? 性欧美xxxx乳,午夜精品一区二区三区在线视

亚洲 a v无 码免 费 成 人 a v,性欧美videofree高清精品,新国产三级在线观看播放,少妇人妻偷人精品一区二区,天干天干天啪啪夜爽爽av

科學(xué)的守護(hù)者：斯蒂文·溫伯格（1933-2021）

2021/08/02
導(dǎo)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(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系教授）

責(zé)編｜邸利會(huì)

 
●               　●               　●

☆ 溫馨提示 ☆

本文近1萬(wàn)5000字，分7個(gè)小節(jié)，其中4、5、6節(jié)適合有一定物理基礎(chǔ)的讀者或?qū)I(yè)研究者閱讀。

 目 錄 

1. 紀(jì)念溫伯格
2. 溫伯格小傳
3. 寫了最多教科書的一流科學(xué)家
4. 標(biāo)準(zhǔn)模型的物理學(xué)和歷史背景
5. 溫伯格對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型的貢獻(xiàn)
6. 溫伯格的其他科學(xué)貢獻(xiàn)與思想
7. 我和溫伯格的點(diǎn)滴交往


紀(jì)念溫伯格


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

 

“我們?cè)椒此忌畹挠淇?，就越懷念曾?jīng)由宗教信仰提供的最大的安慰：對(duì)于死亡之后生命將繼續(xù)的許諾，以及在來(lái)世中將與所愛(ài)的人相會(huì)。隨著宗教信仰的弱化，我們中越來(lái)越多的人知道，死亡之后，什么也沒(méi)有?！?/span>

 
斯蒂文在彌留之際也許會(huì)想起他自己的這段話。
 
作為 “虔誠(chéng)的非宗教主義者”，面臨結(jié)束，他一定很眷念他熱愛(ài)的這個(gè)世界和他熱愛(ài)的科學(xué)——理解這個(gè)世界的事業(yè)。  
 
我給他的郵箱發(fā)了一封郵件，翻譯如下——

 

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

謝謝您?！?/span>

 
博學(xué)、真誠(chéng)、認(rèn)真、穩(wěn)健、較嚴(yán)肅卻不乏幽默、高貴卻平易近人，說(shuō)話清晰、準(zhǔn)確、完整，接近書面語(yǔ)，邏輯性強(qiáng)，不乏長(zhǎng)句，語(yǔ)速較慢。
 
這是我眼中溫伯格的形象。
 
他是當(dāng)代最杰出的物理學(xué)家之一，對(duì)量子場(chǎng)論、粒子物理和宇宙學(xué)作出很多重要貢獻(xiàn)。
 
1967年10月2日，溫伯格開(kāi)著一輛紅色的雪佛蘭科邁羅，去麻省理工學(xué)院辦公室。路上，他突然意識(shí)到，他的一個(gè)理論方法雖然在強(qiáng)相互作用問(wèn)題上行不通，但是可以完美地用到弱相互作用上 [2]。
 
這個(gè)時(shí)刻應(yīng)該是溫伯格作為理論物理學(xué)家最刻骨銘心的時(shí)刻。
 
兩周后，他提出了弱相互作用和電磁相互作用的統(tǒng)一理論。后來(lái)被稱為電弱統(tǒng)一理論，成為粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的一部分。這是溫伯格最重要的貢獻(xiàn)，導(dǎo)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(xué)獎(jiǎng)。
 
粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型描述了電磁、強(qiáng)和弱這三種力的基本規(guī)律。粒子物理和宇宙學(xué)的 “標(biāo)準(zhǔn)模型” 的說(shuō)法都是他引進(jìn)的。
 
溫伯格習(xí)慣在思考時(shí)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(jìn)醫(yī)院，他一直活躍在科研和教學(xué)一線。他工作勤奮，筆耕不綴，得諾獎(jiǎng)也沒(méi)有降低他的勤奮。
 
溫伯格發(fā)表了近400篇各類文章和17本書。今年還在物理評(píng)論發(fā)表了一篇論文，完成了一篇關(guān)于有效場(chǎng)論的預(yù)印本。
 
他總結(jié)粒子標(biāo)準(zhǔn)模型半個(gè)世紀(jì)來(lái)的發(fā)展后，將接力棒交給后輩 [4]——

 

“現(xiàn)在的年輕一代物理學(xué)家也許嫉妒我們發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)模型的激動(dòng)和喜悅。這也許是個(gè)錯(cuò)誤，正如我們這一代嫉妒量子電動(dòng)力學(xué)的前輩英雄。我們新出道的實(shí)驗(yàn)家和理論家現(xiàn)在有機(jī)會(huì)參與邁出超越標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)度的道路。”

 
在物理學(xué)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(jīng)在一篇與薩拉姆和戈德斯通合作的論文開(kāi)頭，寫上莎翁筆下的李爾王對(duì)小女兒考狄利婭的反駁：“Nothing will come of nothing: speak again（一無(wú)所有只能換來(lái)一無(wú)所有：再說(shuō)）”，以表達(dá)對(duì)結(jié)論的失望（可惜被編輯刪去了）[6]。
 
難怪溫伯格喜歡寫作。
 
確實(shí)，溫伯格也是最吸引讀者和最受尊重的科學(xué)傳播大師之一。
 
因?yàn)閷懽魃系某删?，他獲得1999年 Lewis Thomas 科學(xué)寫作獎(jiǎng)和 2009年 James Joyce 獎(jiǎng)。2020年的科學(xué)突破獎(jiǎng)特別獎(jiǎng)除了 “獎(jiǎng)勵(lì)他對(duì)基礎(chǔ)物理持續(xù)的領(lǐng)導(dǎo)，對(duì)粒子物理，引力和宇宙學(xué)的廣泛影響”，也獎(jiǎng)勵(lì)他 “對(duì)廣大公眾進(jìn)行科學(xué)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(xué)在科學(xué)家和公眾中的傳播起到了歷史性作用。
 
溫伯格做過(guò)很多公眾演講，寫過(guò)很多科普文章和雜文，出版過(guò)很多書，涉及面極廣，包括了天文學(xué)、宇宙學(xué)與物理學(xué)、物理學(xué)家、科學(xué)史、還原論、科學(xué)論戰(zhàn)、公共事務(wù)、政治、宗教、給學(xué)生的建議、個(gè)人經(jīng)歷等等。
 
1982年出版的《亞原子粒子的發(fā)現(xiàn)（Discovery of Subatomic Particles）》來(lái)自他此前的兩年中，在哈佛大學(xué)和德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的兩次物理學(xué)史課程。他在序言中指出， 20世紀(jì)物理學(xué)的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)是文化的一部分，這本書適合對(duì)這些感興趣，但是沒(méi)有系統(tǒng)學(xué)過(guò)物理的一般讀者，所用數(shù)學(xué)不超過(guò)簡(jiǎn)單的算術(shù)，但是物理學(xué)家可能也對(duì)此書感興趣。
 
1986年，費(fèi)曼和溫伯格在劍橋做了紀(jì)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）和 Towards the Final Laws of Physics（尋找物理學(xué)的終極定律），被匯集成Elementary Particles and the Laws of Physics（《基本粒子和物理學(xué)定律》）。
 
