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模型缔造者温伯格,带着未见新物理的遗憾走了

当地时间2021年7月23日,当代最杰出的物理学家之一史蒂文·温伯格(Steven Weinberg)逝世,享年88岁。温伯格因提出了电弱统一理论而获得了1979年诺贝尔物理学奖。以此为基础,基础物理学被彻底改变了。在一次理论物理学家的聚会上,同事称他是模型缔造者(model builder),而温伯格只谦虚地表示,“在我的一生中,我只构建了一个模型”。在许多人看来,温伯格最伟大的遗产是他对物理学领域的卓越远见,他能把复杂的理论以全新的方式重构并解释,其睿智且独特的思想以及丰富的著作影响了几代物理学者,并将持续给予后来者灵感。
 
本文是2017年《欧洲核子研究中心信报》(Cern Courier)对温伯格的采访之作。温伯格谈到了关于轻子模型的思想来源与细节,并总结了在希格斯玻色子发现后粒子物理学的现状,未来又该向何处发展。对于物理学的发展,温伯格也进行了深刻的反思,以及为什么他能预见一个成功的理论。这些观点仍极具启发意义。在文章中,温伯格表达了自己计划死后再退休,他做到了。当然,还带着一些遗憾。
 
谨以此文纪念物理学大师温伯格。
史蒂文· 温伯格 拍摄于2017 年 9 月下旬得克萨斯大学奥斯汀分校。丨来源:Matt Valentine
 
撰文 | Matt Valentine
 
编译 | 刘航
 
In my life, I have built only one model.
 
——温伯格
 
温伯格34岁时发表了他最著名的文章“Model of Leptons”(轻子模型),这是粒子物理学史上具有划时代意义的一篇文章,它催生了电弱标准模型的诞生,还意外地激发了科学界有史以来最大的几个实验项目。为了撞出并观测到温伯格预言的W粒子、Z粒子及希格斯玻色子,科学家在数十年间花费了数十亿瑞士法郎,相继建造了四个工程:欧洲核子研究中心气泡室(Gargamelle,主要任务是侦测中微子),超级质子同步加速器(SPS),大型正负电子对撞机(LEP),以及大型强子对撞机(LHC)。这也直接定义了欧洲核子研究中心的主要研究计划,至少四十年来使实验物理学家有了用武之地。对于验证理论来说这也很不错,正如温伯格当时写的那样,“有太多的任意特征(参数),预测需要非常认真地对待”。
 
毋庸置疑,温伯格很乐意见证标准模型(Standard Model)几十年来的成功。“我的意思是,这就是作为一个理论物理学家持续前进的原因,希望看到自己‘寥寥几笔’就能成功描述现实世界。”温伯格说,“即使证明总体思路是正确的,但这个特定的模型并不能描述自然,对此我也不会觉得非常惊讶或者非常懊恼。”
 
今天,距他1967年开创性观点提出50年后,温伯格抗议自己已退休的说法。他冷冷地说,美国有法律反对年龄歧视,“我告诉这里的人,我计划死后再退休。”温伯格目前在得克萨斯大学奥斯汀分校教授天体物理学课程,这里是他35年来的研究基地。温伯格现在还有两本著作和一篇新的宇宙学论文正在筹备中。9月,温伯格在家中接受了《欧洲核子研究中心信报》(Cern Courier)的电话采访,他总结了希格斯玻色子发现后高能物理学的状况,以及新物理的最大希望所在。
 
他首先讲述了导致他在1967年做出了开创性工作的思考过程——其中许多想法都是在儿童游乐场里产生的。
 
公园长椅上的思考
 
“那是我人生中一个复杂的时期,因为我们家从伯克利搬到了剑桥,而我的妻子正在哈佛大学攻读法律学位。我有责任照顾我们四岁的女儿,包括送她去幼儿园,我的很多思考都是坐在公园的长椅上看女儿玩耍时完成的。”温伯格回忆道。
 
