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传奇-40

2018.05.18

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1979年的诺贝尔奖颁发给了3个人,他们最重要的贡献是实现了弱电的统一。我们知道电磁力和弱力长得确实是不太像,电磁力是个长程力,作用距离很远,而且电磁力是一种比较强的力。可弱力就不同了,弱力是像名字描述的那样非常微弱,而且作用距离很短。宏观世界能够看得见摸得着的这些东西是依赖于电磁力的作用,光属于电磁作用,光属于电磁波,弹力和摩擦力也是电磁作用,可以说是电磁作用给了我们踏实的感受,看得见也摸得着,可是弱相互作用就不是那么贴近生活了。弱力通常都不是什么好事,比如说放射性物质的衰,靠的就是弱相互作用。这两种作用相差太大,它们几乎没有什么相似之处。

但是事情并没有这么简单,杨振宁和李政道发现了弱相互作用下的宇称不守恒,而且不久以后就由吴健雄做实验给出了证明,科学家们非常喜欢的对称现在被打破了。那么后来大家又提出了新的理论,宇称一般简写叫P,P不守恒,但是把电荷共轭C考虑进去,这两个综合在一起那是守恒的,就是CP守恒,电荷共轭C负责把粒子转换成反粒子,但是这样子很快就出麻烦了。1964年的一个发现完全出乎了物理学家们的意料,詹姆斯·克罗宁与瓦尔·菲奇发现了K介子衰变,这为弱相用作用下CP对称破缺提供了明确的证据,二人因此获得1980年的诺贝尔物理学奖,这个所谓的CP对称破缺很重要,因为这很有可能揭示为什么我们的宇宙里面正物质哪哪都有,可是反物质却那么难搞,为什么我们的宇宙是如此的不平衡。

早在1956年施温格就开始考虑弱电统一的问题,在他看来弱相互作用和电磁作用有某种相似性。1957年施温格写了篇论文,他描述弱相互作用是由两种矢量玻色子和光子来传递的,这两种矢量玻色子跟光子应该是一个家族的成员,也就是它们是一个粒子表现出了三个不同的状态,这叫三重态,但是预计这两种玻色子都很重,比质子还要重的多,但是光子是没有静态质量的,这哥仨怎么看都不像是一家人,所以施温格的理论不太成功,中间有明显的缺陷。施温格就把这个事交给了他的学生格拉肖。你要有兴趣,你去研究吧。结果他也没想到后来格拉肖因此拿诺贝尔奖。

谢尔顿·格拉肖

格拉肖于1958年发表的论文认为弱电统一必须以杨-米尔斯规范场理论为基础,而且在他这篇论文里面还认为自己解决了规范场的重正性问题。他后来到英国讲学,中间做了一个相关的学术报告。他在台上讲,底下有人听,听众里有一位从巴基斯坦来的人叫萨拉姆,萨拉姆原本出生在印度的旁遮普,后来印巴分治,英国人统治的印度一分为二变成了两个国家。萨拉姆是穆斯林,于是就被划分到了巴基斯坦。萨拉姆也在干跟格拉肖同样的事,他也是受了施温格的启发才干这事的,他正在为规范场的几个发散性问题头痛。所谓发散就是算出了无穷大,物理学家看见这东西就头疼,所谓的重正化就是为了解决这个问题。所以当萨拉姆听说格拉肖搞定了发散,立马就来精神了。后来他想办法搞到了格拉肖的论文一看,这哪是搞定了,明明有错误啊!这就闹得格拉肖弄了个大红脸,面子上实在是挂不住。

萨拉姆

格拉肖后来咬牙发狠,发誓非要把这东西搞出来。过去不是有三个粒子是同一家族的,就两种玻色子和光子,这三种粒子是同一个矢量玻色子的三重态。现在格拉肖一不做二不休,又引入了一种中性的矢量玻色子,起了个符号叫B,只有把这东西引进去才能消除该死的无穷大,这是一种全新的弱相互作用。不过他的想法并没得到大家的认可,毕竟怎么能随便往里加粒子,还嫌不够麻烦吗?这种粒子有没有还两说着,再说现在的理论也仍然是不可重正化的。格拉肖想综合量子电动力学和规范场两种理论,可是他有个麻烦,电磁作用宇称是守恒的,弱相互作用的宇称不守恒,一个守恒一个不守恒这怎么能弄到一块去。格拉肖1961年又写了论文继续讨论弱电统一问题,他的好同学温伯格也开始关注弱电统一问题。温伯格跟格拉肖是中学同学,两个人又一起考到了康奈尔大学,所以他们俩可以算是发小了。

温伯格介入弱电统一的问题不算太早,他大约是1965年到1967年开始研究的,他最大的贡献是把强相互作用的那套想法弄过来搞弱相互作用,弱相互作用和电磁作用就可以在规范对称性的思想下统一描述了。不过还有个麻烦,那就是为什么中间玻色子和光子的质量相差那么大,温伯格的解释是因为希格斯机制造成的。温伯格对外公布了他的研究成果,正在英国的萨拉姆也差不多得到了相同的结果。

