1.强相互作用、弱相互作用与电磁相互作用的统一

强相互作用、弱相互作用与电磁相互作用的统一1.弱相互作用与电磁力的统一1960年9月，28岁的格拉肖在哥本哈根大学理论物理研究所访问期间，完成了题为“弱相互作用的部分对称性”（PartialSymmetriesofWeakInteractions）的论文，首次研究了采用SU(2)×U(1)群结构来统一弱核力和电磁力的可能性.这一工作于次年2月发表在欧洲物理学会主办的《核物理学》（NuclearPhysics）期刊上[1]，迄今为止已被引用9900余次.与自己的博士导师朱利安·施温格（JulianSchwinger）于1957年提出的电弱统一模型的雏形相比[2]，格拉肖的最大创新之处在于利用正确的群结构引入了弱相互作用的中性流及其传播子玻色子.也就是说，如果格拉肖的模型是正确的，那么自然界中除了存在由带正负单位电荷的玻色子传递的原子核贝塔衰变等反应，还应该存在由电中性的粒子传递的弱作用过程.后者是一个重要的理论预言，需要由实验来检验其是否正确.1973年，欧洲核子研究中心（CERN）的加尔加梅勒（Gargamelle）气泡室探测器，令人信服地观测到缪子型中微子与原子核散射产生缪子型中微子和强子的中性流反应[3]，该散射过程无法通过另一种已知的矢量玻色子——光子发生，因为中微子不参与光子传递的电磁相互作用.这一实验结果最终在六年之后的1979年将格拉肖、温伯格和萨拉姆送上了诺贝尔奖的领奖台.尽管弱核力的传播子和玻色子，直到1983年才被意大利物理学家卡洛·鲁比亚（CarloRubbia）领导的实验组在CERN的质子与反质子对撞机上发现[4]，但当时诺贝尔奖评委会已经笃定电弱统一理论的正确性.事实上，格拉肖于1961年提出的电弱统一模型在理论层面还很不完备，它的主要缺陷在于缺乏完整的“定域规范对称性”作为其理论基础，因此三个弱相互作用传播子的质量都是人为引入的.格拉肖本人对这一模型中的“任意性”部分毫不掩饰，在论文的标题就承认他的模型只具有“部分对称性”.但是完整的杨—米尔斯（Yang—Mills）规范对称性将导致所有的规范玻色子都没有质量，从而无法传递短程弱核力.年轻的格拉肖早就认识到这一点，但无能为力.这个令当时所有物理学家都倍感头痛的问题，直到1964年才被比利时的弗朗索瓦·恩格勒（FrançoisEnglert）和罗伯特·布罗特（Robert

Brout），英国的彼得·希格斯（PeterHiggs），以及美国的杰拉尔德·古拉尔尼克（GeraldGuralnik）、迪克·哈根（DickHagen）和英国理论家汤姆·基伯（TomKibble）分别找到解决方案[5、6、7].于是乎，令格拉肖一筹莫展的完整规范对称性和矢量玻色子质量起源之间的冲突，在1967年被他的高中同班同学温伯格一举平定.1967年11月20日，温伯格的大作“轻子模型”（Amodelof

leptons）发表在《物理评论快报》（PhysicalReviewLetters）上[8]，它标志着粒子物理学标准模型的电弱统一理论的正式诞生，迄今为止已被引用14600余次，成为粒子物理学领域单篇引用率最高的论文.在这篇长度仅两页半的短文中，温伯格开宗明义地提出关键问题：如何将传递弱核力和电磁力、自旋为“1”的几种玻色子统一在一个规范场的多重态中？他在第一篇参考文献中就引用了格拉肖的论文，但指出后者的不足在于从一开始就无凭无据地引入了破坏规范对称性的质量项，从而在一定程度上损害了模型本身的理论基础及其预言能力.温伯格的改进方案是要求拥有SU(2)×U(1)群结构的电弱统一理论具备完整的定域规范不变性，再通过“布罗特-恩格勒-希格斯机制”使得规范对称性发生自发破缺，从而导致传递弱相互作用的玻色子获得有限的质量，其大小均正比于希格斯场的真空期望值.但电磁场的规范不变性并未发生破缺，因此光子的质量始终为零.另一方面，温伯格假设电子场与希格斯场之间存在汤川相互作用，因此前者在规范对称性自发破缺后也获得了有限的质量，其大小不仅正比于希格斯场的真空期望值，还正比于汤川耦合系数.