溫伯格將后來(lái)的公眾演講和報(bào)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(duì)應(yīng)他分別2000年之前，2000-2008年和2009-2018年三個(gè)時(shí)期的作品。
 
用他自己的話說(shuō)，他的演講和文章清晰展示了他 “理性、還原論、實(shí)在論和虔誠(chéng)的非宗教主義思想”。 
 
溫伯格是還原論的旗手。
 
他認(rèn)為 [8]，“還原論的方案（將所有的科學(xué)原理歸結(jié)為幾條簡(jiǎn)單的物理定律）不是唯一重要的科學(xué)，或者不是唯一重要的一類科學(xué)，但是它自有一種特殊的重要性?！?/span>
 
圍繞這個(gè)話題，他寫過(guò)很多文章，以及一本書 Dreams of a Final Theory（《終極理論之夢(mèng)》）。表面上，這些觀點(diǎn)與層展論旗手、凝聚態(tài)物理學(xué)家安德森（Philip Anderson）的觀點(diǎn)相左。但是筆者認(rèn)為，還原論與和層展論是硬幣的兩面，相輔相成，安德森所說(shuō)的 “基本”（fundamental）與溫伯格所說(shuō)的 “基本”（fundamental）的含義并不一樣。
 
作為科學(xué)的發(fā)言人和實(shí)在論的代表，溫伯格參與了社會(huì)建構(gòu)主義者、后現(xiàn)代主義者的論戰(zhàn)。

在很多演講和文章中，他強(qiáng)調(diào)了科學(xué)的客觀性和非人格性，即存在客觀的實(shí)在和客觀的真，而科學(xué)描述這個(gè)客觀實(shí)在和客觀的真。
 
然而，他也注重科學(xué)家在科學(xué)活動(dòng)中的主觀過(guò)程。他說(shuō)過(guò) [5]——

 

“所有好的科學(xué)家都依賴于直覺(jué)，以及關(guān)于什么是吸引人的理論的品味，從歷史的意義上，他們感覺(jué)到領(lǐng)域在移動(dòng)。這是很主觀的。我們互相爭(zhēng)論，這是社會(huì)過(guò)程。我和其他科學(xué)家有復(fù)雜的社會(huì)相互作用。這是值得社會(huì)學(xué)家研究的有魅力的現(xiàn)象。但是我認(rèn)為，我們向一個(gè)客觀真理匯聚，因?yàn)槭澜缇褪悄菢印Ｗ詈?，那成為穩(wěn)定的、我們知識(shí)體系的永久部分。”

 
在《第三思想》的序言中，溫伯格坦誠(chéng)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(xiǎn)統(tǒng)計(jì)的現(xiàn)實(shí)，現(xiàn)在是個(gè)好時(shí)間，讓我為讀者加幾句感謝，他們?cè)S多年來(lái)忍受我的辯論和解釋，從而給予我一個(gè)可貴的機(jī)會(huì)，能夠接觸物理學(xué)之外的世界。”
 
溫伯格工作在科研前沿，推進(jìn)科學(xué)進(jìn)步，又經(jīng)常審視、考察、梳理他熱愛(ài)的物理學(xué)，與其他物理學(xué)家討論、辯論對(duì)科學(xué)的不同看法，向公眾解釋科學(xué)。
 
這讓我想象一位勤勞的司機(jī)，經(jīng)常擦拭自己心愛(ài)的車，琢磨汽車的結(jié)構(gòu)和功能，以及如何更好地開(kāi)車，而且就此熱切地與其他司機(jī)辯論，并介紹給大眾。
 
他堪稱科學(xué)的守護(hù)者。

 

溫伯格小傳


1933年5月3日，溫伯格生于紐約的一個(gè)猶太人家庭。
 
他對(duì)科學(xué)的興趣受到父親（一位法庭速記員）的鼓勵(lì)。15到16歲時(shí)，溫伯格的興趣已經(jīng)集中于理論物理。當(dāng)時(shí)他讀過(guò)伽莫夫的科普書。
 
在Bronx理科高中，他與格拉肖（Sheldon L. Glashow）、費(fèi)因伯格（Gerard Feinberg）是親密的同學(xué)，而且都對(duì)科幻很感興趣 [3]。這個(gè)學(xué)校有3位校友得到諾獎(jiǎng)：庫(kù)柏（Leon Cooper，1972）、溫伯格（1979）、格拉肖（1979）。1950年高中畢業(yè)，費(fèi)因伯格去了哥倫比亞大學(xué)，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(xué)。
 
溫伯格在康奈爾讀本科時(shí)認(rèn)識(shí)了露易絲（Louise），畢業(yè)時(shí)結(jié)婚。
 
夫婦二人打算在國(guó)外生活度過(guò)浪漫的一年再回美國(guó)。當(dāng)時(shí)歐洲核研究組織（The European Organization for Nuclear Research, 簡(jiǎn)稱CERN）的理論部在丹麥哥本哈根大學(xué)理論物理研究所（1962年玻爾去世后，改稱玻爾研究所），物理學(xué)家達(dá)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(ài)讀書的習(xí)慣與他的博學(xué)以及后來(lái)寫了那么多書和文章很一致。溫伯格與玻爾只簡(jiǎn)單交談過(guò)，關(guān)于玻爾的一個(gè)主要記憶是，在玻爾家的一次晚會(huì)上，玻爾與露易絲談了很長(zhǎng)時(shí)間，但是露易絲一句也沒(méi)聽(tīng)懂。 
 
當(dāng)時(shí)溫伯格以為做研究之前，需要了解這個(gè)領(lǐng)域的所有已知。但玻爾研究所的人建議溫伯格要立即開(kāi)始做科研。后來(lái)溫伯格以此經(jīng)歷，告訴學(xué)生：沒(méi)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(méi)有做出結(jié)果。Gunnar K?llén和泡利剛證明了李模型（李政道提出的一個(gè)模型）中的散射違反量子力學(xué)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(wèn)題 [9]。在他指導(dǎo)下，溫伯格證明了李模型中有能量為復(fù)數(shù)（應(yīng)該是實(shí)數(shù)）。一年后，在回美國(guó)的船上，溫伯格完成這個(gè)工作，成為他第一篇論文。 
 
1955年，溫伯格成為普林斯頓大學(xué)博士研究生，導(dǎo)師是費(fèi)米的學(xué)生崔曼（Sam Treiman）。博士論文是將重整化理論用于強(qiáng)相互作用在弱相互作用過(guò)程中的作用。 
 
1957年博士畢業(yè)后，溫伯格來(lái)到哥倫比亞大學(xué)，成為中學(xué)同學(xué)費(fèi)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(jiǎng)的那年。兩年后溫伯格去了加州大學(xué)伯克利分校，1964年成為教授。
 
