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正传:40.万物至理

1979年,这一年的诺贝尔奖最终颁发给了3个人。他们最重要的贡献是实现了弱电统一。我们知道电磁力和弱力长得实在是不太像啊。电磁力是个长程力,作用距离很远。而且电磁力是比较强的力量。可是弱力就不同了,弱力真是像名字描述的那样,非常微弱,而且作用距离很短。我们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。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。可是弱相互作用可就不那么贴近生活了。通常放射性物质的衰变,靠的就是弱相互作用。这两种作用相差太大了。它们几乎没有什么相似之处。

但是事情并没有那么简单。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与了证明。科学家们非常喜欢的对称,现在看来打破了。那么后来大家又提出了新的理论。宇称P不守恒。但是你把电荷共轭C考虑进去。这两个综合在一起,那是守恒的。这个电荷共轭C负责把粒子转换成反粒子。这也叫符合对称CP守恒。但是很快就出麻烦了。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,正物质到处都是,可是反物质却那么难搞。为什么我们的宇宙如此的不平衡。

早在1956年,施温格就开始考虑弱电统一的问题。看起来,弱了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是一个家族的成员。但是预计这两种玻色子都很重,光子却没有静态质量。看着怎么都不像是一家人啊。所以他的理论不太成功,有明显的缺陷。施温格就把这事儿交给了他的学生格拉肖。你要有兴趣,你去研究吧。他也没想到后来格拉肖因此拿诺贝尔奖啊。

格拉肖1958年发表论文认为弱电统一必须以杨-米尔斯规范场理论为基础。而且他在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,做了一个相关的学术报告。他在台上讲,底下有人听啊。听众里面有一位从巴基斯坦来的人叫萨拉姆,这个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。萨拉姆就被划分到了巴基斯坦。这个萨拉姆也在干跟格拉肖一样的事儿啊。他也是受了施温格的启发才干这事儿的。他正在为规范场的几个发散性问题而头痛。所谓发散就是算出了无穷大。物理学家一看见这东西就脑袋疼。所谓重正化,就是为了解决这个问题。所以萨拉姆一听说格拉肖搞定了,立马来了精神。后来他搞到了格拉肖的论文一看。这哪是搞定了呀,明明有错误嘛!这儿错了,还有哪儿也错了。闹得格拉肖弄了个大红脸。面子上实在是挂不住啊。那有什么办法啊,谁叫你错了呀。

格拉肖后来咬牙发狠,非要把这东西搞出来啊。过去不是有三个粒子是同一家族嘛,两种玻色子和光子。其实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叫B。这样才能消除那些该死的无穷大。这是一种全新的弱相互作用。不过他的想法大家并不认可。你怎么能随便往里加粒子啊。你还嫌不够麻烦啊。这种粒子有没有还两说着呢。再说你现在的理论也仍然是不可重正化的呀。格拉肖想综合量子电动力学和规范场两种理论。可是电磁作用宇称是守恒的。弱相互作用的宇称不守恒。这玩意儿你怎么能捏到一块去啊。格拉肖1961年又写了论文继续讨论弱电统一的问题。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的同学,两个人又一起考上了康奈尔大学,可以算是发小了。

温伯格介入弱电统一的问题不算早。大约是1965年到1967年介入的。他最大的贡献是把强相互作用的办法弄过来搞弱相互作用。弱相互作用和电磁作用就可以规范对称性的思想之下统一描述了。那么还有个麻烦啊,那就是为啥中间玻色子和光子的质量相差那么大呢。温伯格解释为这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。

光有理论不行啊,你还需要实验验证。弱电统一理论的神奇之处是预言了中性流。1973年在欧洲核子研究组织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,终于发现了3个这样的例子,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。他们对弱电统一做出了重要的贡献。这事儿还不算完啊。还有他们预言的那几个粒子还没找到呢。当时的加速器能量都不够用。那没办法啊,升级改造吧。要少花钱多办事儿才行啊。要是等着建造新的大型对撞机,那不是黄花菜都凉了。有条件要上,没有条件创造条件也要上。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的对撞机。后来又经过一年多的努力,使亮度提高了一百多倍。从14000次碰撞中,找到5次产生了W粒子。这东西产生一次很不容易。能量为81±5GeV,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关于发现W粒子的消息。这年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。你看弱电统一理论这就拿了两个奖了。

弱电统一理论是个重要的理论,因为他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干的那么漂亮。但这也很难得了。在这个基础上,大家慢慢的搭建起了一套标准模型框架。强力、弱力、电磁力。都可以得到解释。