值得一提的是，由于该模型只允许左手征的中微子场存在，这使得中微子无法与希格斯场发生汤川相互作用，因此质量为零.温伯格在论文中申明，他的模型所做出的唯一明确无误的新预言是弱相互作用中性流的强度和玻色子的质量.与格拉肖的“唯象”研究风格不同，温伯格特别在意电弱统一模型的场论内涵及其自洽性，所以他在论文的结尾处提出了一个重要问题：这一模型可重正化吗？即它在考虑量子修正时是否仍旧有效？温伯格本人虽然无法回答这个问题，但他凭借非凡的物理直觉猜测自己的模型应该是可以重正化的.四年之后的1971年，25岁的荷兰博士研究生格拉尔杜斯·特胡夫特（Gerardus‘tHooft）终于严格证明了温伯格模型的可重正性.尽管学术界对温伯格的工作极为推崇，但格拉肖本人作为温伯格的高中同班同学和哈佛大学同事，此时却表现出了略带醋意的不屑，甚至揶揄希格斯机制看起来就像是温伯格模型的厕所，里面藏着不足为外人道的东西[9].好在他最终还是接受了这个比自己的模型更显高明的温伯格模型，并在其夸克部分做出了锦上添花的重要贡献，从而完善了电弱统一理论.温伯格在麻省理工学院研究电磁力与弱核力的统一问题期间，他的妻子正忙于攻读法学学位，因此他不得不抽出时间照顾女儿.据说那时的温伯格经常坐在公园的长椅上，望着蓝天、白云和绿草坪，看着可爱的女儿在不远处玩耍，头脑中则思考着各种重要的物理学和宇宙学问题，而灵感常常不期而至[10].温伯格虽然创建了粒子物理学的最重要模型——电弱统一理论，但晚年却不喜欢别人称他为“模型构造者”.2020年底，作为唯一先获得“诺贝尔物理学奖”再获得“基础物理学突破奖特别奖”的一代宗师，87岁高龄的温伯格在接受《欧洲核子研究中心快报》（CERNCourier）采访时强调[11]，他其实很少提出具体的模型，而是更关注诸如有效场论等一般性的理论框架.他的潜台词或许可以理解为：我老人家一般并不喜欢构建模型；但一旦构建了一个模型，那必是标准模型！1968年5月下旬，伦敦帝国学院的物理学教授萨拉姆应邀出席在瑞典莱鲁姆举办的第八届诺贝尔研讨会（NobelSymposium），做了题为“弱相互作用和电磁相互作用”（Weakandelectromagneticinteractions）的学术报告，介绍了自己的电弱统一模型.从内容看，萨拉姆的工作与温伯格的模型并无二致，但其深度似乎略逊一筹.萨拉姆并没有就此工作发表任何期刊论文，其报告的文字版发表在该研讨会的会议文集上[12]，迄今已被引用6000余次.尤其值得一提的是，他的会议文集论文只引用了5篇参考文献，而其中第一篇就是温伯格一年前发表的论文.如此说来，将电弱统一理论称作“温伯格－萨拉姆模型”显得有些牵强，毕竟萨拉姆的工作看起来明显晚于温伯格的工作.但萨拉姆的模型却也得到了学术界很大程度的认可，而这正是后来很多物理学家深感困惑的地方.作为萨拉姆的好朋友，温伯格曾于1962年访问过伦敦帝国学院，并且两人与剑桥大学的杰弗里·戈德斯通（JeffreyGoldstone）合作发表了关于“戈德斯通定理”严格证明的论文[13].温伯格本人从未公开介意过外界将温伯格模型称为温伯格－萨拉姆模型，这一点对萨拉姆和诺贝尔奖评委会都很重要！1979年底，萨拉姆凭借做诺贝尔奖演讲报告的机会指出：他曾在1967年秋天举办的伦敦帝国学院博士后讲习班上，公开讲授了自己的电弱统一模型的基本想法，这一点可由当时恰好在场的意大利物理学家尼诺·兹奇奇（NinoZichichi）作证.但问题在于，当年萨拉姆的授课内容并没有留下任何文字和影像记录，不过他的学生、澳大利亚物理学家鲍勃·德尔堡戈（BobDelbourgo）曾证实自己当时在场听了萨拉姆的讲座.这一切似乎说明，萨拉姆的工作可能并不在温伯格的论文之后，尽管拉自己的朋友和学生出来作证的行为听起来不够令人信服.另一方面，以授课的方式公开自己的科研成果并不是科学界公认的做法，白纸黑字的论文通过同行评议发表在专业期刊上才是正道.