因?yàn)榉蛉寺兑捉z進(jìn)入哈佛大學(xué)法學(xué)院學(xué)習(xí)，溫伯格在哈佛大學(xué)訪問(wèn)了一年，然后又去同城的麻省理工學(xué)院訪問(wèn)了兩年。到麻省理工學(xué)院不久，就發(fā)生了科邁羅汽車?yán)锏?“頓悟”，建立了弱相互作用和電磁相互作用的統(tǒng)一理論。這導(dǎo)致他1979年與格拉肖和薩拉姆平分諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1969年，溫伯格成為麻省理工學(xué)院的教授。
 
1973年，溫伯格接替了從哈佛大學(xué)退休的施溫格的 Eugene Higgins 講座教授職位。
 
1982年，溫伯格離開(kāi)哈佛，成為德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校 Jack S. Josey-Welch Foundation Regents 講座教授，此后一直在這個(gè)職位上。
 
去哥本哈根讀研、到哈佛和麻省理工訪問(wèn)又留下，都有考慮夫人的因素。據(jù)說(shuō)去德克薩斯大學(xué)的一個(gè)原因是該校同時(shí)為夫人提供教職。
 
在伯克利，溫伯格曾經(jīng)因后背問(wèn)題臥床休息，他夫人送給他一本錢德拉塞卡的書《恒星結(jié)構(gòu)》閱讀。筆者注意到，《引力和宇宙學(xué)》和《量子場(chǎng)論》第一卷的扉頁(yè)上都寫了 “獻(xiàn)給路易絲（To Louise）”；《亞原子粒子的發(fā)現(xiàn)》的扉頁(yè)上寫了 “獻(xiàn)給伊麗莎白（To  Elizabeth）”；Facing Up的扉頁(yè)上寫了“獻(xiàn)給路易絲和伊麗莎白（To Louise and Elizabeth）”；Lake View、《量子力學(xué)講義》、《宇宙學(xué)》、《解釋世界：發(fā)現(xiàn)近代科學(xué)》，《天體物理講義》以及《近代物理基礎(chǔ)》的扉頁(yè)上都寫了 “獻(xiàn)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(xué)家

在第一流的物理學(xué)家中，溫伯格應(yīng)該是寫了最多教科書的人。朗道有10卷的物理學(xué)教程，但實(shí)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(fèi)曼也有好幾本書，但是是別人根據(jù)他的講課整理的。
 
溫伯格的書完全是他自己獨(dú)自寫的，而且覆蓋很多不同領(lǐng)域——

 

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

● 《量子場(chǎng)論（Quantum Theory of Fields）》（3卷）

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

● 《宇宙學(xué)（Cosmology）》

● 《解釋世界：發(fā)現(xiàn)近代科學(xué)（To Explain the World：The Discovery of Modern Science）》

● 《天體物理講義（Lectures on Astrophysics）》

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


溫伯格說(shuō)：“當(dāng)我想學(xué)某個(gè)科目的時(shí)候，就會(huì)自告奮勇地教一門課?！?[10]教過(guò)一次或幾次后，他就出書。溫伯格的教科書也可稱專著，因?yàn)槭前凑账约菏崂淼捏w系展開(kāi)的。我覺(jué)得，溫伯格教學(xué)和寫書，很大程度上是對(duì)物理學(xué)各個(gè)基礎(chǔ)科目，按照自己的理解進(jìn)行梳理，也可以說(shuō)，梳理自己的理解。
 
比如《引力論和宇宙論》就源于他想學(xué)習(xí)這個(gè)領(lǐng)域，于是講授這門課。他看不懂羅伯遜-沃克度規(guī)的原始證明，就自己做出了一個(gè)證明，放在書中。所以他的每本書中不乏原創(chuàng)的內(nèi)容。而且很多內(nèi)容也與他的研究密切相關(guān)。
 
教學(xué)、寫書過(guò)程有時(shí)也導(dǎo)致有關(guān)課題的研究論文，比如2011年以來(lái)他有幾篇量子力學(xué)論文，2019年他有一篇天體物理的論文。
 
他的科普話題，比如對(duì)稱性、自發(fā)對(duì)稱破缺、基本粒子、弱相互作用、強(qiáng)相互作用、標(biāo)準(zhǔn)模型、統(tǒng)一理論、宇宙、量子力學(xué)，往往也與他的研究密切相關(guān)。這大概也是他書和科普文章多的原因之一。
 
科普有時(shí)也激發(fā)科研。
 
1973年，他應(yīng)邀對(duì)哈佛本科生做個(gè)科普演講，打算講宇宙學(xué)，于是讀了Kirzhnitz 和Linde的一篇論文，發(fā)現(xiàn)沒(méi)有解決問(wèn)題，于是自己寫了關(guān)于高溫量子場(chǎng)論的論文。我想，他的科普也對(duì)他梳理自己的科學(xué)思想發(fā)揮了作用。
 
《引力論和宇宙論》1961年開(kāi)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(diǎn)。作為粒子物理學(xué)家，溫伯格不喜歡引力專家中流行的幾何觀點(diǎn)，而認(rèn)為物理的觀點(diǎn)更有利于量子引力理論的建立，比如他認(rèn)為只有有了等效原理，才能存在無(wú)質(zhì)量、自旋為2的引力量子。
 
40年過(guò)去了，引力和量子引力理論都有了很多進(jìn)展，但是溫伯格在《天體物理講義》中表示，他不想再寫一本，說(shuō)明他對(duì)廣義相對(duì)論的物理觀點(diǎn)沒(méi)有改變。但是他也表示，對(duì)于《引力論和宇宙論》中沒(méi)有覆蓋的課題，《天體物理講義》相當(dāng)于是個(gè)更新。 
 
作為量子場(chǎng)論大師所寫的《量子場(chǎng)論》3卷分別出版于1995，1996和2000年，給了量子場(chǎng)論一個(gè)非常普遍和全面的介紹，目的是說(shuō)明為什么量子場(chǎng)論是目前這個(gè)形式，為什么這個(gè)形式取得成功。他的觀點(diǎn)（也就是此書的出發(fā)點(diǎn)）是，這是量子力學(xué)與狹義相對(duì)論的唯一自洽結(jié)合。這與他的有效場(chǎng)論的思想（任何相對(duì)論性的量子理論在低能下就是量子場(chǎng)論）一致。 
 
量子場(chǎng)論是描寫基本粒子的理論方法，量子電動(dòng)力學(xué)、楊-米爾斯理論、電弱理論、量子色動(dòng)力學(xué)、弱相互作用和強(qiáng)相互作用的其他理論等等都是量子場(chǎng)論。 在量子場(chǎng)論中，粒子是場(chǎng)的激發(fā)，比如電子是電子場(chǎng)的激發(fā)，光子是電磁場(chǎng)（一種規(guī)范場(chǎng)）的激發(fā)，規(guī)范粒子是規(guī)范場(chǎng)的激發(fā)，如此等等。 
 
1999年，完成3卷《量子場(chǎng)論》后，溫伯格開(kāi)始了解蓬勃發(fā)展的宇宙學(xué)的細(xì)節(jié)，特別是此前20年中的理論進(jìn)展。他發(fā)現(xiàn)，綜述文章常常直接引用公式而不給出推導(dǎo)，甚至沒(méi)有參考文獻(xiàn)，甚至公式有錯(cuò)，而原始文獻(xiàn)中的推導(dǎo)也時(shí)有各種問(wèn)題。因此他發(fā)現(xiàn)，最容易的方法是自己重新將理論做出來(lái)。結(jié)果就是2008年出版的《宇宙學(xué)》一書。 
 
