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電弱統一50年:誰是真英雄?

1967年11月20日,美國理論物理學家Steven Weinberg的大作「一個關於輕子的模型」(A Model of Leptons)發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)期刊上,它標誌著粒子物理學的標準模型正式誕生。看似毫不相關的電磁力與弱核力在Weinberg模型中有機地統一起來了,在隨後的50年中該模型經受住了無數高能物理學實驗的考驗,成為繼相對論和量子力學之後最成功的物理學理論。2017年10月號的《歐洲核子研究中心快報》(CERN Courier)專門發文紀念這一重要的歷史事件,並電話採訪了如今已是84歲高齡的Weinberg教授。

1979年的諾貝爾物理學獎頒給了電弱統一模型的三位奠基人:Sheldon Glashow、Abdus Salam和Steven Weinberg。這三人之中,誰是真正的英雄?

1961年,29歲的美國物理學家SheldonGlashow在哥本哈根大學訪問期間,將一篇題為「弱相互作用的部分對稱性」(Partial Symmetries ofWeak Interactions)的論文發表在了歐洲物理學會主辦的《核物理學》(Nuclear Physics)期刊上。在這篇論文中,Sheldon Glashow擴展了自己的博士導師Julian Schwinger教授在1957年提出的電弱統一模型的雛形,寫出了正確的群結構,引入了弱相互作用的中性流及其傳播子(即Z玻色子)。不過Glashow模型的缺陷是:它基本上還只是一個唯象學模型,並沒有以Yang-Mills場論為基礎;因此它缺少對稱性自發破缺的機制,因為著名的Higgs機制是在三年之後才被提出來的。Glashow博士沒有做好的事情,六年之後都被他的高中同班同學Steven Weinberg做好了。

StevenWeinberg的獨到之處是,他把電弱統一理論建立在了Yang-Mills場論的基礎之上,並引入了Higgs機制,從而得到了一個完美而自洽的理論,並預言了弱中性流的傳播子Z玻色子與輕子對的耦合強度。與Sheldon Glashow的唯象風格不同,Weinberg教授特別注重電弱統一模型的場論內涵,所以他在1967年那篇論文的結尾處提出了一個關鍵問題:「這一模型是可重整的嗎?」(Is this modelrenormalizable?)這個他當時還無法回答的問題,四年之後被25歲的荷蘭博士研究生Gerardus 『t Hooft回答了。令人不可思議的是,從1967年到1971年,Weinberg模型的引用率竟然是零,儘管如今它已經被引用了10000次以上。

在導師Martinus Veltman的指引下,年輕的Gerardus 『t Hooft擔負起了證明Yang-Mills場論可重整性的重任。1971年2月和7月,他在《核物理學》上接連發表了兩篇唯一作者的論文,題目分別是「無質量Yang-Mills場的重整化」(Renormalization of MasslessYang-Mills Fields)和「有質量Yang-Mills場的可重整拉格朗日量」(Renormalizable Lagrangians forMassive Yang-Mills Fields)。據說當時全世界沒有幾個人能看懂這位從小就立志做個「什麼都懂的人」(A person who knowseverything)的論文,以至於Sheldon Glashow認為Gerardus 『t Hooft要麼是天才,要麼是瘋子。好在他最終被公認是個天才!當Steven Weinberg聽說Gerardus 『t Hooft證明了自己的理論是可重整的理論時,也非常高興。於是整個學術界都開始認真對待Weinberg模型了。

師生於1999年分享了諾貝爾獎

值得一提的是,Sheldon Glashow曾經對Weinberg模型中的Higgs機制耿耿於懷,公開稱那是StevenWeinberg的「廁所」。假如電弱統一理論是一棟大廈的話,Higgs機制這個「廁所」當然是必要而且重要的。2013年,也被稱為「上帝粒子」的Higgs玻色子在歐洲核子研究中心的大型強子對撞機上被發現,從而證實了「廁所」的確是存在的。

還值得一提的是,Steven Weinberg在1967年提出電弱統一理論時,並沒有考慮夸克,因為當時他對夸克模型持懷疑的態度。直到1973年,強相互作用的「漸近自由」特性被從理論上證明,Steven Weinberg才徹底接受了夸克模型。

但當時實驗上只確認了三種輕夸克的存在。為了在Weinberg模型的框架下解釋K介子衰變中的CP不守恆效應,兩位年輕的理論物理學家小林誠(Makoto Kobayashi)和益川敏英(Toshihide Maskawa)於1973年在日本的《物理學進展》(Progress of Theoretical Physics)期刊上發表了一篇題為「弱相互作用可重整理論中的CP破壞」(CP Violation in the RenormalizableTheory of Weak Interaction)的論文,大膽地預測了另外三種重夸克的存在,從而在Weinberg模型中成功地引入了CP破壞機制。花如此大的代價(引入三個新粒子、三個質量參數、三個混合參數和一個CP破壞參數)擴充電弱統一理論,為的只是提出一種CP不守恆的機制,值得嗎?這不違背構建理論模型所遵循的「簡單性」和「經濟性」原則嗎?儘管有諸多疑問,小林誠和益川敏英的機制卻幸運地被實驗證明是正確的,比如說三種新夸克分別於1974年、1977年和1995年在美國被發現。

益川和小林獲得2008年的諾貝爾獎

1973年,Sheldon Glashow和Steven Weinberg所預言的弱中性流在歐洲核子研究中心的中微子-核子散射實驗中被證實。1979年,他們二人與AbdusSalam一道分享了當年的諾貝爾物理學獎,儘管當時傳遞弱相互作用的帶電和中性玻色子還沒有被發現。那麼,Abdus Salam對標準模型的貢獻何在呢?

1968年5月,Abdus Salam在瑞典哥特堡舉辦的一場國際會議上報告了自己關於電弱統一理論的工作,其內容並沒有超過溫伯格論文的深度,而且他的報告內容後來發表在會議文集而不是專業期刊上。雖然當年很多文獻將Weinberg模型也稱作Weinberg-Salam模型,但不少人對此卻不以為然。

據Abdus Salam本人在1979年的諾貝爾獎演講時指出:1967年秋天他在倫敦帝國學院的博士後講習班上授課時,就報告了電弱統一理論的有關想法和結果,這一點可由當時在場的義大利物理學家Nino Zichichi和自己的澳大利亞學生Bob Delbourgo口頭作證,因為沒有任何文字證據。這似乎說明他的想法可能不在Steven Weinberg之後,而後者也不反對「Weinberg-Salam模型」的叫法,因為兩個人是好朋友。

據「夸克之父」MurrayGell-Mann在他的自傳《奇異之美》(Strange Beauty)一書中回憶,諾貝爾獎委員會最初只打算把創建標準模型的榮譽授予Steven Weinberg和Abdus Salam,但是他覺得這對曾作過自己的博士後的Sheldon Glashow不公平,才做了干預。於是他們三人最終獲得了諾貝爾獎。

StevenWeinberg今年在接受《歐洲核子研究中心快報》的電話採訪中說,他目前最關心的問題仍舊是基本粒子的質量起源問題。這個問題,正如德國數學家Gottfried Leibniz在幾百年前所問的那樣,「Why is there something rather thannothing?」,今天依然是人類百思不得其解的問題。

來源:中國科學院高能物理研究所

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