所以很多学者认为萨拉姆模型其实落后于温伯格模型，其原创性和重要性也不免大打折扣.2011年9月，英国苏塞克斯大学教授诺曼·多姆贝（NormanDombey）在学术论文网站上贴出了一篇题为“重新评价阿卜杜勒·萨拉姆：怎样赢得诺贝尔奖”的非学术文章（arXiv:1109.1972）[14]，以犀利的言辞公开批评了已经去世多年的萨拉姆.多姆贝自称年轻时便受到萨拉姆的提携，还找过这位大教授帮助自己写求职推荐信.他在文章开头这样引述萨拉姆的原话，“‘好的，你写我签字吧，你比我更了解你的工作.’我就是这样获得了自己的第一份工作，萨拉姆并没有按常理出牌.”多姆贝此处描述的是萨拉姆没有亲自动手写一封内容对申请人本人保密的推荐信，但后续关于萨拉姆费尽心机获得诺奖的叙述，显示多姆贝的开头话中有话——萨拉姆诺贝尔奖的方式颇具争议.多姆贝文中爆出的猛料是很多人始料不及的：萨拉姆利用自己掌控的国际理论物理中心（ICTP）通过招待保罗·狄拉克（PaulDirac）等大师级物理学家而向他们示好；他以各种方式同诺贝尔奖评委拉近关系；他不断授意自己的密友向诺贝尔奖评委兜售萨拉姆模型，等等.这些“指控”也并非毫无依据，多姆贝的文章引用了ICTP的有关档案，其中包括萨拉姆与他人的来往信件.事实上，生性腼腆的狄拉克晚年确实曾在ICTP度过一段安静的好时光，而且他从1971年开始一直不断提名萨拉姆作为诺贝尔物理学奖的候选人.据说就在斯德哥尔摩几乎确定要将1979年的物理学奖授予温伯格和萨拉姆之际，格拉肖的博士后老板、夸克之父默里·盖尔曼（MurrayGell-Mann）凭借自己的强大影响力和话语权做了及时干预[15]，使格拉肖也得以跻身获奖名单，最终三人分享了创建电弱统一理论的殊荣.毫无疑问，萨拉姆对粒子物理学的发展做出了诸多重要贡献，但他是否担得起标准模型创始人之一的殊荣却成了一笔见仁见智的糊涂账.但无论如何，作为一位伟大的穆斯林科学家和社会活动家，萨拉姆留给后人的启迪远远大于争议.得注意的是，格拉肖、温伯格和萨拉姆的上述电弱统一工作都只讨论了轻子参与的电磁和弱相互作用过程，并没有将物质的另一种基本组分——夸克包含在理论框架之内.格拉肖本人的论文发表于1961年，而夸克模型直到1964年才横空出世[16]，因此他没有考虑夸克是情有可原的.温伯格之所以没有将夸克纳入电弱统一理论，按照他自己的说法，是因为他在1967年前后根本就不相信夸克模型的真实性[17]，而并非像外界所猜测的那样当时是由于担心夸克衰变所引发的“味”改变中性流才忽略了夸克.1964年6月，再次来到哥本哈根访问的格拉肖与美国物理学家詹姆斯·比约肯（JamesBjorken）合作完成了一篇题为“基本粒子与SU(4)对称性”的论文[18]，扩充了盖尔曼的SU(3)夸克模型，提出了一种全新的量子数——粲”（charm）量子数，对应一种全新的基本粒子——“粲”夸克.当时两位学者的动机主要在于追求夸克和轻子之间的对称性：既然自然界存在四种轻子（电子、缪子及其相应的电子型和缪子型中微子），那么也应该存在四种夸克（即盖尔曼所预言的上夸克、下夸克、奇异夸克，加上新的“粲”夸克）.将SU(3)夸克模型推广到SU(4)情形的动力学意义，直到1970年初才在著名的GIM机制中体现出来，后者是由格拉肖、希腊物理学家吉恩·伊利奥保罗斯（JeanIliopoulos）和意大利物理学家卢西亚诺·马亚尼（LucianoMaiani）合作提出的.这三位学者在题为“具有轻子-强子对称性的弱相互作用”的论文中[19]，首次将SU(4)

