模型締造者温伯格，帶着未見新物理的遺憾走了_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！2021-08-05 12:02
當地時間2021年7月23日，當代最傑出的物理學家之一史蒂文·温伯格（Steven Weinberg）逝世，享年88歲。温伯格因提出了電弱統一理論而獲得了1979年諾貝爾物理學獎。以此為基礎，基礎物理學被徹底改變了。在一次理論物理學家的聚會上，同事稱他是模型締造者（model builder），而温伯格只謙虛地表示，“在我的一生中，我只構建了一個模型”。在許多人看來，温伯格最偉大的遺產是他對物理學領域的卓越遠見，他能把複雜的理論以全新的方式重構並解釋，其睿智且獨特的思想以及豐富的著作影響了幾代物理學者，並將持續給予後來者靈感。
本文是2017年《歐洲核子研究中心信報》（Cern Courier）對温伯格的採訪之作。温伯格談到了關於輕子模型的思想來源與細節，並總結了在希格斯玻色子發現後粒子物理學的現狀，未來又該向何處發展。對於物理學的發展，温伯格也進行了深刻的反思，以及為什麼他能預見一個成功的理論。這些觀點仍極具啓發意義。在文章中，温伯格表達了自己計劃死後再退休，他做到了。當然，還帶着一些遺憾。
謹以此文紀念物理學大師温伯格。
撰文 | Matt Valentine
編譯 | 劉航
In my life, I have built only one model.
——温伯格
温伯格34歲時發表了他最著名的文章“Model of Leptons”（輕子模型），這是粒子物理學史上具有劃時代意義的一篇文章，它催生了電弱標準模型的誕生，還意外地激發了科學界有史以來最大的幾個實驗項目。為了撞出並觀測到温伯格預言的W粒子、Z粒子及希格斯玻色子，科學家在數十年間花費了數十億瑞士法郎，相繼建造了四個工程：歐洲核子研究中心氣泡室（Gargamelle，主要任務是偵測中微子），超級質子同步加速器（SPS），大型正負電子對撞機（LEP），以及大型強子對撞機（LHC）。這也直接定義了歐洲核子研究中心的主要研究計劃，至少四十年來使實驗物理學家有了用武之地。對於驗證理論來説這也很不錯，正如温伯格當時寫的那樣，“有太多的任意特徵（參數），預測需要非常認真地對待”。
毋庸置疑，温伯格很樂意見證標準模型（Standard Model）幾十年來的成功。“我的意思是，這就是作為一個理論物理學家持續前進的原因，希望看到自己‘寥寥幾筆’就能成功描述現實世界。”温伯格説，“即使證明總體思路是正確的，但這個特定的模型並不能描述自然，對此我也不會覺得非常驚訝或者非常懊惱。”
今天，距他1967年開創性觀點提出50年後，温伯格抗議自己已退休的説法。他冷冷地説，美國有法律反對年齡歧視，“我告訴這裏的人，我計劃死後再退休。”温伯格目前在得克薩斯大學奧斯汀分校教授天體物理學課程，這裏是他35年來的研究基地。温伯格現在還有兩本著作和一篇新的宇宙學論文正在籌備中。9月，温伯格在家中接受了《歐洲核子研究中心信報》（Cern Courier）的電話採訪，他總結了希格斯玻色子發現後高能物理學的狀況，以及新物理的最大希望所在。
他首先講述了導致他在1967年做出了開創性工作的思考過程——其中許多想法都是在兒童遊樂場裏產生的。
公園長椅上的思考
“那是我人生中一個複雜的時期，因為我們家從伯克利搬到了劍橋，而我的妻子正在哈佛大學攻讀法律學位。我有責任照顧我們四歲的女兒，包括送她去幼兒園，我的很多思考都是坐在公園的長椅上看女兒玩耍時完成的。”温伯格回憶道。
