物理群星
史蒂文·温伯格 肖像

图:Rob Croes / Anefo,1983 / 荷兰国家档案馆 / CC0

史蒂文·温伯格

Steven Weinberg

1933–2021 · 生于美国纽约 · 美国

粒子物理天体与宇宙学

把弱力与电磁力写进同一条方程的人

诺贝尔物理学奖 1979 关于基本粒子间弱相互作用与电磁相互作用统一理论的贡献(与格拉肖、萨拉姆同获)

「宇宙越显得可以理解,也就越显得没有意义。」

—— 《最初三分钟》(1977),据英文原文意译

1967 年,一篇标题朴素得近乎低调的论文把两种看似不相干的自然力缝在了一起。作者史蒂文·温伯格用它预言了 W 和 Z 玻色子的质量,也预言了标准模型此后的路线图。十六年后,日内瓦的对撞机找到了它们,质量与预言吻合。弱力和电磁力,原来是一枚硬币的两面。

规范场论的死结

1954 年杨振宁与米尔斯建立的规范场论优美得惊人,却带着一个致命伤:规范对称性要求传力粒子质量为零,而弱相互作用的载体明明很重。质量怎么来?这正是泡利当年当面追问杨振宁的问题。1964 年,希格斯等人提出对称性自发破缺:让真空「选边站」,被藏起来的对称性就能把质量还给规范玻色子。1967 年,温伯格把这套机制用到了弱力与电磁力的统一上。

一个模型,四个玻色子

温伯格从一个规范群 SU(2)×U(1) 出发,得到四个传力粒子:无质量的光子,和三个原本无质量的 W⁺、W⁻、Z。让希格斯场在真空中取得非零值后,W 和 Z 获得质量,弱力变成短程力,而光子保持无质量——电磁力依旧长程。理论里出现了一个参数,后来被称为「温伯格角」,它决定 W 与 Z 的质量关系:MW=MZcos⁡θWM_W = M_Z \cos\theta_W。1971 年,特霍夫特证明这类理论可以重整,此前令人望而却步的无穷大从此可以被驯服。电弱统一理论成为标准模型的核心,实验检验也随之展开。

W 与 Z 的出现

1983 年,CERN 的质子-反质子对撞机发现了 W 和 Z 玻色子,测得的 Z 质量约 91 GeV,与理论预言高度吻合。这是标准模型最漂亮的胜利之一,也开启了此后数十年对 W、Z 性质的精测。温伯格与格拉肖、萨拉姆在 1979 年已因理论获得诺贝尔奖,但真正让理论「落地」的,是那台为寻找它们而改造的对撞机。

写科普的物理学家

温伯格不仅是理论家,也是杰出的写作者。1977 年出版的《最初三分钟》把宇宙大爆炸后头几分钟的演化讲得清晰而克制,让无数读者第一次理解「宇宙如何从一锅热汤变成今天的样子」。他晚年继续追问终极理论,也在公共议题上直言不讳。2021 年他去世时,人们记起他那句既冷静又悲悯的话:宇宙越显得可以理解,也就越显得没有意义。可正是这种没有意义的可理解,驱动了温伯格一生的追问。

代表方程

W 与 Z 玻色子的质量关系

MW=MZcos⁡θWM_W = M_Z \cos\theta_W

电弱统一理论里,W 和 Z 两种传力粒子的质量被同一个「温伯格角」串在一起。1983 年实验测出的比值,与这条公式预言几乎分毫不差。

电弱规范群

SU(2)L×U(1)YSU(2)_L \times U(1)_Y

弱相互作用与电磁相互作用在高温下其实是同一个力,只是被对称性自发破缺分成了我们熟悉的两副面孔——一副射程极短,一副可以传到天边。

伟大发现

出处

正文所据的原始文献与可靠二手材料。带链接的可直接查看原文。

  1. 1.温伯格《轻子的模型》,《物理评论快报》第 19 卷第 1264 页(1967)
  2. 2.格拉肖《弱相互作用的部分对称性》,《核物理》第 22 卷第 579 页(1961)
  3. 3.萨拉姆《弱与电磁相互作用》,第八届诺贝尔研讨会论文集第 367 页(斯德哥尔摩,1968)