誰統一了兩種基本力?

2021-02-09 原理


在自然界中，已知的四種基本力分別是：電磁力、弱力、強力和引力。

在生活中，引力和電磁力的作用隨處可見。無論是蘋果落地，還是吸附在冰箱上的磁鐵，都是它們在發揮著作用。相比而言，弱力和強力也許沒有那麼為人熟知，這兩種力都是短程力，不像電磁力和引力有無限大的作用範圍。弱力支配了粒子的衰變，在太陽的核聚變反應中扮演著重要的角色；強力則將構成質子的夸克緊緊地束縛在一起。

在量子理論的語言中，電磁力和弱力，以及強力，都是由一種被稱為規範玻色子的粒子所傳遞的。無質量的光子負責傳遞電磁力，大質量的W和Z玻色子則負責傳遞弱力，強力則是由膠子傳遞。引力則完全不同，它是由愛因斯坦的廣義相對論所描述。幾十年來，一些理論家一直致力於尋找引力的量子描述，並提出了傳遞引力的假想粒子——引力子。

物理學家追求的是統一：將過去認為完全不同的現象統一在一起。

19世紀60年代，物理學家麥克斯韋實現了一次卓越的統一。在他的書寫方程組中，為我們展示了看似不同的電力和磁力，實際上是同一種力，即電磁力的兩面。

100多年後的1967年，溫伯格（Steven Weinberg）在物理評論快報上發表了一篇革命性的論文：《輕子模型》。在這篇僅有兩頁半的論文中（包括致謝和參考文獻），溫伯格優雅而簡潔地書寫了宇宙中最深層次的奧秘。

溫伯格首次證明了自發規範對稱性破缺的概念可被應用於弱力。對稱性破缺是指那些看似毫無關係的現象實際上是一種潛在統一的表現，當超過一個臨界點時，就會「破缺」成為一種非對稱狀態。溫伯格的理論統一了弱力和電磁力，這兩種基本力實際上是電弱力的不同表現。

目前的一種被普遍接受的說法是：在宇宙大爆炸後的一秒之內，「電弱」對稱性就被打破，在那之後，電弱力才分裂成了電磁力和弱力。

 1967年11月20日，溫伯格在物理評論快報上發表了《輕子模型》，圖示為論文首頁。這篇論文是粒子物理學領域被引用最多的論文之一（已經超過了12000次），如今該論文每周至少會被引用三次。

在溫伯格的論文發表之前，他曾在布魯塞爾的索爾維會議上提及這個理論。但是與會者只有少數人產生了興趣。甚至連溫伯格本人都認為這個理論是不完備的。其中一個缺失的元素是要證明這個理論是可重整化的，換句話說，計算中出現的無窮大時可以被消除的（1971年，傑拉德·特·霍夫特等人提供了證明）。

溫伯格不僅預測了傳遞弱力的W和Z玻色子的質量，還預測了與賦予基本粒子質量的希格斯場有關的希格斯玻色子的性質，同時他也預測了弱相互作用的中性流的存在。

1973年，實驗中發現了第一個中性流相互作用的證據。到了1976年，《輕子模型》就已經成為世界上被引用次數最多的高能物理論文。1979年，溫伯格與獨立提出相似想法的阿卜杜勒·薩拉姆（Abdus Salam）和謝爾登‧格拉肖（Sheldon Glashow）共享了諾貝爾物理學獎。

但故事並沒有結束。1983年，歐洲核子研究中心（CERN）成功探測到了W和Z玻色子的存在。2012年，CERN的大型強子對撞機發現了希格斯玻色子。溫伯格的預測全部得到了證實。

溫伯格的電弱統一理論成為了粒子物理學標準模型的第一個支柱。此外，在中性流被發現的那一年，出現了一種解釋強力的理論，叫做量子色動力學。這兩個理論構建了標準模型。

 標準模型描述基本粒子和它們之間的相互作用。

標準模型是一個描述了構成宇宙的所有已知基本粒子和基本力（除引力之外）的框架。在物理學家眼中，標準模型有著極為崇高的地位，因為它為複雜的世界提供了簡潔的秩序，是物理學家目前對宇宙提煉出的精髓，也是探索和發現的工具。無疑，標準模型是迄今為止最成功的理論之一。

在此後漫長的幾十年科研生涯中，溫伯格繼續在量子場論、基本粒子物理學和宇宙學方面做出研究，並提出了許多最深刻的見解。近年來，溫伯格也在重新思考量子力學一些最基本的問題。

一直以來，溫伯格都在試圖尋找一個「終極理論」，他希望找到一個能夠解釋所有力（包括引力）和粒子的終極理論。溫伯格在2018年的一次採訪中曾表示：「這樣一個基本理論似乎比以往任何時候都要遙遠，因為有跡象表明，要看到它所需要的能量超過了我們力所能及的範圍。可惜的是，加速器實驗還沒有揭示出任何超越標準模型的東西，除了中微子的質量。」

 目前試圖統一基本相互作用的理論。

9月10日，科學突破獎宣布將2021年度的基礎物理學特別突破獎授予了溫伯格，以表彰他在基礎物理學領域持續發揮著領導作用，在粒子物理學、引力和宇宙學領域所產生的深遠影響，以及他在科學普及上所作出的傑出貢獻。霍金和脈衝星發現者伯奈爾都曾榮獲該獎。

 溫伯格撰寫了許多著作，教科書包括《量子場論》、《宇宙學》等，科普書包括《最初三分鐘》、《終極理論之夢》等。

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.19.1264?utm_source=article-collection&utm_medium=web&utm_campaign=1967https://breakthroughprize.org/News/61https://cns.utexas.edu/news/steven-weinberghttps://physics.aps.org/articles/v11/134

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