一開始他並沒有打算統一不同的力。他將自己關於對稱性的想法，特別是SU(2)×SU(2)的結構應用於強相互作用，這意味着ρ介子將是無質量的——與實驗結果相反。“當我想到無質量的ρ介子可能是光子時，我很自然地認為，如果對這個規範理論的其他部分做適當修改，那它就可以作為描述弱相互作用的理論。”一旦意識到自己在做什麼，温伯格工作進行得很快。“你取左手電子加上中微子雙線型和右手電子，問最普遍的可能的對稱羣是什麼，結果是SU(2)×U(1)×U(1)。然後你扔掉一個 U(1) ，因為如果這是一個好的規範對稱性，電子之間就會產生你沒有觀察到的長程力。所以你幾乎不可避免地會被引導到 SU(2)×U(1)。事實上，我起初並不知道，格拉肖 (Sheldon Glashow)、薩拉姆 (Abdus Salam) 和沃德 (John Clive Ward) 更早之前就以不同的方式使用了同樣的羣。”
論文在提交後的一個月內, 於11月20日悄然發表在《物理評論快報》上。温伯格不記得他在出版前做過什麼演講，只是在當年索爾維會議中一次附加評論中提到了幾句（參見[1]），但並沒有引起關注。
從很多方面來説，這篇論文都與温伯格以往的風格不同。温伯格説，他更傾向於寫概括性的論文，而不必過多擔心它們在真實世界的具體實現，但這篇論文他寫得更加具體。“當然，實驗者不會測試一個大概的想法，所以當他們證明我的理論是正確的時我很高興。在觀測到中性流10年後，他們又在 CERN 直接發現了 W粒子和Z粒子，並在 LEP（大型正負電子對撞機）和 SLAC （斯坦福直線加速器中心）進行了詳細測量。”
不過，最讓他興奮的並不是輕子模型。自從在普林斯頓大學畢業後，温伯格就一直着迷於研究在對稱性原理下，為物理理論提供演繹基礎的可能性，尤其是考慮可重整性。“光有對稱性本身是不夠的。例如，在電磁學中，如果你寫下我們知道的所有對稱性，比如洛倫茲不變性和規範不變性，你很難得到唯一的理論來預測電子磁矩。唯一的方法是添加可重整性原理——這種方法使理論高度簡化，並能排除會改變電子磁矩的附加項，這些附加項會改變施温格（Julian Schwinger）在1948年計算的值。（施温格原始論文見參考資料[3]）。
可重整性是將量子場論與現實聯繫起來的技術，它提供了一種科學合理的方法來處理計算中出現的無窮大。然而，當温伯格的論文發表時，他並不知道他的理論是否可重整化的。温伯格認為，這可能就是當時沒有人注意到它的原因， “請記住：當我們談論可重整性時，它不僅僅是理論家為了擺脱無窮大所做的事情。它是一種標準，是你在理論物理學中尋找的那種標準，它界定了理論中的某種簡化，否則你的理論就是任意的。我們正在討論是否可以有一個弱相互作用理論，我們可以在其中完成超出微擾理論最低階的計算。”温伯格強烈懷疑他的理論可能就是這樣的理論，因為在考慮自發對稱性破缺之前，它與量子電動力學（QED）具有相同的形式，並且已經證明了非自發破缺的楊—米爾斯理論是可重整化的。“薩拉姆和我並不確定，但我們認為自發對稱性破缺不會影響重整性，因為如果在非常高的能量時（遠大於W粒子或Z粒子質量），對稱性破缺的事實不再重要。” 如果他認為這個模型不是可重整化的，他可能不會發表， “發出勘誤的可能性太大了！”
1971年，隨着特· 胡夫特（Gerard ’t Hooft）和維特曼（Martinus Veltman）的重大突破——證明該理論是可重整化的，温伯格開始意識到他的論文會炙手可熱，儘管他的特定輕子模型是否正確仍然是一個有待實驗檢驗的問題 。同年，温伯格還嘗試將自己的想法擴展到包含夸克模型的強相互作用，當時物理學家對此模型幾乎沒有信心。直至1973年，格羅斯（David Gross）、威爾切克（Frank Wilczek ）和波利策（Hugh Politzer） 發現一些規範理論具有漸近自由的性質，以及隨後量子色動力學（QCD）的發展，夸克的概念及性質才變得清晰起來。在量子色動力學方面，温伯格、格羅斯和威爾切克提出不可能分離出帶色（colour）的夸克或膠子。
“你知道這很有趣，當人們回顧1970年代的那些年，會認為那是20世紀和平時期最悲慘的幾年。至少在美國如此，因為失業率很高，還有通貨膨脹。”他沉思道， “但對我們物理學家來説，那是一段美好的時光：一切都聚集在一起，實驗家和理論家會以多種方式相互交談。而這在今天很難實現。”