史蒂文·温伯格

光有理论不行,还需要实验验证,这两个人都把理论搞出来了,那行不行得通还要验证。弱电统一理论的神奇之处是预言了一种中性流的存在,过去大家谁都没注意过。1973年,欧洲核子研究组织CERN的实验物理学家们分析了两年中拍摄的一百四十万张云室照片,大海捞针一样终于发现了3个这样的例子,发现的确是有中性流的,从而证明了纯轻子的弱相互作用中性流的存在。这下有证据了,所以1979年的诺贝尔物理学奖就给了温伯格、萨拉姆和格拉肖,奖励他们对弱电统一做出了重要贡献。不过这事还没完,还有他们预言的那几个粒子还没找到,但是当时的加速器能量都不够用,那没办法,只能进行升级改造。不过要少花钱多办事才行,如果等到建造新的大型对撞机,那黄花菜都凉了,所以现在有条件要上,没有条件创造条件也要上,所以他们还真就是这么做的。领头的叫卢比亚,他领着人把超级质子加速器SPS改造成了一台质子与反质子对撞机,对撞机的力量就大多了。后来又经过一年多努力,他把对撞机的能度提高了一百多倍。后来他从14000次碰撞中找到5次产生了W粒子,可见要产生一次这东西很不容易,14000次才撞出来5次,它能量为81±5G电子伏特,这与理论预言完全一致,W粒子终于被他们找到了。1983年1月25日,卢比亚他们正式发布了有关发现W粒子的消息,这了年5月份,卢比亚他们又找到了所谓的Z0粒子,这个Z0粒子就是格拉肖他们说的那个B粒子。 6月份找到Z0粒子的消息正式公布,它们的质量也完全符合理论预言,卢比亚就拿了1984年的诺贝尔奖。弱电统一理论这一下就拿了两个奖了。

弱电统一理论是个很重要的理论,因为它向统一之路迈进了一大步,尽管这个理论并不像当年麦克斯韦合并电与磁的时候搞的那么漂亮,但这也很难得了,在这个基础上大家慢慢搭建起了一套标准模型框架,在这套标准模型框架里强力、弱力、电磁力都可以得到合理的解释。

前面不是说希格斯作用吗?希格斯玻色子呢?那还要再过30年。2013年,欧洲核子研究组织宣布大型强子对撞机已经发现了希格斯玻色子,大家觉得标准模型预言的那些粒子总算都找到了,那年希格斯老爷子垂垂老矣,终于在有生之年拿下诺贝尔物理学奖。不过标准模型看上去啥都行,但也有让标准模型吃瘪的时候。按道理说中微子是不应该有质量的,标准模型算出来就是这样,可是日本的超级神冈中微子探测器发现中微子会发生震荡现象,说白了就是中微子一边跑一边在来回变身。中微子有好几种,在飞的过程里面在不断的转换种类,这叫中微子震荡现象。这说明中微子的质量虽然极小极小,但也并不为零,中子质量不为零的话,标准模型就必须打补丁解决问题。 标准模型的优点是好用,现在大部分观测结果都跟标准模型预言的一致,但是缺点就是有很多科学家觉得标准模型长得太难看了。为了解释三种粒子的行为,结果搞出来60多种粒子,这已经是够难看的了,而且它统一三种力的方式也太简单粗暴,就好比把羊驼、黄花鱼和小强拿胶水粘在一起就说这是所有物种的祖先,是大自然的杰作,这说出来谁都不信,这东西怎么看怎么都不是那么回事。但是不服不行,这理论就是好用,实验结果就是符合,那能怎么办,所以说大家都在寻求更加优美的理论。

大统一理论是标准模型的升级版本。所谓大统一理论是彻底把强力,弱力和电磁力统一起来,并且用一个式子来表示,不过现在还做不到一个式子,这太难了。现有的大统一理论还有各种各样的缺陷,比如说有不少理论都预言质子是会衰变的,背后理由是重子数不守恒,要是重子数守恒,那就没办法解释为什么现在正物质这么多,而反物质根本看不到的现象。可是话说回来质子衰变谁都没观察到过,就好像质子的寿命是寿与天齐,跟宇宙寿命差不多长。还有一个预言就说应该是存在磁单极子,现在是无论把磁铁砸多碎,碎磁铁永远都有两个极,说要有一片只有一个南极或者一个北极到现在也没任何人观察到这个现象,据说宇宙大爆炸那会可能会产生一些,但现在也不好找,这个问题就摆在那没法解决。