夸克模型与温伯格创立的关于轻子的电弱统一理论结合在一起，从而完善了标准模型的电弱统一部分.令人信服的是，粲夸克的引入可以自然地压低中性介子“纯轻”衰变过程的分支比，从而合理地解释该反应的实验测量值远小于SU(3)夸克模型的理论预期值的反常现象，并由此反过来限制粲夸克质量的大小.格拉肖等人基于当时的实验数据，初步推断出粲夸克质量大约为奇异夸克质量的15倍左右，即处于2GeV附近，因此先前高能物理实验都没有发现这个重费米子.1974年11月，华裔美国物理学家丁肇中（SamuelChaoChungTing）和美国物理学家伯顿·里克特（BurtonRichter）领导的团队，分别在布鲁克海文国家实验室的质子轰击固定靶实验和斯坦福直线加速器中心的正负电子对撞实验中，独立发现了由正反粲夸克构成的“J”（丁）粒子和“ψ”粒子[20、21]，即众所周知的“J/ψ”粲夸克偶素，有力地证实了GIM机制的正确性.由此可见，格拉肖对电弱统一理论的基础性贡献，无论如何都不输于萨拉姆，他分享1979年的诺贝尔物理学奖毫无疑问是实至名归.2.电磁力、强相互租用和弱相互作用的统一既然弱作用和电磁作用在非阿贝尔规范理论基础上统一起来了，而且强相互作用也是一种非阿贝尔规范作用，一个诱人的想法是它们能否在一个更大的非阿贝尔规范理论下统一起来，这就是所谓大统一理论的基本想法.最简单的大统一理论是1974年乔奇和格拉肖提出的大统一理论模型.20世纪70年代末到80年代初，物理学家试图把强、弱、电三种力场进行统一，这种理论称为大统一理论，这个理论未获得成功，在此基础上物理学家们又提出了超对称的大统一理论，并获得了满意的结果.(笔者注：其实并没有统一，因为对于同种电荷电磁力相互排斥，而强相互作用互相吸引.)就在弱电统一理论轰轰烈烈地进行的同时，量子色动力学的研究也是紧锣密鼓.早在上世纪50年代末，日本的坂田昌一领导的小组就提出强子存在着SU（3）对称性.上世纪60年代初，对称性理论吸引了粒子物理界浓厚的兴趣.1964年盖尔曼提出强子由夸克构成的设想.一系列实验证实了强子的夸克结构，并在此基础上建立起描写强相互作用的量子色动力学.按照这一理论，夸克带有两种量子数，分别称为味道和颜色.当然，它们与通常的味道和颜色概念毫无共同之处，夸克的味道和颜色只是被用于区分不同种类和状态的夸克.根据目前的实验，共有六种不同味道的夸克，每种味道的夸克有三种不同的颜色.各种颜色夸克之间存在强相互作用，这是一种SU（3）规范作用，传递规范作用的规范粒子称为胶子.规范理论严格地规定了强相互作用的耦合形式.这种非阿贝尔规范作用有十分奇特的性质：耦合强度随着能量增高而减弱，高能粒子间的作用变得很弱，可用微扰理论来计算，称为渐近自由现象，这也在实验中被观测到；相反，随着能量降低，耦合强度不断增强，以致要把带颜色的夸克分割开需要无穷大的能量，称为颜色禁闭现象.因为夸克带有颜色，作为规范粒子的胶子也带有颜色，所以目前实验无法直接观测到单独的夸克和胶子.现代物理学认为：能量标度上升，对称性增高，各种力都走向同一，物理学趋向统一.所以大统一理论（弱、电、强力三者的统一）以及四种力（弱、电、强、引力）的统一，都必然是在极高能标下完成的；能量标度下降，对称破缺产生，四种力（弱、电、强、引力）都逐渐分离，表现不同行为.世界变得复杂，丰富多彩.超低能低温下有五花八门的现象，其实只是对称破缺的表面现象，我们眼睛观察到的其实都非实相，它们在高能标下其实只有一个本质.量子场论已经将电磁力、弱力和强力统一起来，证明了它们不过是微观的量子薄雾所产生的不同影响的效果，在极高温度和极小尺度下它们的表现将会完全相同.想像两条坐标轴，横坐标是温度，纵坐标是力的强度.随着温度的升高，三个力会均会平滑的增大或减小，并且最后交于一点――可是引力并不与这一点相交.此外，物理学家还发现，如果将计算精度提高到一定程度后，原本相交于一点的三个力其实也是不相交的.现代科学认为，自然界由很少的几条规则支配，而存在着无限多种这些支配规律容许的状态和结构.任何尚未发现的力，必将是极微弱的，或其效应将受到强烈的限制.这些效应，要么被限制在极短的距离内，要么只对极其特殊的客体起作用.参考文献：【1】S.L.Glashow,“Partial-symmetriesofweakinteractions”,

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