2013年出版的《量子力學(xué)講義》強(qiáng)調(diào)對(duì)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(xué)的各種詮釋、量子糾纏與量子計(jì)算。 2015年出了第二版，增加了一些內(nèi)容，更正了一些錯(cuò)誤。 
 
溫伯格感覺(jué)需要研究較早的科學(xué)史的時(shí)候，講了幾次科學(xué)史課。這導(dǎo)致2015年出版的《解釋世界：發(fā)現(xiàn)近代科學(xué)》，主要覆蓋從古希臘到牛頓力學(xué)的創(chuàng)立，也就是科學(xué)史上所說(shuō)的近代科學(xué)的開(kāi)端。
 
此書與通常的科學(xué)史著作不同，充分體現(xiàn)了活躍在當(dāng)代科學(xué)前沿的科學(xué)家不吝用當(dāng)代科學(xué)的眼光審視科學(xué)史，將多被詬病的輝格史觀在科學(xué)史領(lǐng)域發(fā)揚(yáng)光大。我很有共鳴，因?yàn)檫@樣才能衡量發(fā)現(xiàn)近代科學(xué)這個(gè)理解世界的方法是多么困難，而且科學(xué)不是社會(huì)建構(gòu)或者民主選舉，科學(xué)是對(duì)客觀世界的解釋，科學(xué)中有正確與錯(cuò)誤之分。
 
2020年出版的《天體物理講義》主要是針對(duì)天體物理中比較傳統(tǒng)的內(nèi)容（恒星、星系、星際物質(zhì)等等），用解析計(jì)算處理，包含很多獨(dú)特的內(nèi)容，特別是其他書上沒(méi)有的公式。值得注意的是，此書介紹了近年來(lái)很引人注目的引力波及其探測(cè)。 
 
2021年出版的《近代物理基礎(chǔ)》比同類書覆蓋了更多的原子核物理和量子場(chǎng)論，而且更多地強(qiáng)調(diào)物理學(xué)史。
 
可惜還沒(méi)寫統(tǒng)計(jì)力學(xué)，否則估計(jì)他會(huì)涉及對(duì)還原論和層展論的討論。

 

標(biāo)準(zhǔn)模型的物理學(xué)和歷史背景



4種基本相互作用


將不同現(xiàn)象背后的規(guī)律統(tǒng)一起來(lái)，是牛頓以來(lái)的物理學(xué)傳統(tǒng)。1666年，一場(chǎng)瘟疫期間，牛頓發(fā)現(xiàn)，行星繞太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)、月球繞地球的運(yùn)動(dòng)、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(gè)有質(zhì)量的物體都存在這種引力，叫做萬(wàn)有引力。一百多年后，卡文迪許實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了萬(wàn)有引力。
 
19世紀(jì)，通過(guò)奧斯特、安培和法拉第等人的實(shí)驗(yàn)，以及麥克斯韋的理論，人們認(rèn)識(shí)到電和磁的統(tǒng)一。20世紀(jì)初，愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論表明，電場(chǎng)和磁場(chǎng)之分與參照系有關(guān)。電磁力主宰了原子和分子層次的物理學(xué)和化學(xué)。  
 
從19世紀(jì)末發(fā)現(xiàn)的放射性現(xiàn)象開(kāi)始，物理學(xué)深入到原子核層次。人們發(fā)現(xiàn)，在原子核或者更小的尺度，存在兩種核力。一種叫做強(qiáng)核力，負(fù)責(zé)將核子（質(zhì)子或中子）結(jié)合為原子核（后來(lái)知道，核子由夸克組成，強(qiáng)核力本質(zhì)上是夸克之間的強(qiáng)相互作用）。另一種叫做弱核力，導(dǎo)致β衰變（β指電子，在這種衰變中，有電子產(chǎn)生）等過(guò)程。這兩種力都參與支配了太陽(yáng)發(fā)光過(guò)程。
 
因此自然界有4種基本相互作用，按照強(qiáng)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(qiáng)相互作用。在微觀尺度上，萬(wàn)有引力微乎其微，可忽略。
 

對(duì)稱性與規(guī)范對(duì)稱性


物理學(xué)要用數(shù)學(xué)描述相互作用。牛頓萬(wàn)有引力定律就是最早的例子，但是牛頓引力是超距作用?，F(xiàn)代的引力理論是1915年愛(ài)因斯坦提出的廣義相對(duì)論，揭示了引力本質(zhì)上是物質(zhì)所導(dǎo)致的時(shí)空的彎曲。
 
廣義相對(duì)論是基于對(duì)稱性而得到，這里的對(duì)稱性是時(shí)空的廣義協(xié)變性，是狹義相對(duì)論的洛倫茲不變性的推廣。也就是說(shuō)，愛(ài)因斯坦根據(jù)對(duì)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(duì)論提出后，外爾（Hermann Weyl）試圖將電磁力納入廣義相對(duì)論的框架，將電磁守恒定律與規(guī)范不變性聯(lián)系起來(lái)（規(guī)范原本是尺子的意思）。規(guī)范不變性就是說(shuō)在規(guī)范變換下，物理定律保持不變。愛(ài)因斯坦、泡利等人指出這個(gè)理論是錯(cuò)誤的。量子力學(xué)（微觀尺度上物理學(xué)的基本框架）興起之后，外爾于1928年將規(guī)范不變正確解釋為相位不變 [11]。
 
因此，在量子力學(xué)框架下，電磁相互作用可以作為規(guī)范不變的后果被推導(dǎo)出來(lái)，電磁場(chǎng)是規(guī)范場(chǎng)，規(guī)范不變性導(dǎo)致電荷守恒。雖然電磁學(xué)是已知的，但是規(guī)范理論深刻揭示了物理定律的結(jié)構(gòu)。 
 
電磁學(xué)、量子力學(xué)與狹義相對(duì)論結(jié)合，得到量子電動(dòng)力學(xué)。但是在理論計(jì)算中，出現(xiàn)了無(wú)窮大。1940年代，這個(gè)問(wèn)題由施溫格（Julian Schwinger）、費(fèi)曼（Richard Feynman）、朝永振一郎和戴森（Freeman Dyson）通過(guò)重整化得以解決，即重新定義物理上可測(cè)量的質(zhì)量、電荷這樣的參量，將基于 “裸” 參量算出的形式上的無(wú)窮大吸收進(jìn)這些參量和場(chǎng)的定義。這使得電子磁矩的計(jì)算成為最精確的理論計(jì)算，可重整化成為對(duì)理論的一種合理要求。施溫格、費(fèi)曼和朝永振一郎因此獲1965年諾獎(jiǎng)。沃德（John Ward）的恒等式表明，重整化之所以成功，是因?yàn)橐?guī)范不變性將不同的無(wú)窮大聯(lián)系起來(lái)。
 