希格斯玻色子呢,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可算都找到了。希格斯老头子在垂垂老矣,终于在有生之年拿下诺贝尔物理学奖。不过也有让标准模型吃瘪的时候。按理说中微子是不应该有质量的。标准模型算出来就应该是这样。可是日本的日本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的变身。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,但是并不为零。标准模型不得不打补丁解决问题啊。 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。但是有很多科学家认为标准模型长得太难看了。为了解释三种粒子的行为,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过简单粗暴。就好比把羊驼、黄花鱼和小强拿胶水粘在一起就说这是大自然的杰作。但是,你不服不行啊,人家就是好使啊。所以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。所谓的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。这可太难了。现有的大统一理论还有种种的缺陷,都还有各种各样的问题。比如说,有不少理论都预言,质子是会衰变的。背后的理由是重子数不守恒。要是重子数守恒,那么就没办法解释为啥现在正物质这么多,反物质根本看不到的现象。可是质子衰变谁都没观察到。好像质子的寿命是寿与天齐。还有一个预言是应该存在磁单极子。但是现在也没任何人观察到这个迹象。

比大统一理论更进一步的理论叫做万有理论。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。这就更难了。当年爱因斯坦就曾经想搞出万有理论。当然啦,他只考虑电磁力和引力,这两者就难以统一。他后半辈子也没搞定。他号召物理学家把电磁场几何化。就像他对引力做的那样。他把引力解释为空间弯曲。这是一种几何效应。电磁场能不能几何化呢?还真有人响应他的号召。数学家外尔就响应他的号召投身研究。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,电磁力和引力没法统一。但是我们加个维度。好像就把这两个都给塞进去了。你看不是很不错嘛!爱因斯坦也高兴啊。不就以后,玻尔的助手克莱因又在这个基础上更近了一步。我们为啥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。其实在加入几个维度,麦克斯韦场就会变成杨米尔斯场。克莱因的思想没有被发展下去。这是二战给闹的。

爱因斯坦的广义相对论是建立在黎曼几何的基础之上啊。但是你也不能仅仅停留在黎曼几何的阶段。总要研究点儿“后黎曼”时代的几何学吧。爱因斯坦就向数学家们发出呼吁。现在数学工具不够用了。打家想法子解决问题啊。好多数学家开始研究“联系理论”。包含“扭转”、“扭曲空间”之类的数学理论。不过这些东西一时半会儿是用不上的。

大家还记得爱因斯坦伸舌头的那张照片吧。那是爱因斯坦晚年的照片了。爱因斯坦基本上是个老顽童的架势。有一个娃娃更出生,他叫威腾。他父亲是研究广义相对论的教授。威腾可以说是书香门第出生。他大学毕业以后,帮助民主党的总统候选人麦戈文竞选工作了一段时间。但是麦戈文败给了中国人民的老朋友理查德尼克松。


威腾觉得,自己还是干物理算了。政治不适合自己。他杀向了物理学。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。21岁进了普林斯顿的研究生院。29岁就当普林斯顿的教授了。1984年11月,威腾做了个报告。这个报告超级火爆。后来人们回忆当时的场景,被称为“第一次超弦风暴”。然后超弦理论就红火了好一阵子。到了90年代。弦理论开始降温了。但是威腾获得了菲尔茨奖。这个奖项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是极其罕见的。

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儿来的。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。但是这个理论的缺陷也极其明显。那就是没办法做实验。除非再来一次宇宙大爆炸。要不你就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儿。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。不喜欢弦理论的人也很多。格拉肖就不喜欢弦理论。他曾经阻止哈佛聘用弦理论专家,结果没能拦住。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。

超弦仍然是万有理论的一个候选者。它也非常的迷人。但是终究需要去验证。否者也就不叫物理学了。物理学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,恐怕要付出比较大的代价。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。我这个系列,讲述时间跨度长达一百多年。探索微观世界的征途之上,英雄豪杰辈出。我整理资料,总是有无数的人名字冒出来。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。爱因斯坦一个大牛照耀着天空。我讲述量子力学的发展过程的感受如同讲水泊梁山一百单八将一样,视野总是从一个人转换到另外一个人身上。顺序上也尽量照顾到时间的先后。难免有点儿不够精炼,顺序杂乱。量子论有很多人抱怨听不懂,但是还是坚持跟着听。我也很感动。这是我能力有限,学识不够。望大家见谅。今天算是本系列的一个大结局吧。


下一个系列呢,我准备讲点儿不那么烧脑的题材。咱们讲讲进化论的历史。我们以前讲的物理学,都是研究的比较单纯的现象。生物学可不一样,生物学是一个非常复杂的世界。人类是怎么睁开慧眼,看透这个大千世界的。我将开辟一个新的系列《物种起源》,欢迎大家收听,到时候不见不散。最后,我还是要感谢大家的支持与关注。我们一起了解科学,爱上科学。


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