希格斯夢魘
5年前（2012年），歐洲核子研究中心的ATLAS和CMS實驗發現了希格斯玻色子，這是温伯格模型的頂點。在那之前，沒有人確切知道電弱對稱性如何被破壞以賦予基本粒子質量——希格斯機制仍然可能是正確的，但它不涉及希格斯玻色子。或者“希格斯（粒子）”是一種新的被強相互作用束縛的複合粒子，導致對稱性的動態破壞。温伯格和薩斯坎德（Leonard Susskind）在1979年提出過一個這樣的模型，被稱為藝彩理論（Technicolor theory）。事實上早在 1967 年，温伯格就採用了最簡單的可能性：標量雙線型。他推斷，這是唯一一種不僅可以賦予 W 和 Z 粒子質量而且還可以賦予電子質量的基本場，並且它會導致一個沒有被希格斯機制消除的剩餘標量粒子存在，也就是現在所稱的希格斯玻色子。“希格斯玻色子的發現非常重要，因為它證實了對稱性自發破缺早期非常簡單的圖像。那時我們不可能知道這是否正確，因為還有其他選擇。”温伯格説。
那麼温伯格 1967 年的論文也預測了希格斯玻色子嗎？“這要看怎麼説，正如美國總統比爾· 克林頓所説，要看‘the’這個詞意味着什麼。”温伯格笑着説， “如果只是表示是希格斯玻色子這個概念，這些粒子在一般的對稱性自發破缺規範理論的存在是由希格斯（Peter Higgs）等人預言的，如果包括非規範不變的理論，那麼甚至更早戈德斯通（Jeffrey Goldstone）就提出了。但是，如果所説的是指發現了這個粒子，那麼這就是我論文中所預測的。1967年輕子模型這篇文章，第一次預測了既能與輕子耦合，又能與夸克耦合，相應耦合強度與質量成正比的單箇中性標量粒子。其他人的理論中也有標量粒子，但他們沒有發展弱相互作用的理論，他們考慮的是幾類具有未知特性的剩餘標量的理論。”
温伯格認為，關於決定誰將分享 2013 年的諾貝爾獎，諾獎委員會做出了“出色的工作”〔最後授予弗朗索瓦·恩格勒特（François Englert）和彼得·希格斯〕。“這不是給預測出希格斯玻色子的獎項，而是授予發現希格斯機制這一理論的獎。這是完全正確的，因為那是他們在1964年發表的論文中提出的。我在1967年重新發現了它，因為我正在研究強相互作用中的 SU(2)×SU(2) 規範理論的對稱性自發破缺，功勞並不歸功於我，它們已經在文獻中出現三年了。真正的希格斯玻色子的發現，我認為是一項實驗上的成就。”
2012年7月4日，希格斯玻色子宣佈被發現，與許多粒子物理學家不同，温伯格不記得聽到這個消息時他在做什麼。他可以肯定的是，粒子物理學正在進入他幾年前描述的“噩夢場景”，即發現了標準模型的希格斯玻色子，除此之外什麼也沒有。温伯格表示，我們已經陷入了一個相當不幸的境地，因為標準模型描述了所有可以通過實驗觀測的物理，除了像引力和中微子質量這種超出標準模型之外的事物。“這不是任何人的錯，也不是智力上的失敗。這只是我們遇到的問題。”現在的主流理論認為，目前LHC探測的能量下存在超出標準模型的物理，温伯格對此不抱太大希望。比如，存在新的重粒子以抵消希格斯質量的量子貢獻，這將導致它急劇增長到無窮大。温伯格承認，基本希格斯標量存在這一事實使“等級問題（hierarchy problem）”變得更加困難，但他也指出，我們已經忍受了這個問題 40 年了。到目前為止，LHC 還沒有找到超出標準模型的證據，包括最流行的保護希格斯粒子免受額外質量的解決方案：超對稱 (SUSY)。“更糟糕的是，沒有完全令人滿意的超對稱模型。每個 SUSY 模型都有一些麻煩的東西。”温伯格説道。
温伯格認為，我們必須找到其他更好的解釋。宇宙中其他一些不可思議的精細參數，比如真空能量或宇宙常數，也需要更好的解釋，或者乾脆放棄傳統的解釋。