楊-米爾斯理論


1950年代，粒子物理開(kāi)始蓬勃發(fā)展，實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)越來(lái)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(qiáng)相互作用；后來(lái)知道，這是因?yàn)榻M分中有奇異夸克）。楊振寧認(rèn)為需要一個(gè)決定相互作用的原理。1954年，他與米爾斯（Robert Mills）將外爾的規(guī)范理論做了推廣，提出了非阿貝爾規(guī)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(qiáng)相互作用，對(duì)稱性是質(zhì)子與中子之間近似的同位旋對(duì)稱（質(zhì)量相等），數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)是SU(2)。多年之前，海森堡就指出這種對(duì)稱性，但是是整體對(duì)稱性，也就是說(shuō)，與空間位置無(wú)關(guān)。楊振寧和米爾斯參照外爾的理論，將同位旋對(duì)稱改為局域?qū)ΨQ性，也就是與空間有關(guān)，并引入一個(gè)規(guī)范場(chǎng)，使得存在規(guī)范不變性。但是，楊-米爾斯理論表明，相互作用由沒(méi)有質(zhì)量的媒介粒子（規(guī)范場(chǎng)的粒子）傳遞，類似電磁場(chǎng)的粒子，即無(wú)質(zhì)量的光子，而當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)上并沒(méi)有這樣的無(wú)質(zhì)量粒子。
 
然而楊-米爾斯理論為粒子物理提供了一個(gè)原理，楊振寧后來(lái)稱之為 “對(duì)稱性支配相互作用”。廣義相對(duì)論是這個(gè)原理的最早體現(xiàn)。 
 
1960到1970年代，人們認(rèn)識(shí)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(duì)應(yīng)的中微子，以及各自的反粒子）。理論上發(fā)現(xiàn)了自發(fā)對(duì)稱破缺機(jī)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(tǒng)一起來(lái)，被稱為電弱相互作用。人們還發(fā)現(xiàn)夸克和膠子的強(qiáng)相互作用也可以用楊-米爾斯理論描寫（膠子是相應(yīng)的規(guī)范粒子，互相之間也有相互作用）。這兩方面統(tǒng)稱粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型，而溫伯格就是標(biāo)準(zhǔn)模型建立過(guò)程中的一位關(guān)鍵人物。 
 
溫伯格說(shuō)過(guò) [3]：“對(duì)稱性所扮演的另一個(gè)角色的代表是1915年愛(ài)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(gè)角色是，對(duì)稱性不僅是唯一能處理的事，而實(shí)際上驅(qū)動(dòng)了動(dòng)力學(xué)。這是中心問(wèn)題?！?/span>

 


弱相互作用


關(guān)于弱相互作用，1934年費(fèi)米提出了β衰變理論。1956 年，他的學(xué)生李政道和楊振寧提出，弱相互作用中，左右可能不對(duì)稱（或者說(shuō)，宇稱不守恒），被費(fèi)米學(xué)生E. Segre的學(xué)生吳健雄等人給出實(shí)驗(yàn)證實(shí)。在此之后，所謂矢量-軸矢量理論由Marshak和Sudarshan，以及費(fèi)曼和蓋爾曼提出。但是費(fèi)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(fèi)米理論，試圖將它與電磁相互作用統(tǒng)一描述。矢量-軸矢量理論出來(lái)后，他知道失敗了，但是將此問(wèn)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(guò)將弱作用與電磁作用統(tǒng)一起來(lái)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(shè)規(guī)范粒子具有質(zhì)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(gè)具有U(1)×SU(2)對(duì)稱性的模型，將電磁相互作用和弱相互作用聯(lián)系起來(lái)，1961年發(fā)表 [13]。3年后，在英國(guó)帝國(guó)理工大學(xué)，薩拉姆（Abdus Salam）和沃德也在施溫格嘗試的啟發(fā)下，提出類似的理論 [14]。但是這些工作當(dāng)時(shí)都沒(méi)有引起很多注意。真正的電弱理論有待規(guī)范粒子質(zhì)量問(wèn)題的自然解決。  
 

自發(fā)對(duì)稱破缺

解決規(guī)范粒子質(zhì)量問(wèn)題的物理思想是自發(fā)對(duì)稱破缺，意思是，系統(tǒng)狀態(tài)并不表現(xiàn)出支配它的物理定律的對(duì)稱性。也可以說(shuō)，對(duì)稱性被隱藏起來(lái)。
 
1956年巴丁（John Bardeen）、庫(kù)珀和施瑞弗（John Schrieffer）提出超導(dǎo)理論 [15]，他們獲得1972年諾獎(jiǎng)。人們注意到，超導(dǎo)態(tài)破壞了規(guī)范對(duì)稱。1960年，南部陽(yáng)一郎指出 [16]，超導(dǎo)導(dǎo)致沒(méi)有能隙（最低的激發(fā)能量）的模（激發(fā)），后來(lái)被稱為南部-戈德斯通?；蛘吒甑滤雇?。這就是自發(fā)對(duì)稱破缺，讓表面上的對(duì)稱破缺與物理定律的對(duì)稱性協(xié)調(diào)起來(lái)。模及其能隙類似于粒子物理中的粒子及其質(zhì)量。 
 
南部首先將凝聚態(tài)物理中的自發(fā)對(duì)稱破缺類比到粒子物理。他提出 [17]，類似于超導(dǎo)，核子通過(guò)近似的自發(fā)對(duì)稱破缺獲得質(zhì)量，同時(shí)產(chǎn)生近似沒(méi)有質(zhì)量的粒子（南部-戈德斯通玻色子），就是已知的派（π）介子（質(zhì)量相對(duì)很小）。南部考慮的對(duì)稱性叫做手征對(duì)稱（手征指左旋或者右旋）。它的自發(fā)破缺是由于核子有質(zhì)量。南部還和 Jona-Lasinio 提出一個(gè)更復(fù)雜的模型，并指出，南部-戈德斯通玻色子的出現(xiàn)有個(gè)條件，就是沒(méi)有庫(kù)倫相互作用 [18]。2008年，南部獲得諾獎(jiǎng)（Jona-Lasinio為他作了獲獎(jiǎng)演講）。
 
戈德斯通指出，作為普遍結(jié)論，自發(fā)對(duì)稱破缺會(huì)導(dǎo)致無(wú)質(zhì)量的玻色子 [19]。這就是人們所說(shuō)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(gè)狀態(tài)上可以有任意多同種玻色子；另一種叫費(fèi)米子，一個(gè)狀態(tài)上只能有一個(gè)同種費(fèi)米子。 
 
薩拉姆和溫伯格懷疑，戈德斯通的結(jié)論并不是必然的。但是1962年，他們和戈德斯通聯(lián)名發(fā)表論文，嚴(yán)格證明了連續(xù)對(duì)稱性的自發(fā)破缺確實(shí)必然導(dǎo)致無(wú)質(zhì)量、自旋為0的玻色子 [20]。這似乎摧毀了用自發(fā)對(duì)稱破缺描述弱相互作用的希望，因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)中不存在這樣的無(wú)質(zhì)量粒子。
 
