11月7日，2020騰訊科學WE大會正式舉行。7位全球頂尖科學家突破疫情阻隔，與公眾分享了量子科技、腦機接口、地外生命、人造皮膚等領域的突破性進展。
小WE姐近期已陸續放出嘉賓的原聲雙語字幕版視頻和演講全文，今天為最後一期，感謝大家關注！點擊下方可回顧已推送內容：
Steven Weinberg教授的演講主題是「基本粒子標準模型」。標準模型一舉統一了除引力外的其他三種基本力（電磁力、強相互作用力和弱相互作用力），很好地描述解釋了基本粒子的特性和相互作用。作為標準模型的主要奠基人之一，Weinberg將在演講中詳細介紹該理論如何建立、發展，以及留給下一代物理學家的謎題——
我是史蒂文•溫伯格，美國德州大學奧斯汀分校物理學和天文學教授。今天我想說一說基本粒子標準模型，包括什麼是標準模型？我們如何建立了這一模型？我們為什麼認為這個模型不完美？以及未來的希望在哪兒？
在我讀研究生的上世紀50年代，理論物理取得了巨大的成就。比如量子電動力學理論的發展，這是一種光的量子理論，講的是電磁場和電子的相互作用。經過十多年的研究，理論物理學家發現了如何在這個理論下進行計算，並由此計算出了小數點後很多位的預測性結果，而這些計算結果後來也被實驗證實了。
實際上，理論和實驗之間的吻合程度已經到達了最大，比如對電子磁場強度的計算。基於這一成果，我們希望能夠對已知的自然界其它基本作用力的研究上也取得類似的突破，比如量子電動力學中提到的電磁力之外的作用力。
我們知道有一些強大的作用力讓中子和質子結合形成原子核，原子核的直徑比原子要小10萬倍，而核反應釋放的一部分能量也源於這些強大的作用力。我們也都知道弱相互作用（是自然界基本作用力之一），弱相互作用發生得很慢。但會導致原子核衰變，衰變時一個中子會衰變成一個質子，並且放射出一個電子和一個中微子。
這些作用力的存在就帶來了問題，因為量子電動力學並沒有對這些作用力做出解釋，但我們希望能建立一種類似的理論來解釋這些作用力。我們在上世紀六七十年代開展了相關研究，並給出了一個理論，也就是大家所知的（基本粒子）標準模型。
標準模型將強弱原子力和電磁力包含在了一套公式中。除了我們已知的電磁場，自然界還存在其它11種場。我們已知的大多數自然界基本作用力都與這12種場有關，只有一個特例，我稍後會說到。除了電子，物質還包含其它多種粒子，比如和電子類似但質量更大的帶電粒子。比如和電子類似但表現為電中性的粒子，也就是中微子。再比如組成中子和質子的，參與強作用力的粒子，也就是夸克。一個中子或質子由三個不同類型的夸克組成，關於夸克和電子與中微子等帶電粒子，以及12種力場的理論與量子電動力學理論非常類似。如果你不知道有多少種力場和多少種構成物質的粒子，你就很可能分不清這些理論。
那麼是什麼讓我們在上世紀50年代開啟相關研究時沒有將其簡單化處理？主要是我們在理解上遇到了困難，難點之一就是所謂的對稱破缺。相比於針對實際現象的計算公式，標準模型的公式看起來大大簡化了。
我們需要一些跟蹤來證明這一點，還有一種叫做color trapping的現象。夸克也有和電荷量類似的量子數代名詞，我們稱作「色」（「色」量子數是物質世界的一個基本特徵）。這名字聽起來一般，但我們就是這麼叫的。「色」荷與電荷的區別在於如果我們把兩個帶電粒子拉開，即使它們之間相互吸引，但吸引力會隨著距離增大而減弱，也就是說吸引力與距離成反比。但在拉開兩個夸克時，吸引力會隨著距離變大而增強，所以我們永遠也無法分開兩個夸克。到目前我們的探測器還從沒看到過單獨存在的一個夸克，它們是無法單獨分開的。
我們相信這些觀點是因為我們認同基於這些觀點的理論，理論指出每個中子或質子都是由三個夸克組成的，這是成立的，因此我們就認為夸克是真實存在的。而對於標準模型來說，理解了對稱破缺和color trapping等問題，並解決了這些難點後，這個理論看起來很不錯。
到了上世紀七八十年代時，各種實驗也給出了證實。因為實驗中發現了這些理論（標準模型）預測存在的新粒子，標準模型也因而被寫進了物理學教科書。但為什麼我們還是高興不起來？為什麼我們還是對它（這個理論）不滿意？為什麼我們要去向政府申請建設更大的粒子加速器和開展更多的實驗，從而突破標準模型的界限？
