021年7月28日,引用數是6134,每年引用數見下圖。
     

    《輕子的模型(A model of leptons)》的每年引用數

     
    溫伯格說 [4],他后來注意到格拉肖以及薩拉姆和沃德的工作,即硬性假設規范粒子有質量,然后給出U(1)×SU(2)電磁與弱作用混合的理論。格拉肖文章有個參數就是溫伯格角。溫伯格論文發表時引用了格拉肖這篇文章(草稿上沒有引用 [26],沒有引用薩拉姆和沃德的文章。

     

    但是只有溫伯格對W±Z0的質量作出預言。
     
    溫伯格也引用了那3篇BEH機制文章和基布爾的非阿貝爾推廣,但是將希格斯的文章所在期刊弄錯,導致看上去像是最早。大概因此原因,這個機制常被稱為希格斯機制。
     
    次年,薩拉姆(1964年創立位于意大利的國際理論物理中心,同時也繼續是帝國理工大學教授,又有很多社會事務)在一個會議上回顧與沃德的U(1)×SU(2)模型 [30],評論說自發對稱破缺可以使它成為可行的理論,并起了 “電弱理論” 這個名字。他引用了溫伯格的《輕子的模型》。薩拉姆沒有就此寫正式論文,之后也沒有在這個領域工作。
     
    1971 年,溫伯格又將電弱理論用于夸克。他曾經表示,他猜想自發對稱性破缺的規范理論是可重整的,但是沒有足夠時間去證明,時間用在了《引力論和宇宙論》一書的寫作。看來科普和寫書既有促進科研的情況,也有減少科研時間的情況。1970年代,他一直在標準模型以及統一理論方面工作。
     
    1971 至1972 年,荷蘭的研究生特霍夫特(Gerard ‘t hooft)和他的導師維爾特曼(Martinus Veltman)用路徑積分方法(溫伯格當時還不熟悉此方法),證明了自發對稱性破缺的楊—米爾斯理論確實可重正化。表明了電弱理論是一個自洽的量子場論。這是為什么溫伯格的《輕子的模型》從1971年開始被引用。
     
    他們的證明宣布之后,薩拉姆開始宣傳自己的優先權。“溫伯格-薩拉姆模型” 這個名詞被廣泛使用。
     
    1973年, Z0粒子所導致的中性流在CERN發現。這是電弱理論的預言。
     
    1976年,薩拉姆的朋友 Paul Mathew 給諾獎委員 Ivar Waller 寫信說,薩拉姆在1967年秋季的一個研究生課上,基于基布爾關于對稱自發破缺向非阿貝爾理論的推廣,描繪了弱和電磁作用的統一理論 [26]。基布爾是薩拉姆的諾獎提名人之一 [26]。 
     
    1978年,瑞典科學院邀請格拉肖參加一個會議。期間Waller問他,他1961年文章里的參數與溫伯格角是否相同。格拉肖說可能不一樣,Waller說是一樣的 [26]
     
    1979年諾貝爾物理學獎均等地授予格拉肖、薩拉姆和溫伯格,表彰他們對統一基本粒子之間的弱與電磁相互作用的貢獻,包括對弱中性流的預言。沃德一直不滿被諾獎忽略。

     

    1983年,W±Z0在CERN發現,并確定了質量。次年實驗家魯比亞(Carlo Rubbia)和提供關鍵技術的范德米爾(van der Meer)獲諾獎。
     
    1999年,特霍夫特和維爾特曼獲諾獎。
     
    2012年,希格斯粒子在CERN發現,次年恩格勒特和希格斯獲諾獎(布魯當時已去世)。 
     
    溫伯格在諾貝爾獎獲獎演講開頭,精彩地描述了包括他本人在內的理論物理學家的努力 [6]。我試譯如下: 

     

    “我們在物理學里的工作是簡單地看待事物,通過幾條簡單的原理,用統一的方式理解很多復雜現象。有時,我們的努力通過精彩的實驗顯示出來,比如1973年中性流中微子反應的發現。但是即使在實驗突破之間的黑暗時刻,理論思想的穩步演化總在繼續,難以察覺地導致先前信念的改變。

    在此報告中,我將討論理論物理中兩條思路的發展。一條是我們對對稱性的理解的緩慢增長,特別是在破缺或者隱藏的對稱性方面。另一條是對于量子場論中無窮大的掙扎。在很大程度上,基本粒子相互作用的細節理論可以演繹地理解為對稱原理和對付無窮大的可重整化原理的后果。我也將描述這些思路的匯聚如何導致我本人在弱和電磁相互作用的統一方面的工作。”

     

    膠子沒有質量


    1972年,弗里奇(Harald Fritzsch)和蓋爾曼用具有SU(3) 規范對稱性的楊—米爾斯理論,通過被稱作色的自由度描述強相互作用,其規范粒子就是膠子。這叫量子色動力學。1973 年,格羅斯(David Gross)和維爾切克(Frank Wilczek)師生小組,以及波利策(David Politzer),各自發現楊—米爾斯理論具有漸進自由的性質,也就是說,距離越短,相互作用越弱(特霍夫特在前一年得到這個結果,但沒發表)。他們3人獲得2004年諾獎。
     