安德森意識(shí)到，凝聚態(tài)物理中早就有很多自發(fā)對(duì)稱破缺的例子，比如他1952年發(fā)現(xiàn)的反鐵磁體最低能量狀態(tài)，也有很多戈德斯通模的例子，例如聲子。凝聚態(tài)物理學(xué)家以前用有序無(wú)序這些名詞，沒(méi)有 “自發(fā)對(duì)稱破缺” 的說(shuō)法。后來(lái)安德森將自發(fā)對(duì)稱破缺當(dāng)作凝聚態(tài)物理的核心概念之一。因此，在此概念上，凝聚態(tài)物理和粒子物理是互惠的。 
 
現(xiàn)在考慮規(guī)范場(chǎng)。南部和安德森都注意到電磁場(chǎng)中的等離子體和超導(dǎo)體中，電磁規(guī)范對(duì)稱發(fā)生自發(fā)對(duì)稱破缺，使得光子獲得質(zhì)量，所以超導(dǎo)體有邁斯納效應(yīng)（將磁場(chǎng)排斥在外）。施溫格猜測(cè)，規(guī)范對(duì)稱性并不一定要求相應(yīng)的規(guī)范粒子的質(zhì)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(jù)超導(dǎo)體的情況指出，戈德斯通零質(zhì)量困難可以被楊-米爾斯的零質(zhì)量問(wèn)題抵消掉。也就是說(shuō)，在有規(guī)范場(chǎng)時(shí)，規(guī)范粒子可以因?yàn)樽园l(fā)對(duì)稱破缺而獲得質(zhì)量 [22]。這與南部和 Jona-Lasinio 的條件是一致的，因?yàn)閹?kù)倫作用就是來(lái)自規(guī)范場(chǎng)。
 
1964年，3組理論物理學(xué)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(chǎng)論模型，里面有規(guī)范場(chǎng)。他們證明了，規(guī)范對(duì)稱的自發(fā)破缺確實(shí)使得規(guī)范粒子獲得質(zhì)量。這個(gè)規(guī)范對(duì)稱性的自發(fā)破缺經(jīng)常被稱作希格斯機(jī)制，也有人稱安德森-希格斯機(jī)制，近年來(lái)也稱BEH機(jī)制。 
 
希格斯收到文章審稿意見(jiàn)后，加了一些討論，提到對(duì)稱破缺后存在有質(zhì)量的玻色子 [26]。這后來(lái)被稱為希格斯玻色子。其他兩組作者沒(méi)有提這個(gè)，因?yàn)橛X(jué)得這是顯然的 [26]。
 
其實(shí)即使沒(méi)有規(guī)范場(chǎng)，對(duì)稱性自發(fā)破缺在產(chǎn)生無(wú)質(zhì)量的戈德斯通玻色子的同時(shí)，也產(chǎn)生有質(zhì)量的玻色子。這類似于在酒瓶?jī)?nèi)的底部，小球很容易沿著最外的凹陷圓運(yùn)動(dòng)，但是很難爬高。前者相當(dāng)于無(wú)質(zhì)量的激發(fā)，后者相當(dāng)于有質(zhì)量的激發(fā)。
 
一個(gè)通俗說(shuō)法是，規(guī)范場(chǎng)吃掉無(wú)質(zhì)量的戈德斯通玻色子，變得有質(zhì)量。而有質(zhì)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(fā)表了BEH機(jī)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(fā)對(duì)稱破缺” 這個(gè)詞，但歷史上1962年才首次出現(xiàn)這個(gè)說(shuō)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(duì)稱性”（broken symmetry）一詞，希格斯的文章和基布爾的文章用了“自發(fā)對(duì)稱破缺”。到了1967年時(shí)，“自發(fā)對(duì)稱破缺” 已經(jīng)普遍使用。

 

溫伯格對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型的貢獻(xiàn)


電弱統(tǒng)一理論的誕生

 

1967年，溫伯格先是在研究強(qiáng)相互作用，考慮一種近似的整體對(duì)稱性SU(2)×SU(2)。這是從南部的模型發(fā)展而來(lái)，SU(2)是質(zhì)子與中子之間的同位旋對(duì)稱，有兩個(gè)SU(2)是因?yàn)樽笮陀倚珠_(kāi)來(lái)。溫伯格試圖將這個(gè)整體對(duì)稱性變成局域的，正如楊振寧和米爾斯對(duì)同位旋對(duì)稱所做的推廣。因此溫伯格用到楊-米爾斯理論和規(guī)范對(duì)稱性自發(fā)破缺，但是得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)不符。這個(gè)難題卡在溫伯格腦中幾個(gè)星期。
 
1967年10月2日，溫伯格開(kāi)著一輛紅色的雪佛蘭科邁羅去麻省理工學(xué)院辦公室 [2]。路上，溫伯格突然意識(shí)到，他的方法可以用到弱相互作用上。這個(gè)時(shí)刻也許是溫伯格作為理論物理學(xué)家最刻骨銘心的時(shí)刻。
 
可重整化的要求給理論形式一定限制，要求規(guī)范對(duì)稱性是U(1)×SU(2)。因?yàn)楫?dāng)時(shí)夸克（參與弱和強(qiáng)相互作用）的存在還沒(méi)有確立，溫伯格集中于輕子（只參與強(qiáng)相互作用）。在這個(gè)理論中，規(guī)范對(duì)稱性自發(fā)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(gè)有質(zhì)量的規(guī)范粒子（ 電荷為±e 的W±和不帶電的Z0粒子），以及一個(gè)希格斯粒子。SU(2)有3個(gè)分量，其中兩個(gè)組合成W±。第三個(gè)與只有一個(gè)分量的U（1）組合成Z0和光子，組合方式可以用某個(gè)角度來(lái)表示，后被稱為溫伯格角。這使得W±和Z0的質(zhì)量都可以表達(dá)為溫伯格角的函數(shù)。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(yùn)動(dòng)，叫做弱中性流。

兩周后，關(guān)于這個(gè)理論的論文《輕子的模型（A model of leptons）》寄給了期刊《物理評(píng)論通信》[29]。 文章用了 “自發(fā)對(duì)稱破缺” 一詞。
 
這篇文章發(fā)表后的4年內(nèi)，無(wú)人引用，然后從1971年開(kāi)始，每年引用數(shù)穩(wěn)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(shù)是6134，每年引用數(shù)見(jiàn)下圖。
 

《輕子的模型（A model of leptons）》的每年引用數(shù)

 
溫伯格說(shuō) [4]，他后來(lái)注意到格拉肖以及薩拉姆和沃德的工作，即硬性假設(shè)規(guī)范粒子有質(zhì)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(gè)參數(shù)就是溫伯格角。溫伯格論文發(fā)表時(shí)引用了格拉肖這篇文章（草稿上沒(méi)有引用 [26]），沒(méi)有引用薩拉姆和沃德的文章。

 

但是只有溫伯格對(duì)W±和Z0的質(zhì)量作出預(yù)言。
 
溫伯格也引用了那3篇BEH機(jī)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(cuò)，導(dǎo)致看上去像是最早。大概因此原因，這個(gè)機(jī)制常被稱為希格斯機(jī)制。
 