一开始他并没有打算统一不同的力。他将自己关于对称性的想法,特别是SU(2)×SU(2)的结构应用于强相互作用,这意味着ρ介子将是无质量的——与实验结果相反。“当我想到无质量的ρ介子可能是光子时,我很自然地认为,如果对这个规范理论的其他部分做适当修改,那它就可以作为描述弱相互作用的理论。”一旦意识到自己在做什么,温伯格工作进行得很快。“你取左手电子加上中微子双线型和右手电子,问最普遍的可能的对称群是什么,结果是SU(2)×U(1)×U(1)。然后你扔掉一个 U(1) ,因为如果这是一个好的规范对称性,电子之间就会产生你没有观察到的长程力。所以你几乎不可避免地会被引导到 SU(2)×U(1)。事实上,我起初并不知道,格拉肖 (Sheldon Glashow)、萨拉姆 (Abdus Salam) 和沃德 (John Clive Ward) 更早之前就以不同的方式使用了同样的群。”
 
论文在提交后的一个月内, 于11月20日悄然发表在《物理评论快报》上。温伯格不记得他在出版前做过什么演讲,只是在当年索尔维会议中一次附加评论中提到了几句(参见[1]),但并没有引起关注。
温伯格最著名的文章A Model of Leptons只有三页丨图源:参考资料[2]
 
从很多方面来说,这篇论文都与温伯格以往的风格不同。温伯格说,他更倾向于写概括性的论文,而不必过多担心它们在真实世界的具体实现,但这篇论文他写得更加具体。“当然,实验者不会测试一个大概的想法,所以当他们证明我的理论是正确的时我很高兴。在观测到中性流10年后,他们又在 CERN 直接发现了 W粒子和Z粒子,并在 LEP(大型正负电子对撞机)和 SLAC (斯坦福直线加速器中心)进行了详细测量。”
 
不过,最让他兴奋的并不是轻子模型。自从在普林斯顿大学毕业后,温伯格就一直着迷于研究在对称性原理下,为物理理论提供演绎基础的可能性,尤其是考虑可重整性。“光有对称性本身是不够的。例如,在电磁学中,如果你写下我们知道的所有对称性,比如洛伦兹不变性和规范不变性,你很难得到唯一的理论来预测电子磁矩。唯一的方法是添加可重整性原理——这种方法使理论高度简化,并能排除会改变电子磁矩的附加项,这些附加项会改变施温格(Julian Schwinger)在1948年计算的值。(施温格原始论文见参考资料[3])。
 
可重整性是将量子场论与现实联系起来的技术,它提供了一种科学合理的方法来处理计算中出现的无穷大。然而,当温伯格的论文发表时,他并不知道他的理论是否可重整化的。温伯格认为,这可能就是当时没有人注意到它的原因, “请记住:当我们谈论可重整性时,它不仅仅是理论家为了摆脱无穷大所做的事情。它是一种标准,是你在理论物理学中寻找的那种标准,它界定了理论中的某种简化,否则你的理论就是任意的。我们正在讨论是否可以有一个弱相互作用理论,我们可以在其中完成超出微扰理论最低阶的计算。”温伯格强烈怀疑他的理论可能就是这样的理论,因为在考虑自发对称性破缺之前,它与量子电动力学(QED)具有相同的形式,并且已经证明了非自发破缺的杨—米尔斯理论是可重整化的。“萨拉姆和我并不确定,但我们认为自发对称性破缺不会影响重整性,因为如果在非常高的能量时(远大于W粒子或Z粒子质量),对称性破缺的事实不再重要。” 如果他认为这个模型不是可重整化的,他可能不会发表, “发出勘误的可能性太大了!”
 
1971年,随着特· 胡夫特(Gerard ’t Hooft)和维特曼(Martinus Veltman)的重大突破——证明该理论是可重整化的,温伯格开始意识到他的论文会炙手可热,尽管他的特定轻子模型是否正确仍然是一个有待实验检验的问题 。同年,温伯格还尝试将自己的想法扩展到包含夸克模型的强相互作用,当时物理学家对此模型几乎没有信心。直至1973年,格罗斯(David Gross)、威尔切克(Frank Wilczek )和波利策(Hugh Politzer) 发现一些规范理论具有渐近自由的性质,以及随后量子色动力学(QCD)的发展,夸克的概念及性质才变得清晰起来。在量子色动力学方面,温伯格、格罗斯和威尔切克提出不可能分离出带色(colour)的夸克或胶子。
 
