史蒂芬·温伯格:高能粒子物理学的指引者

来源:中国科学家精神发布时间:2019-01-02

一位诺贝尔物理学奖得主的回忆与建议

1967年11月20日,史蒂芬·温伯格(Steven Weinberg)在物理评论快报上发表的一篇标志性的论文:《轻子模型》(A Model of Leptons),为高能粒子物理学在20世纪后半叶的发展指明了方向。

史蒂芬·温伯格:高能粒子物理学的指引者

1967年11月20日,温伯格在物理评论快报上发表了《轻子模型》。2017年-2018年,全世界举办了多次会议以庆祝标准模型诞生50周年。


在只有两页半纸的论文中(算上参考文献和致谢在内),温伯格优雅而简洁地书写了宇宙中最深层的秘密。他的成果在当时无疑是革命性的。如今,这篇论文每周至少会被引用三次。它的内容是粒子物理学的标准模型——迄今为止描述宇宙中的粒子是如何相互作用的最完整的理论核心。


史蒂芬·温伯格:高能粒子物理学的指引者

《轻子模型》是理论物理学史上被引用最多的论文之一,截止今天为止共被引用了11396次。| 图片来源:Inspirehep


1979年,温伯格与阿卜杜勒·萨拉姆(Abdus Salam)和谢尔登‧格拉肖(Sheldon Glashow)因统一自然界中的四种基本力中的两种——电磁力和弱核力而获得了诺贝尔物理学奖。他们的“电弱理论”假设了光子和矢量玻色子(即弱相互作用的载力粒子)之间存在对称性。温伯格提出,这种对称性由于与其他场的相互作用而”自发“破缺,因此无法被观测到。他的理论解释了该领域的几个令人困惑的问题,其中包括为什么左手性粒子和右手性粒子的弱相互作用不同(违反宇称守恒)。

史蒂芬·温伯格:高能粒子物理学的指引者

 2009年,温伯格(左)参观在CERN的ATLAS实验。


最近,温伯格在《物理评论快报》(PRL)上发表了一篇文章[1],回忆了标准模型发展初期那些令人兴奋的故事。在一次APS物理对他的采访中,温伯格解释了人们对标准模型的最初反应,以及为什么它被称为“标准”。同时,他还向那些正努力建立一个超越标准模型的理论的物理学家提出了建议。

《轻子模型》那篇论文是标准模型发展的重要一步。当时,你是否意识到自己的理论会如此具有变革意义?

我想可能是。我真的觉得我提出的理论可能是正确的,可能解决弱相互作用的突出问题。当时还有其他的想法,但我坚信一种自发破缺的规范对称性是正确的前进方向。

人们对你的想法作何反应?

就在论文发表之前,我在布鲁塞尔的索尔维会议上谈到了这个理论。我的演讲引起了一些人的兴趣,但并没有引发什么兴奋。当时,就连我也知道这个理论是不完备的。一个缺失的元素是要证明该理论确实是可重整化的,也就是说,计算中出现的无穷可以被消除。(1971年,Gerard’t Hooft等人提供了证明。)另一项缺失是实验验证,但到了1973年,随着弱相互作用中中性电流的发现,实验验证也开始出现了。同样是在1973年,出现了一种解释强核力的理论,叫做量子色动力学。电弱理论和量子色动力学这两部分形成了标准模型。

史蒂芬·温伯格:高能粒子物理学的指引者

 这一事件显示了在1200升加尔加梅勒气泡室中产生的真正轨迹(1973年7月),提供了第一个确认中性电流相互作用的证据。| 图片来源:CERN


人们什么时候开始把这一切称为标准模型?

我不太清楚,但我记得,1973年,在法国普罗旺斯艾克斯的一次演讲中,我用过这个名字。我想向我的听众指出,物理学家在那时已经对基本粒子有了相当好的了解,我们可以使用这个“标准模型”作为解释实验的工具。

对于你而言,在名称中包含“标准”一词是否意味着确定性?

我相信这个理论是正确的,但在1976年和1977年里,一系列实验数据都难以用标准模型来解释,这在一定程度上动摇了我的信心。1977年春天,我取消了与妻子和女儿早已计划的约塞米蒂之旅。相反,我用那段时间和我的朋友Ben Lee合作,试图找到一个可以解释这些实验的替代理论。我很自豪地说我们失败了,因为后来证明是实验出错了。

最终,1978年SLAC的一个实验解决了这个问题,这个实验证实了电子与原子核相互作用中宇称不守恒的预测。在那之后,我认为每个人都相信标准模型是正确的。

在这篇PRL文章中,你描述了标准模型发展中的一些曲折,你认为重温那段复杂的历史有什么用处吗?

我认为通过研究物理学的历史,我们可以了解所有物理学家做出的判断——以及错误的判断。历史也可以是动力的源泉:通过了解物理理论背后的故事,作为物理学家的我们,可以感受到伟大历史进程的一部分。这种前进的感觉鼓舞着我们继续在办公桌前和实验室里奋斗。

这种进展将粒子物理学带往何方?

我们的目标是找到一个解释所有力和粒子的“终极理论”,但是它的形式很模糊。在这一点上,这样一个基本理论似乎比以往任何时候都要遥远,因为有迹象表明,要看到它所需要的能量超过了我们力所能及的范围。可惜的是,加速器实验还没有揭示出任何超越标准模型的东西,除了中微子的质量。(根据标准模型的预测,中微子是没有质量的。但中微子振荡的发现,表明了它们具有非常小的质量)

你认为,现在的粒子物理学家面临的问题和你作为一个年轻科学家时遇到的问题有不同之处吗?

是的,我认为50年前的情况和现在有所不同。当时,我们有太多实验数据,其中很多似乎不符合任何模式。这些问题令人生畏,但有许多方法可以应用于新理论。作为一名物理学家,那真是一个激动人心的时刻。

如今,很难想出一个我们可以认真对待的挑战。目前的难题并没有给理论学家提供很多机会,去提出可以通过实验验证的解决方案。

你对接下来的一代人有什么建议吗?

丘吉尔在第二次世界大战开始时有一句格言:“永不懈怠!”(Keep buggering on!) 本着这种精神,我认为做点什么总好过什么都不做。我的建议是,尝试疯狂的想法,尝试创新的实验。总会有事情发生的。

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