    1973年,格羅斯-維爾切克小組以及溫伯格獨立提出,量子色動力學的規范對稱沒有破缺,因此膠子質量為零。我們看不到自由的夸克和膠子,他們被囚禁著,因為它們距離越大,相互作用越強。
     
    溫伯格的其他科學貢獻與思想


    溫伯格也有很多其他貢獻和思想,這里只談幾個。

     


    超越標準模型


    1974年,溫伯格、喬治(Howard Georgi)和奎因(Helen Quinn)估算了所有4種相互作用統一的能量尺度。
     
    1977年,溫伯格和維爾切克各自預言了一種新的中性粒子。這建立在佩西(Roberto Peccei)和奎因的理論之上,該理論是為了避免特霍夫特提出的一種破壞時間反演對稱的量子色動力學真空(因為實驗上不是這樣)。人們采納了維爾切克的命名 “軸子”。這是暗物質的一個候選者。

     


    有效場論


    溫伯格認為,廣義相對論和粒子物理標準模型都是有效場論,是更高能量尺度(也就是更小空間尺度)的更基本的理論的低能近似,因此更高階的近似給出修正,這就是超越標準模型的行為。不管高能的理論是什么,只要與量子力學和狹義相對論融洽,它的低能近似就是量子場論 [31]。  
     
    他認為,中微子的微小質量就是一個跡象,另一個可能的跡象是重子數不守恒(重子指質子、中子和一些相關的參與強相互作用的粒子),例如質子衰變。 
     
    2020年10月24日,在面向中國公眾的網絡演講和對話中,溫伯格說到 [32]——

     

    “我認為繼續安靜模式的實驗物理也是很重要的,我們可以尋找質子衰變那樣的稀有事例,因為我認為質子衰變甚至有可能在我的有生之年發現,我希望在深層地下的那種實驗,人們可以耐心等待一大箱液體中的稀有事例。我希望那種實驗也繼續。”

     
    可惜,溫伯格教授已經沒有機會沒有看到質子衰變的發現。

     


    宇宙學


    溫伯格是最早針對宇宙學,研究高溫量子場論的人之一,也可能最早研究了早期宇宙中重子產生及其與宇宙膨脹速率的正比。他還研究了宇宙學常數為什么那么小,指出宇宙學常數雖然很小,但是可以不為零,這與后來發現的宇宙加速膨脹發現相融洽。 
     
    在2020年那次活動中,溫伯格說 [32]——

     

    “在宇宙加速膨脹發現之前,很多物理學家認為,有基本原理能夠解釋,為什么包括宇宙學常數在內的總的暗能量嚴格為零。但是現在我們知道這是不對的。”

     


    量子力學


    溫伯格對量子力學的基礎,特別是測量問題以及主要的詮釋感到不滿意。溫伯格的態度反映了他確實是一位實在論者。
     
    在2020年那次活動中,溫伯格在回答我的問題時說 [32]——

     

    “我所迷惑的是這樣一個事實,我們在表述量子力學的基本假設時,我們必須提到觀察者,也就是,做測量的人。我希望在很基本的層次,我們有個非人格性的理論,正如艾薩克·牛頓的引力理論,我們從中可以推理出人的行為,但是人自己不出現在定律中。”

     

    我和溫伯格的點滴交往

    我2010年至2011年在德克薩斯大學奧斯特分校訪問(在牛謙教授組里)。在這期間旁聽了溫伯格教授的 “量子場論選題” 和 “量子力學” 兩門課,并向他請教過若干問題。記得他課后坐電梯時也象其他人一樣看看手機。
     
    有一次他向我提到,不知道量子力學的光學定理有什么參考文獻,我很快查到 Roger Newton 在 American Journal of Physics 上的一篇綜述 [33],發給了他。 
     
    我曾經問他一個廣義相對論的問題,他回答后,指出可以在他的《引力論和宇宙論》里找到有關討論。
     
    溫伯格教授還主動送給我當時出版不久的 Lake View,并簽了名。他告訴我,他僅在1978年訪問過中國,大概是由李政道先生引薦。

     

    我還問他,Z0粒子為什么這么命名?他說:“這是一種詼諧的意思,估計它也許將是最后一個被發現的粒子,因為Z是最后一個字母。不過也代表中性,是零電荷的意思。”
     

    與溫伯格教授在他的辦公室合影 | 供圖:施郁

     
    我離開奧斯汀時,溫伯格教授的量子力學課還沒有結束。但是后來收到他寄來的講義。不久,他的《量子力學講義》出版了。我注意到,他在書中一個注釋里指出了我推薦的那篇文獻。我也發現了書中簡并微擾論那部分的錯誤和一些打字錯誤,不過他自己已經發現前者了。在第二版中,他將我列入了致謝名單。  
     