“你知道这很有趣,当人们回顾1970年代的那些年,会认为那是20世纪和平时期最悲惨的几年。至少在美国如此,因为失业率很高,还有通货膨胀。”他沉思道, “但对我们物理学家来说,那是一段美好的时光:一切都聚集在一起,实验家和理论家会以多种方式相互交谈。而这在今天很难实现。”
图源:Matt Valentine
 
希格斯梦魇
 
5年前(2012年),欧洲核子研究中心的ATLAS和CMS实验发现了希格斯玻色子,这是温伯格模型的顶点。在那之前,没有人确切知道电弱对称性如何被破坏以赋予基本粒子质量——希格斯机制仍然可能是正确的,但它不涉及希格斯玻色子。或者“希格斯(粒子)”是一种新的被强相互作用束缚的复合粒子,导致对称性的动态破坏。温伯格和萨斯坎德(Leonard Susskind)在1979年提出过一个这样的模型,被称为艺彩理论(Technicolor theory)。事实上早在 1967 年,温伯格就采用了最简单的可能性:标量双线型。他推断,这是唯一一种不仅可以赋予 W 和 Z 粒子质量而且还可以赋予电子质量的基本场,并且它会导致一个没有被希格斯机制消除的剩余标量粒子存在,也就是现在所称的希格斯玻色子。“希格斯玻色子的发现非常重要,因为它证实了对称性自发破缺早期非常简单的图像。那时我们不可能知道这是否正确,因为还有其他选择。”温伯格说。
 
那么温伯格 1967 年的论文也预测了希格斯玻色子吗?“这要看怎么说,正如美国总统比尔· 克林顿所说,要看‘the’这个词意味着什么。”温伯格笑着说, “如果只是表示是希格斯玻色子这个概念,这些粒子在一般的对称性自发破缺规范理论的存在是由希格斯(Peter Higgs)等人预言的,如果包括非规范不变的理论,那么甚至更早戈德斯通(Jeffrey Goldstone)就提出了。但是,如果所说的是指发现了这个粒子,那么这就是我论文中所预测的。1967年轻子模型这篇文章,第一次预测了既能与轻子耦合,又能与夸克耦合,相应耦合强度与质量成正比的单个中性标量粒子。其他人的理论中也有标量粒子,但他们没有发展弱相互作用的理论,他们考虑的是几类具有未知特性的剩余标量的理论。”
 
温伯格认为,关于决定谁将分享 2013 年的诺贝尔奖,诺奖委员会做出了“出色的工作”〔最后授予弗朗索瓦·恩格勒特(François Englert)和彼得·希格斯〕。“这不是给预测出希格斯玻色子的奖项,而是授予发现希格斯机制这一理论的奖。这是完全正确的,因为那是他们在1964年发表的论文中提出的。我在1967年重新发现了它,因为我正在研究强相互作用中的 SU(2)×SU(2) 规范理论的对称性自发破缺,功劳并不归功于我,它们已经在文献中出现三年了。真正的希格斯玻色子的发现,我认为是一项实验上的成就。”
 
2012年7月4日,希格斯玻色子宣布被发现,与许多粒子物理学家不同,温伯格不记得听到这个消息时他在做什么。他可以肯定的是,粒子物理学正在进入他几年前描述的“噩梦场景”,即发现了标准模型的希格斯玻色子,除此之外什么也没有。温伯格表示,我们已经陷入了一个相当不幸的境地,因为标准模型描述了所有可以通过实验观测的物理,除了像引力和中微子质量这种超出标准模型之外的事物。“这不是任何人的错,也不是智力上的失败。这只是我们遇到的问题。”现在的主流理论认为,目前LHC探测的能量下存在超出标准模型的物理,温伯格对此不抱太大希望。比如,存在新的重粒子以抵消希格斯质量的量子贡献,这将导致它急剧增长到无穷大。温伯格承认,基本希格斯标量存在这一事实使“等级问题(hierarchy problem)”变得更加困难,但他也指出,我们已经忍受了这个问题 40 年了。到目前为止,LHC 还没有找到超出标准模型的证据,包括最流行的保护希格斯粒子免受额外质量的解决方案:超对称 (SUSY)。“更糟糕的是,没有完全令人满意的超对称模型。每个 SUSY 模型都有一些麻烦的东西。”温伯格说道。
 