彼得·希格斯

比大统一理论更进一步的理论是万有理论。所谓万有理论就是把四种基本的力全都统一起来,包括引力在内写成一套公式,然而这就更难了。当年爱因斯坦就曾经想搞出万有理论,当然了他只考虑电磁力和引力,因为其他的力那时候还不知道,不过就光这两者就难以统一,他后半辈子也没搞定。他当时就号召物理学家像他对引力做的那样把电磁场几何化,他把引力解释为空间弯曲,这是一种几何效应,那么电磁场能不能几何化呢?结果还真有人响应他的号召,比如说数学家外尔就响应他的号召投身研究,还有当时还名不见经传的卡鲁扎寄给爱因斯坦一篇论文,其中就提到了第五维。现在四维时空里面,电磁力和引力没办法统一,写不到一个方程式里,但加个维度好像就把这两个都给塞进去了,这样看起来很不错。爱因斯坦看了之后也高兴,不久以后,玻尔的助手克莱因又在这个基础上更近了一步,他解释说我们为什么没感觉到第五维的存在呢,那是因为第五维太微小了,而且卷起来了,所以我们感觉不到这个额外的维度。后来克莱因又发现其实再加入几个维度,麦克斯韦场就会变成杨-米尔斯场,可惜的是克莱因的思想没有被发展下去,这都是二战给搅合的。

爱因斯坦的广义相对论是建立在黎曼几何的基础之上的,但是也不能仅仅停留在黎曼几何的阶段,总要研究点“后黎曼”时代的几何学吧,得继续把几何学往前推。爱因斯坦就向数学家们发出呼吁,现在数学工具不够用了,大家想法子解决问题。好多数学家开始研究一种所谓的“联系理论”,这个联系理论包含“扭转”、“扭曲空间”之类的数学理论,不过这些理论在当时是用不上的。

爱因斯坦老年的时候有一张很出名的照片,就是冲镜头伸舌头的那张照片,那是爱因斯坦晚年的照片,爱因斯坦到那个时候基本上就是个老顽童的架势。不过那年头恰好有一个小孩子出生,他叫威腾,他老爹是研究广义相对论的教授,威腾可以说是在书香门第出生。他大学毕业以后,开始没想搞物理,他帮助民主党的总统候选人麦戈文搞竞选工作搞了一段时间,但是麦戈文最终败给了中国人民的老朋友理查德·尼克松,毕竟这尼克松竞选还是很有一套的。

就是这张照片

选举结束之后威腾觉得自己还是搞物理算了,政治不适合自己,他就杀向了物理学,结果证明他的选择完全正确。他的才华犹如黄河泛滥一发而不可收拾。他21岁就进了普林斯顿的研究生院,29岁就当了普林斯顿的教授了。1984年11月,威腾做了个报告,这个报告做的很火爆,后来人们回忆当时的场景,那个时刻被称为“第一次超弦风暴”。他这一煽风点火超弦理论就红火了好就。到了90年代,弦理论开始降温,但是就在这个年威腾获得了菲尔茨奖。这个奖项是第一次颁发给了一位物理学家,表彰一位物理学家在数学上的贡献。这个情况是极其罕见的,一般数学家不是太看得起物理学家,特别是当年哥廷根大学的希尔伯特,他说过物理学对于物理学家来说是太困难了。结果现在一个物理学家拿了数学界的最高奖,可见他数学水平之高,可见大家对他数学水平的认可。

爱德华·威滕

弦理论描述了一个高维的空间,维度都已经突破两位数了,基本路数就是从当年克莱因那来的。后来弦理论也大量使用了爱因斯坦呼吁数学家们研究的“后黎曼”几何学,就是黎曼之后出现的几何学,但是这个理论的缺陷也极其明显,那就是没办法做实验。怎么呢?除非再来一次宇宙大爆炸,要想自己造大爆炸的效果呢就得造个银河一样大的对撞机,那显然是做不到的。威腾最近还亲自往中国跑,就是为了造更大的对撞机的事,如今就中国钱多。杨振宁还发文陈述了反对造更大的对撞机的理由,掀起了一场网络大讨论。当然不喜欢弦理论的人也很多,比如格拉肖就不喜欢弦理论。他曾经阻止哈佛聘用弦理论专家到物理系,结果拦了半天没能拦住。那好吧,格拉肖自己扛着包袱走人,人家干脆不认为弦理论属于物理学,他觉得这东西最多是数学。

超弦仍然是万有理论的一个候选者,它也非常的迷人,好多人觉得这里面数学技巧用的太漂亮了,但是最终还是需要去验证,否则也就不叫物理学了。物理学现在已经逼近了人类认知的极限,低处的果子都摘完了,高处的果子要摘,恐怕要付出非常大的代价。毕竟本宇宙的基本法则是“出来混,总要还的”。

最后,再做下总结。这个系列讲述时间跨度长达一百多年。在探索微观世界的征途之上,那是英雄豪杰辈出。整理资料的时候,总是有无数的人名字冒出来,得搞清楚他们到底是谁,名字太多了,有无数人为量子力学贡献了力量。相对论的发展则没有那么纷繁复杂,因为爱因斯坦一个大牛照耀着天空。讲述量子力学的发展过程的感受如同讲水泊梁山一百零八将一样,视野总是从一个人转换到另外一个人身上。讲的顺序上也尽量照顾到时间的先后,所以难免有点儿不够精炼,顺序杂乱。这算是本系列的一个大结局吧。



内容出自《科学史评话》吴京平老师,本文仅个人学习及娱乐之用



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