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迎接新物理学的曙光
沈 葹
沈 葹教授
著名理论物理学家W·温伯格曾指出：物理学始终是一个未完成的逻辑体系；而本刊所载一文正具体阐述了他的这一观点，此观点当然符合科学不断发展的基本思想。（微观）粒子物理学从卢瑟福于1911年发现原子有核结构肇始；继而，玻尔构建（氢）原子结构模型——二者的开创性工作则导致以量子力学为核心的量子理论的伟大建树。
循着爱因斯坦之统一场论探索的导引，温伯格等众多理论物理学家相继建立弱—电（作用）统一理论、强—弱—电（作用）的大统一理论、把引力也包容在内的超统一理论；恰如温伯格在12年之前所论及的：了解自然界如何以统一的方式变化，乃是物理学研究的一个主要目的。大统一理论又称作粒子物理标准模型；与此相平行，相对论宇宙学亦有其标准模型。然而，无论标准模型、抑或超统一理论，纵然已达到很高水准，却都是欠于逻辑十分谐恰的未完成体系。
粒子物理标准模型包括描述强相互作用的量子色动力学和弱—电统一理论：前者给出强子的夸克结构模型，导出夸克囚禁在强子内部以及夸克之间渐近自由的结论、以至于可以用微扰方法计算强作用；后者（乃至这标准模型）倡导真空对称性的自发破缺概念、通过希格斯机制而赋予相互作用场的规范玻色子和其他粒子以质量。但这标准模型难于说明夸克—轻子以及强子这两个结构层次上不同粒子的质量悬殊以及中微子的非零质量，不能解析真空的复杂性及其对称性破缺的本质、并由以确定夸克禁闭的起因。
至于宇宙学标准模型，面对暗物质、暗能量两项天文新发现，即使结合以量子场论，亦难于给出其明晰的图像和性质确认。所以说，两个分别立足于量子理论和广义相对论的标准模型、加上试图将这二者结合起来的超统一理论，都有待完善和发展、甚或尚需逐步建成，并且在概念基础、逻辑框架上可能有大的突破和创新。
理论的进展离不开实验实践的进步。例如，卢瑟福提出原子有核结构，乃依据α粒子散射实验的结果；从宇宙线中发现正电子，乃是对狄拉克相对论量子力学的重要验证；加速器之能量逐渐提升，质量渐次增大的粒子便大量涌现，粒子物理学则迅速发展。然而，暗物质、暗能量凭借引力效应等间接方式被探测到，中微子的微小质量被测定，自由夸克一直未在高能实验中露面，凡此种种都表明标准模型有一定的局限性。
物理学家寄厚望于目前能量最高的加速器——LHC，切盼在其能量足够高的实验中出现希格斯粒子、崭露超对称对偶粒子的些微踪迹、显示量子真空的精细机制。看来，甚高能量的实验观测会将现代物理学引向新的转折点，就像100年之前卢瑟福等人的α粒子散射实验打开了微观物质世界以至粒子物理学的最初窗口一般。
温伯格在“粒子物理学：从卢瑟福到大型强子对撞机”一文中强调物理理论的简单性原则，此乃统一工作的重要准则；从不甚统一到颇为统一，势必交织着对称性与对称性破缺的相成、互动过程，这是统一工作的基点。两个标准模型只是微观粒子系统或甚大尺度宇宙在能量不很高条件下适用的有效场论；“有效场论并非基本理论”，其自恰性和完备性难免有些欠缺，也不会显得特别简单。可是，实验观测屡获重大发现，理论探讨对于简单、谐恰“情有独钟”，现代物理之两大理论支柱——相对论和量子理论日趋精深、延拓不止，故而超越标准模型则势在必行。
犹如原子结构模型引发量子力学那样，对标准模型的超越必定促成新基本理论的更伟大建树。然而，要建成超高统一、适用于甚高能量条件的新基本理论，其研究对象还须将暗物质和暗能量囊括进去，那就必然突破迄今单纯以“可见”物质为研究对象的“传统”物理学及其理论支柱的囿限。但突破传统囿限——正如温伯格所指出的——总会遇到实验上和理论上的重重障碍。尽管这努力探索的时间比较漫长，却可以坚信，一旦克服障碍，便终将迎来“非传统”式新物理学的绚烂曙光。
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本文作者为同济大学物理学教授。
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