温伯格认为,我们必须找到其他更好的解释。宇宙中其他一些不可思议的精细参数,比如真空能量或宇宙常数,也需要更好的解释,或者干脆放弃传统的解释。
 
“没有人能给出一个合理的建议,剩下那些则跟‘人’有关,简直令人绝望。比如有一个多元宇宙,偶尔会出现真空能量很小的子宇宙,只有在这些宇宙中星系可以形成。人们对希格斯质量和夸克质量的等级问题提出了类似的人择论证。”温伯格说,他自己在 1980 年代就使用人择原理正确估计了宇宙常数的近似值,这比通过观测遥远超新星的(红移)速度来推断宇宙常数还早了10年。他承认,这是一种令人沮丧的解决方案。“但正如我说过的,我们对自然法则施加了很多条件,比如逻辑一致性。但其实我们没有权利施加这样的条件,自然法则并不是为了让我们快乐而运行的!”
 
温伯格今天对这一领域的看法与他在1979年发表诺贝尔奖演讲时的看法几乎一样。他说唯一的区别在于弦理论,但弦理论还没有成为一个可能的万有理论。“除此之外,我说过关于超出标准模型之外的未来,很不幸还没有一个明确的想法可以突破它。”温伯格谈道,20年前人们从对中微子振荡的观测中推断并发现了中微子有质量,但这也没有威胁到标准模型。恰恰相反,中微子质量是我们所期望的。
 
中微子与新物理
 
到1979年底温伯格获得诺贝尔奖时,他对场论已经有了更细致入微的解释,并发表了一篇题为“唯象学的拉格朗日量(Phenomenological Largrangians)”的论文。以施温格等人的工作为基础,温伯格将标准模型表述为“有效”场论中的领头阶,而这仅仅是我们尚未发现的更深层微观理论的低能量表现。在这种更现代的观点中,场论不必非得是可重整的,也能在逻辑上保持一致性。除了可重整的项之外,还可以包含大量不可重整的项,这些项被一些非常大的质量(对应于真正理论适用的能级)的负幂次抑制。
 
对于中微子来说,将标准模型视为有效场理论具有重大意义。虽然简单地将中微子质量插入理论中会违反SU(2)×U(1)对称,但温伯格意识到轻子和希格斯双重态之间的相互作用可以避免这种情况。至关重要的是,由于相互作用是不可重整的,它被一个非常大的质量分母所抑制——这解释了中微子质量的存在以及为什么它们如此微小,并产生了更一般的被称为跷跷板机制的理论。
 
温伯格说:“从某种意义上说,它是超出了标准模型的。但我更愿意说,它超出了领头阶——标准模型中可重整的、不受抑制的部分。”温伯格说,“而引力也是!广义相对论的对称性不允许自旋为2的无质量粒子——引力子——的任何可重整的相互作用的存在。我们知道引力,尽管它被非常强烈地抑制了,只是因为它的加法的特性: 地球的每个原子都在吸引下落的物体,总是朝着同一个方向拉。如果不是因为这个事实,我们不会从实验中知道它的存在,更不会在大型强子对撞机的实验中。”当然,中微子在1979年仍然被认为是无质量的。温伯格并不认为自己预测了中微子的质量,但他认为这是正确的解释。他说更重要的是,产生中微子质量的不可重整的相互作用,可能还伴随着产生质子衰变的不可重整的相互作用和其他尚未观察到的事情,例如违反重子数守恒。“我们对这些项的细节一无所知,但我发誓它们就在那里。”
 