次年，薩拉姆（1964年創(chuàng)立位于意大利的國(guó)際理論物理中心，同時(shí)也繼續(xù)是帝國(guó)理工大學(xué)教授，又有很多社會(huì)事務(wù)）在一個(gè)會(huì)議上回顧與沃德的U(1)×SU(2)模型 [30]，評(píng)論說(shuō)自發(fā)對(duì)稱破缺可以使它成為可行的理論，并起了 “電弱理論” 這個(gè)名字。他引用了溫伯格的《輕子的模型》。薩拉姆沒(méi)有就此寫正式論文，之后也沒(méi)有在這個(gè)領(lǐng)域工作。
 
1971 年，溫伯格又將電弱理論用于夸克。他曾經(jīng)表示，他猜想自發(fā)對(duì)稱性破缺的規(guī)范理論是可重整的，但是沒(méi)有足夠時(shí)間去證明，時(shí)間用在了《引力論和宇宙論》一書的寫作?？磥?lái)科普和寫書既有促進(jìn)科研的情況，也有減少科研時(shí)間的情況。1970年代，他一直在標(biāo)準(zhǔn)模型以及統(tǒng)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(dǎo)師維爾特曼（Martinus Veltman）用路徑積分方法（溫伯格當(dāng)時(shí)還不熟悉此方法），證明了自發(fā)對(duì)稱性破缺的楊—米爾斯理論確實(shí)可重正化。表明了電弱理論是一個(gè)自洽的量子場(chǎng)論。這是為什么溫伯格的《輕子的模型》從1971年開(kāi)始被引用。
 
他們的證明宣布之后，薩拉姆開(kāi)始宣傳自己的優(yōu)先權(quán)?！皽夭?薩拉姆模型” 這個(gè)名詞被廣泛使用。
 
1973年， Z0粒子所導(dǎo)致的中性流在CERN發(fā)現(xiàn)。這是電弱理論的預(yù)言。
 
1976年，薩拉姆的朋友 Paul Mathew 給諾獎(jiǎng)委員 Ivar Waller 寫信說(shuō)，薩拉姆在1967年秋季的一個(gè)研究生課上，基于基布爾關(guān)于對(duì)稱自發(fā)破缺向非阿貝爾理論的推廣，描繪了弱和電磁作用的統(tǒng)一理論 [26]?；紶柺撬_拉姆的諾獎(jiǎng)提名人之一 [26]。 
 
1978年，瑞典科學(xué)院邀請(qǐng)格拉肖參加一個(gè)會(huì)議。期間Waller問(wèn)他，他1961年文章里的參數(shù)與溫伯格角是否相同。格拉肖說(shuō)可能不一樣，Waller說(shuō)是一樣的 [26]。
 
1979年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)均等地授予格拉肖、薩拉姆和溫伯格，表彰他們對(duì)統(tǒng)一基本粒子之間的弱與電磁相互作用的貢獻(xiàn)，包括對(duì)弱中性流的預(yù)言。沃德一直不滿被諾獎(jiǎng)忽略。

 

1983年，W±和Z0在CERN發(fā)現(xiàn)，并確定了質(zhì)量。次年實(shí)驗(yàn)家魯比亞（Carlo Rubbia）和提供關(guān)鍵技術(shù)的范德米爾（van der Meer）獲諾獎(jiǎng)。
 
1999年，特霍夫特和維爾特曼獲諾獎(jiǎng)。
 
2012年，希格斯粒子在CERN發(fā)現(xiàn)，次年恩格勒特和希格斯獲諾獎(jiǎng)（布魯當(dāng)時(shí)已去世）。 
 
溫伯格在諾貝爾獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)演講開(kāi)頭，精彩地描述了包括他本人在內(nèi)的理論物理學(xué)家的努力 [6]。我試譯如下： 

 

“我們?cè)谖锢韺W(xué)里的工作是簡(jiǎn)單地看待事物，通過(guò)幾條簡(jiǎn)單的原理，用統(tǒng)一的方式理解很多復(fù)雜現(xiàn)象。有時(shí)，我們的努力通過(guò)精彩的實(shí)驗(yàn)顯示出來(lái)，比如1973年中性流中微子反應(yīng)的發(fā)現(xiàn)。但是即使在實(shí)驗(yàn)突破之間的黑暗時(shí)刻，理論思想的穩(wěn)步演化總在繼續(xù)，難以察覺(jué)地導(dǎo)致先前信念的改變。

在此報(bào)告中，我將討論理論物理中兩條思路的發(fā)展。一條是我們對(duì)對(duì)稱性的理解的緩慢增長(zhǎng)，特別是在破缺或者隱藏的對(duì)稱性方面。另一條是對(duì)于量子場(chǎng)論中無(wú)窮大的掙扎。在很大程度上，基本粒子相互作用的細(xì)節(jié)理論可以演繹地理解為對(duì)稱原理和對(duì)付無(wú)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(dǎo)致我本人在弱和電磁相互作用的統(tǒng)一方面的工作?！?/span>

 

膠子沒(méi)有質(zhì)量


1972年，弗里奇（Harald Fritzsch）和蓋爾曼用具有SU(3) 規(guī)范對(duì)稱性的楊—米爾斯理論，通過(guò)被稱作色的自由度描述強(qiáng)相互作用，其規(guī)范粒子就是膠子。這叫量子色動(dòng)力學(xué)。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(fā)現(xiàn)楊—米爾斯理論具有漸進(jìn)自由的性質(zhì)，也就是說(shuō)，距離越短，相互作用越弱（特霍夫特在前一年得到這個(gè)結(jié)果，但沒(méi)發(fā)表）。他們3人獲得2004年諾獎(jiǎng)。
 
1973年，格羅斯-維爾切克小組以及溫伯格獨(dú)立提出，量子色動(dòng)力學(xué)的規(guī)范對(duì)稱沒(méi)有破缺，因此膠子質(zhì)量為零。我們看不到自由的夸克和膠子，他們被囚禁著，因?yàn)樗鼈兙嚯x越大，相互作用越強(qiáng)。
 
溫伯格的其他科學(xué)貢獻(xiàn)與思想


溫伯格也有很多其他貢獻(xiàn)和思想，這里只談幾個(gè)。

 


超越標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)一的能量尺度。
 
1977年，溫伯格和維爾切克各自預(yù)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(shí)間反演對(duì)稱的量子色動(dòng)力學(xué)真空（因?yàn)閷?shí)驗(yàn)上不是這樣）。人們采納了維爾切克的命名 “軸子”。這是暗物質(zhì)的一個(gè)候選者。

 


有效場(chǎng)論


溫伯格認(rèn)為，廣義相對(duì)論和粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型都是有效場(chǎng)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(biāo)準(zhǔn)模型的行為。不管高能的理論是什么，只要與量子力學(xué)和狹義相對(duì)論融洽，它的低能近似就是量子場(chǎng)論 [31]。  
 
他認(rèn)為，中微子的微小質(zhì)量就是一個(gè)跡象，另一個(gè)可能的跡象是重子數(shù)不守恒（重子指質(zhì)子、中子和一些相關(guān)的參與強(qiáng)相互作用的粒子），例如質(zhì)子衰變。 
 