原因有幾個方面：一是標準模型本身有一些需要給定的常數，從而通過理論做出預測。比如，除了電子的電荷量，還有兩種類似的數量需要從實驗中得出。除了電子的質量，我們還要知道與電子和夸克類似的所有其它帶電粒子的質量，也就是需要從實驗中測出理論中給出總共9種粒子的質量。大家可能會說：這有那麼難嗎？畢竟牛頓在建立太陽系理論的時候，他要做的可是通過觀測來得出不同行星軌道的半徑，但不是什麼都能靠純理論得出結果的。
現實就是這樣，我們的不同之處在於，太陽系是因為一系列巧合（意外事件）的發生而形成的，這些巧合使得行星在距離太陽不同遠近的地方形成，但我們並不認為標準模型（計算出的一些數字）也是巧合。這些數字很可能意味著宇宙的深意，但我們還不能確定那是什麼。看著這些質量和電荷的數值，它們似乎傳遞著我們尚無法理解的信息，這就是困擾我們的問題之一。
還有一個問題就是我們不只是不知道這些數值是怎麼得出的，還發現其中一些數值看起來非常奇怪，比如質量比，質量比的數值是像10或100這樣的數字，很難想像這是經過計算得出的數值。還記得我剛才說的電荷比嗎？我們只需要三個電荷就能描述弱相互作用力和電磁力，這些比率像是1或10的因數，它們和1沒什麼太大區別。也許未來才有可能計算出結果，總之我們現在還做不到。
還有一些比率也很奇怪，例如標準模型中涵蓋的所有粒子的質量標度。比如電子、夸克、具有作用力的粒子等等，它們的質量都取決於同一個質量參數，那就是遍布整個宇宙的某種場的質量參數。這個參數大約是質子（也就是氫原子核）質量的250倍，我們不知道箇中原因，但250這個數字還是有點特別的。
還有一些描述自然界的數字是很不同的，其中之一就是標準模型中沒有給出解釋的一種作用力，也就是引力。引力很弱，因為我們觀察到的能量很小。引力有這樣一個質量標度，這個質量標度下的粒子相互吸引，其吸引力不亞於原子核內（中子和質子之間）強大的作用力。這一質量標度被稱為「普朗克尺度」，是馬克斯•普朗克於1900年提出的，普朗克尺度比標準模型中的質量標度大了約16個數量級。也就是1後面有16個0的那麼一個倍數，那是一個巨大的數值，為什麼是這樣一個數值？
還有一個非常巨大的數值，剛才我曾說到和電荷類似，強弱相互作用力和電磁力的強度取決於類似電荷量的三個數量，它們的作用就像電荷對強弱作用力和電磁力起到的作用。這三個數量的數值相差很大，最大的那個是其它兩個的一百倍左右，但這三個數值都取決於能量。如果從將它們投射到能量上，你會看到它們慢慢地越來越接近，然後在某個能量值，這三個數值匯合到一起了，而這個能量值和普朗克尺度的數值相差並不算大，大概比普朗克尺度小了10或100的因數那麼多倍。
所以我說宇宙中數字的尺度是很神秘的，自然界存在（四種）基本作用力，引力的標度處於一個特別的數量級，而標準模型中研究的其餘基本作用力，它們的標度大概比引力的標度小了16或14個數量級，我們稱之為「等級問題」。是什麼造成了標度上的等級差異？
還有更糟的，如果從另一個方向，也就是從那些非常小的能量標度來看，也有一個標度是我們不理解的。我們知道每個單位體積的真空區域都有一定的能量，但這個能量非常小，而宇宙的空間是巨大的。因此這些能量加起來可以影響宇宙的引力場，進而影響宇宙膨脹的方式。比如1998年天文學家們發現宇宙在加速膨脹（即有可能是這種能量引起的），現在我們能夠估算出導致這種宇宙膨脹加速的能量標度，這個數值大約比標準模型中的能量標度小16個數量級左右，這又是一個奇怪且巨大的數字。為什麼會是這樣一個數字？我們還是不知道。
作為結尾，我想說點積極的，上世紀50年代讀研究生的時候，我很羨慕前輩們在量子電動力學領域取得的成就，而我們這一輩理論物理學家建立了標準模型，將前輩們的成果進一步向前推進。標準模型解釋了自然界存在的所有其它作用力和我們發現的其它粒子，只有引力沒有給出解釋，我們（理論物理學家）的工作尚未完成，我們引以為傲的標準模型並不是最終答案。
今天年輕一代的理論物理學家們，你們有你們的使命，那就是解釋與自然界不同現象有關的這些巨大的、神秘的數字。祝你們好運！
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