至于什么是真正的基本粒子高能理论,温伯格表示弦理论仍然是我们最大的希望。“我很高兴人们正在研究弦理论并试图进一步探索它,尽管我注意到像威腾(Edward Witten)这样的聪明人最近似乎已经将注意力转向了固体物理学。也许这是他们放弃的迹象,但我希望不是。” 温伯格本人在1980年代后期进行过弦理论的研究,写了几篇“极度不重要”的论文,然后他决定不将自己的职业生涯都投入在此。正如他 1992 年出版的《最终理论之梦》(Dreams of a Final Theory) 以及更早的诺贝尔演讲中所记录的那样,他对自然的终极微观理论有自己的直觉,植根于所谓“渐近安全(asymptotic safety)”的想法。温伯格还希望有一天某个默默无闻的研究生在 arXiv 预印本上发表的一篇颠覆标准模型的论文——一种 21 世纪的粒子模型,“它结合了暗物质和暗能量,用以前没有人想到的想法,而且具有成为正确理论的所有标志”。
 
在那一天到来之前,粒子物理学家只能满足于在大型强子对撞机中搜索TeV能级的新粒子,并让标准模型接受越来越精确的测试——不仅在LHC上,也在其他大型实验上。未来几年,该领域还面临着一个关键的决定,即下一个大型对撞机实验应该是什么?一个直线或环形的正负电子对撞机;或是一个能量更高的强子对撞机?在目前提出的计划中,实验目标基本都包括精确测量希格斯玻色子。
 
未来的方向
 
温伯格说,对接下来应该建造什么样的大装置,他没有具体的指导性意见。“一方面,这取决于实验家实际上可以完成什么,而我无法做出判断。这也取决于新物理到底是什么,我也无法做出判断!如果我有一个关于超出标准模型的新物理的具体建议,那么它可能会告诉我们应该朝哪个方向发展,但目前我还没有发现任何理论具有足够的吸引力。” 虽然温伯格想看到希格斯粒子——发现的第一个标量粒子——的更详细地观测,但他担心这只会证实希格斯机制最简单的绘景。“因为如果你坚持可重整的理论,你必然会得到这样的结果。而且我认为这样做是正确的,原因我在1979年就想明白了。”
图源:Matt Valentine
 
看到CERN在LHC上持续进行实验,而美国正在进行中微子振荡实验,温伯格感到很高兴,“放弃了建造超导超级对撞机(SSC)后,似乎这就是美国风格。”他认为另一个应该大力推进的课题是寻找地球上的重子不守恒现象 (即质子衰变),他说目前最有希望取得进展的领域是天文学。毕竟,没有天文学的观测我们无法想象暗物质和暗能量的存在,而且这一实验领域仍然成果丰富——最近发现的引力波就是证明。“天哪,这是最令人兴奋的事情——研究引力辐射不仅是为了它本身,而是开辟了整个天文学领域。” 温伯格最近工作的主题是宇宙学以及量子力学的基本问题,他目前正在与同事拉斐尔·福劳格拉 (Raphael Flaugera) 合作一篇论文,研究来自远距离源的引力波对星系间介质的影响。
 
对物理的反思
 
毫无疑问,温伯格1967年的论文改变了游戏规则,那他本人认为这是他对物理学最重要的贡献吗?“哦,我不知道。我不喜欢赞美我自己的论文。1967年的论文是几十年进展的一部分。关注对称性,尤其是对称性破缺,可以追溯到 1960 年代初期,至少在我与戈德斯通和萨拉姆的论文中提出了无质量戈德斯通玻色子的问题,之后希格斯等人告诉我们如何避免它们。我猜我的论文是这个方向的一篇关键论文,但那十年来我一直在研究强相互作用背景下的对称性破缺。然后是有效理论的发展,与其说这是一种理论,不如说是一种观点。” 温伯格最看重的东西并没有体现在任何一篇论文中,当然也没有体现在任何一个模型中:它是关于改变物理学家们的观点。
 
“我很珍视1967年的那篇论文,因为它表明了需要寻找一种基于对称性自发破缺的可重整化的理论,而刚好它最终被证明是正确的模型! ”温伯格从一开始就知道他的轻子模型是那种看起来就正确的理论,但他解释说,并不是有某种智慧才能预见这种正确,而是需要很长一段时间的思考。温伯格举了一个有趣的例子——辨认鸡的公母——来解释这个过程。他说在家禽养殖业,能够确定新生雏鸡的性别是很重要的:有一所学校里面教“鸡性别学”,会提供给学生雏鸡,然后询问他们是公是母。如果猜错了,他们就会受到一些惩罚;要是猜对了,则会获得一些奖励。重复这个过程数百次后,人们就能猜对了。“就像按照学过的方法去辨别鸡的性别,科学不是某一个科学家的经验,而是从古至今整个科学界逐步验证得出的,他们告诉我们哪些理论是优美且正确的,我们也就可能会知道哪些理论是正确的。”
 