2020年10月24日，在面向中國(guó)公眾的網(wǎng)絡(luò)演講和對(duì)話中，溫伯格說(shuō)到 [32]——

 

“我認(rèn)為繼續(xù)安靜模式的實(shí)驗(yàn)物理也是很重要的，我們可以尋找質(zhì)子衰變那樣的稀有事例，因?yàn)槲艺J(rèn)為質(zhì)子衰變甚至有可能在我的有生之年發(fā)現(xiàn)，我希望在深層地下的那種實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)也繼續(xù)。”

 
可惜，溫伯格教授已經(jīng)沒(méi)有機(jī)會(huì)沒(méi)有看到質(zhì)子衰變的發(fā)現(xiàn)。

 


宇宙學(xué)


溫伯格是最早針對(duì)宇宙學(xué)，研究高溫量子場(chǎng)論的人之一，也可能最早研究了早期宇宙中重子產(chǎn)生及其與宇宙膨脹速率的正比。他還研究了宇宙學(xué)常數(shù)為什么那么小，指出宇宙學(xué)常數(shù)雖然很小，但是可以不為零，這與后來(lái)發(fā)現(xiàn)的宇宙加速膨脹發(fā)現(xiàn)相融洽。 
 
在2020年那次活動(dòng)中，溫伯格說(shuō) [32]——

 

“在宇宙加速膨脹發(fā)現(xiàn)之前，很多物理學(xué)家認(rèn)為，有基本原理能夠解釋，為什么包括宇宙學(xué)常數(shù)在內(nèi)的總的暗能量嚴(yán)格為零。但是現(xiàn)在我們知道這是不對(duì)的?！?/span>

 


量子力學(xué)


溫伯格對(duì)量子力學(xué)的基礎(chǔ)，特別是測(cè)量問(wèn)題以及主要的詮釋感到不滿意。溫伯格的態(tài)度反映了他確實(shí)是一位實(shí)在論者。
 
在2020年那次活動(dòng)中，溫伯格在回答我的問(wèn)題時(shí)說(shuō) [32]——

 

“我所迷惑的是這樣一個(gè)事實(shí)，我們?cè)诒硎隽孔恿W(xué)的基本假設(shè)時(shí)，我們必須提到觀察者，也就是，做測(cè)量的人。我希望在很基本的層次，我們有個(gè)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(xiàn)在定律中。”

 

我和溫伯格的點(diǎn)滴交往

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

 

我還問(wèn)他，Z0粒子為什么這么命名？他說(shuō)：“這是一種詼諧的意思，估計(jì)它也許將是最后一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的粒子，因?yàn)閆是最后一個(gè)字母。不過(guò)也代表中性，是零電荷的意思?！?/span>
 

與溫伯格教授在他的辦公室合影 | 供圖：施郁

 
我離開(kāi)奧斯汀時(shí)，溫伯格教授的量子力學(xué)課還沒(méi)有結(jié)束。但是后來(lái)收到他寄來(lái)的講義。不久，他的《量子力學(xué)講義》出版了。我注意到，他在書中一個(gè)注釋里指出了我推薦的那篇文獻(xiàn)。我也發(fā)現(xiàn)了書中簡(jiǎn)并微擾論那部分的錯(cuò)誤和一些打字錯(cuò)誤，不過(guò)他自己已經(jīng)發(fā)現(xiàn)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(xué)II”，用剛出版的這本書（第一版）作為教材。 
 
最近兩年我開(kāi)設(shè)了科學(xué)史課程，溫伯格教授的《解釋世界：發(fā)現(xiàn)近代科學(xué)》成了主要參考書。我非常喜歡這本書，欣賞他從當(dāng)代科學(xué)的視點(diǎn)評(píng)述科學(xué)史，也通過(guò)郵件向他請(qǐng)教過(guò)幾次。最近我還想著要再問(wèn)他一個(gè)相關(guān)問(wèn)題，但是 “放在腦后”，沒(méi)及時(shí)發(fā)郵件。 
 
去年，我邀請(qǐng)溫伯格教授，通過(guò)中國(guó)科學(xué)技術(shù)館的平臺(tái)，做一次全網(wǎng)直播的公眾演講和對(duì)話（我為他作現(xiàn)場(chǎng)翻譯）。我9月4日向溫伯格教授發(fā)出邀請(qǐng)，20小時(shí)后就收到了他的答復(fù)，欣然接受邀請(qǐng)。活動(dòng)在10月24日上午9:30開(kāi)始，溫伯格教授講了《極大與極小》[29]。網(wǎng)絡(luò)觀眾非常多。 
 
在對(duì)話環(huán)節(jié)，我們談到，基本定律后果與偶然事件的區(qū)分?，F(xiàn)在我想起，一個(gè)科學(xué)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(xiàn)，比如溫伯格將W±和Z0的質(zhì)量都表達(dá)成溫伯格角的函數(shù)，減少了一個(gè)參數(shù)。也許與這個(gè)經(jīng)驗(yàn)有關(guān)，他特別關(guān)注標(biāo)準(zhǔn)模型有很多參數(shù)，不同種夸克或輕子的質(zhì)量可以相差很大。  
 
當(dāng)時(shí)溫伯格有一席話總結(jié)了他幾十年工作中的心態(tài)。讓我們重溫一下 [29]——

 

“作為一位物理學(xué)家，回顧1950年代開(kāi)始的幾十年工作，那是非常大的樂(lè)趣。時(shí)不時(shí)發(fā)現(xiàn)一個(gè)理論想法，導(dǎo)致證實(shí)這個(gè)想法的實(shí)驗(yàn)，或者解釋已知但是似乎奇怪的東西，這是多么令人激動(dòng)。但并不總是這樣愉快，很多時(shí)間花在了行不通的想法上。我經(jīng)歷的失敗多于成功，這在科學(xué)工作中是典型的。但是成功的少數(shù)情況彌補(bǔ)了其他的不成功。所以要堅(jiān)持工作?！?/span>

 
活動(dòng)結(jié)束時(shí)，奧斯汀時(shí)間已經(jīng)很遲了，我至今還為此感到內(nèi)疚。想起當(dāng)時(shí)溫伯格歡迎我再去德克薩斯，則是悵然。 
 
在本文寫作過(guò)程中，我也涌現(xiàn)了不少想問(wèn)溫伯格教授的問(wèn)題，可惜已經(jīng)沒(méi)有機(jī)會(huì)了。

 參考資料：（可上下滑動(dòng)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(guī)范理論一百年， 知識(shí)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(xué)家溫伯格首次面向中國(guó)公眾的演講，知識(shí)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(píng)論
評(píng)論
暫無(wú)評(píng)論內(nèi)容
知識(shí)分子是由饒毅、魯白、謝宇三位學(xué)者創(chuàng)辦的移動(dòng)新媒體平臺(tái)，致力于關(guān)注科學(xué)、人文、思想。
訂閱Newsletter

我們會(huì)定期將電子期刊發(fā)送到您的郵箱

GO