    2013年秋季,我教 “量子力學II”,用剛出版的這本書(第一版)作為教材。 
     
    最近兩年我開設了科學史課程,溫伯格教授的《解釋世界:發現近代科學》成了主要參考書。我非常喜歡這本書,欣賞他從當代科學的視點評述科學史,也通過郵件向他請教過幾次。最近我還想著要再問他一個相關問題,但是 “放在腦后”,沒及時發郵件。 
     
    去年,我邀請溫伯格教授,通過中國科學技術館的平臺,做一次全網直播的公眾演講和對話(我為他作現場翻譯)。我9月4日向溫伯格教授發出邀請,20小時后就收到了他的答復,欣然接受邀請。活動在10月24日上午9:30開始,溫伯格教授講了《極大與極小》[29]。網絡觀眾非常多。 
     
    在對話環節,我們談到,基本定律后果與偶然事件的區分。現在我想起,一個科學家如果將原本以為的一種情況改為另一種,就是不朽的貢獻,比如溫伯格將W±Z0的質量都表達成溫伯格角的函數,減少了一個參數。也許與這個經驗有關,他特別關注標準模型有很多參數,不同種夸克或輕子的質量可以相差很大。  
     
    當時溫伯格有一席話總結了他幾十年工作中的心態。讓我們重溫一下 [29]——

     

    “作為一位物理學家,回顧1950年代開始的幾十年工作,那是非常大的樂趣。時不時發現一個理論想法,導致證實這個想法的實驗,或者解釋已知但是似乎奇怪的東西,這是多么令人激動。但并不總是這樣愉快,很多時間花在了行不通的想法上。我經歷的失敗多于成功,這在科學工作中是典型的。但是成功的少數情況彌補了其他的不成功。所以要堅持工作。”

     
    活動結束時,奧斯汀時間已經很遲了,我至今還為此感到內疚。想起當時溫伯格歡迎我再去德克薩斯,則是悵然。 
     
    在本文寫作過程中,我也涌現了不少想問溫伯格教授的問題,可惜已經沒有機會了。

     參考資料:(可上下滑動瀏覽)

    [1] S. Weinberg, Lake View.

    [2] S. Weinberg, Facing Up.

    [3] R. P. Crease, C. C. Mann, Second Creation.

    [4] S. Weinberg, Esssay: Half a Century of the Standard Model. PHYSICAL REVIEW LETTERS 121, 220001 (2018).

    [5] M. Hargittai, I. Hargittai, Candid Science.

    [6] S. Weinberg, Nobel Lecture,Nobel Prize Website.

    [7] Breakthrough Prize Website.

    [8] S. Weinberg, Third Thought.

    [9] S. Weinberg, Living with Infinities, arxiv:0903.0568.

    [10] S. Weinberg, To Explain the World.

    [11] 施郁,規范理論一百年, 知識分子,2019-03-31

    [12] C. N. Yang and R. Mills, Phys. Rev. 96, 191 (1954).

    [13] S. L. Glashow, Nucl. Phys. 22, 579 (1961).

    [14] A. Salam and J. C. Ward, Phys. Lett. 13, 168 (1964).

    [15] J. Bardeen, L. Cooper, and R. Schrieffer, Phys. Rev. 108, 1175 (1957).

    [16] Y. Nambu, Phys. Rev. 117, 648 (1960).

    [17] Y. Nambu, Phys. Rev. Lett. 4, 380 (1960).

    [18] Y. Nambu and G. Jona-Lasinio, Phys. Rev. 122, 345 (1961).

    [19] J. Goldstone, Nuovo Cimento 19, 154 (1961).

    [20] J. Goldstone, A. Salam, and S. Weinberg, Phys. Rev. 127, 965 (1962).  

    [21] J. Schwinger, Phys. Rev. 125, 397 (1962).

    [22] P.W. Anderson, Phys. Rev. 130, 439 (1963).

    [23] F. Englert and R. Brout, Phys. Rev. Lett. 13, 321 (1964).

    [24] P.W. Higgs, Phys. Lett. 12, 132 (1964).

    [25] G. S. Guralnik, C. R. Hagen, and T.W. B. Kibble, Phys.Rev. Lett. 13, 585 (1964).  

    [26] F. Close, Infinity Puzzle.

    [27] T.W. B. Kibble, Phys. Rev. 155, 1554 (1967).

    [28] M. Baker and S. L. Glashow, Phys. Rev. 128, 2462 (1962).

    [29] S. Weinberg, Phys. Rev. Lett. 19, 1264 (1967).

    [30] A. Salam, in Elementary Particle Physics, edited by N.Svartholm (Nobel Symposium No. 8, Almqvist and Wiksell, Stockholm, 1968), p. 367  

    [31] S. Weinberg, arxiv:2101.04241.

    [32] 施郁,物理學家溫伯格首次面向中國公眾的演講,知識分子, 2020-11-02

    [33] R. Newton, Am. J. Phys. 44,639 (1976).


    制版編輯 盧卡斯



    參與討論
    0 條評論
    評論
    暫無評論內容
    知識分子是由饒毅、魯白、謝宇三位學者創辦的移動新媒體平臺,致力于關注科學、人文、思想。
    訂閱Newsletter

    我們會定期將電子期刊發送到您的郵箱

    GO