当被问及如果可以选择,他希望在有生之年解开什么谜团时,温伯格无需多想:他希望能够解释观测到的夸克和轻子质量的模式。1972年夏天,当标准模型基本形成时,他给自己设定了一个任务——弄清夸克和轻子的质量问题,但完全没有头绪。“那是我一生中最糟糕的夏天!我的意思是,显然有更广泛的问题,例如为什么是这样的而不是什么都没有?但如果你问一个非常具体的问题,就很难回答了。我现在也没有比 1972 年夏天更接近这个问题的答案。”温伯格回忆说,我们仍然可以听出他的恼怒。他也不希望带着不知道暗物质是什么的遗憾离去。温伯格表示,总是有各种各样的挫折, “可是,怎么可能一帆风顺呢?我很享受我正在做的事情,而且我身体还不错,我还有几年的时间。2024 年4月这里会有日全食,我很期待看到。”
 
距他的著作《最初的三分钟》(The First Three Minutes)发表已有40年了,这本书已被翻译成22种语言,至今他还会收到版税支票。温伯格打算继续写作,他与剑桥大学出版社签订了一份合同,将根据他目前的教学工作出版一本名为Lectures on Astrophysics (《天体物理学讲义》)的新书(已于2019年出版)。他还将与哈佛大学出版社合作出版第三本热门论文集,第四本也在日程上了。
 
最后三分钟
 
从他在康奈尔大学的本科时代,在普林斯顿的研究生学习,以及随后在哥伦比亚、伯克利、哈佛、麻省理工学院和得克萨斯州的职位,史蒂文· 温伯格的职业生涯是任何一位物理学家都向往的。他的名字将永远与我们对宇宙的基本理解联系在一起,你会觉得这一切都不像通常意义上的“工作”。“物理学这项事业,除了你在物理领域的日常工作之外,它让我有机会认识很多有趣的人,并以同事的身份而不是游客的身份访问不同的国家。与物理学同行交流,然后在共同理解的基础上撰写论文,超越了国界,这是多么令人兴奋的事。我太喜欢这样了。” 但这并不是说他有许多合作工作——与“轻子模型”一样,他350 篇左右的论文中的大部分都是“一个人的工作”。
 
温伯格并不是大家刻板印象中那种把自己锁起来沉迷于工作的天才。他最好的想法从不是在他工作的时候想出的。他回忆说,有一天他洗完澡出来,对妻子大声说,他弄明白了宇宙常数为什么这么小的原因(那是在他开始思考关于人择解释之前)。“然后第二天我就知道了,用低沉的声音说,‘错了’!所以,人总是会有很多想法,但大多数都不好。偶尔你会发现一个不错的想法,在办公桌前就会工作得很开心。获得好的想法不是通过努力,而是要去大量思考困扰你的问题。但这也不总是奏效——想想我1972年那个被毁掉的夏天吧!”
 
温伯格从不在办公室工作。他的研究工作总是在家里完成。在走廊尽头,他和妻子各有一间办公室,两人经常互相打扰。“我没那么沉迷工作。我的办公桌上有一台电视机,工作时一直开着,通常是放一部老电影,因为我发现理论物理方面的工作与日常事务相去甚远。” 这不会分散注意力吗?“但我需要分心才能留在办公桌前,因为实际的工作……是如此的‘非人类’。研究物理的时候,我需要感觉到我仍然是人类的一部分。”
 
参考资料及注释
 
[1] https://cerncourier.com/a/birth-of-a-symmetry/
 
[2] https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.19.1264
 
[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Steven_Weinberg
 
[4] https://journals.aps.org/pr/abstract/10.1103/PhysRev.73.416
 
[5] https://cerncourier.com/a/steven-weinberg-1933-2021/
 
本文译自 Model physicist https://cerncourier.com/a/model-physicist/



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