“沒有人能給出一個合理的建議，剩下那些則跟‘人’有關，簡直令人絕望。比如有一個多元宇宙，偶爾會出現真空能量很小的子宇宙，只有在這些宇宙中星系可以形成。人們對希格斯質量和夸克質量的等級問題提出了類似的人擇論證。”温伯格説，他自己在 1980 年代就使用人擇原理正確估計了宇宙常數的近似值，這比通過觀測遙遠超新星的（紅移）速度來推斷宇宙常數還早了10年。他承認，這是一種令人沮喪的解決方案。“但正如我説過的，我們對自然法則施加了很多條件，比如邏輯一致性。但其實我們沒有權利施加這樣的條件，自然法則並不是為了讓我們快樂而運行的！”
温伯格今天對這一領域的看法與他在1979年發表諾貝爾獎演講時的看法幾乎一樣。他説唯一的區別在於弦理論，但弦理論還沒有成為一個可能的萬有理論。“除此之外，我説過關於超出標準模型之外的未來，很不幸還沒有一個明確的想法可以突破它。”温伯格談道，20年前人們從對中微子振盪的觀測中推斷並發現了中微子有質量，但這也沒有威脅到標準模型。恰恰相反，中微子質量是我們所期望的。
中微子與新物理
到1979年底温伯格獲得諾貝爾獎時，他對場論已經有了更細緻入微的解釋，並發表了一篇題為“唯象學的拉格朗日量（Phenomenological Largrangians）”的論文。以施温格等人的工作為基礎，温伯格將標準模型表述為“有效”場論中的領頭階，而這僅僅是我們尚未發現的更深層微觀理論的低能量表現。在這種更現代的觀點中，場論不必非得是可重整的，也能在邏輯上保持一致性。除了可重整的項之外，還可以包含大量不可重整的項，這些項被一些非常大的質量（對應於真正理論適用的能級）的負冪次抑制。
對於中微子來説，將標準模型視為有效場理論具有重大意義。雖然簡單地將中微子質量插入理論中會違反SU(2)×U(1)對稱，但温伯格意識到輕子和希格斯雙重態之間的相互作用可以避免這種情況。至關重要的是，由於相互作用是不可重整的，它被一個非常大的質量分母所抑制——這解釋了中微子質量的存在以及為什麼它們如此微小，併產生了更一般的被稱為蹺蹺板機制的理論。
温伯格説：“從某種意義上説，它是超出了標準模型的。但我更願意説，它超出了領頭階——標準模型中可重整的、不受抑制的部分。”温伯格説，“而引力也是！廣義相對論的對稱性不允許自旋為2的無質量粒子——引力子——的任何可重整的相互作用的存在。我們知道引力，儘管它被非常強烈地抑制了，只是因為它的加法的特性: 地球的每個原子都在吸引下落的物體，總是朝着同一個方向拉。如果不是因為這個事實，我們不會從實驗中知道它的存在，更不會在大型強子對撞機的實驗中。”當然，中微子在1979年仍然被認為是無質量的。温伯格並不認為自己預測了中微子的質量，但他認為這是正確的解釋。他説更重要的是，產生中微子質量的不可重整的相互作用，可能還伴隨着產生質子衰變的不可重整的相互作用和其他尚未觀察到的事情，例如違反重子數守恆。“我們對這些項的細節一無所知，但我發誓它們就在那裏。”
至於什麼是真正的基本粒子高能理論，温伯格表示弦理論仍然是我們最大的希望。“我很高興人們正在研究弦理論並試圖進一步探索它，儘管我注意到像威騰（Edward Witten）這樣的聰明人最近似乎已經將注意力轉向了固體物理學。也許這是他們放棄的跡象，但我希望不是。” 温伯格本人在1980年代後期進行過弦理論的研究，寫了幾篇“極度不重要”的論文，然後他決定不將自己的職業生涯都投入在此。正如他 1992 年出版的《最終理論之夢》(Dreams of a Final Theory) 以及更早的諾貝爾演講中所記錄的那樣，他對自然的終極微觀理論有自己的直覺，植根於所謂“漸近安全（asymptotic safety）”的想法。温伯格還希望有一天某個默默無聞的研究生在 arXiv 預印本上發表的一篇顛覆標準模型的論文——一種 21 世紀的粒子模型，“它結合了暗物質和暗能量，用以前沒有人想到的想法，而且具有成為正確理論的所有標誌”。
在那一天到來之前，粒子物理學家只能滿足於在大型強子對撞機中搜索TeV能級的新粒子，並讓標準模型接受越來越精確的測試——不僅在LHC上，也在其他大型實驗上。未來幾年，該領域還面臨着一個關鍵的決定，即下一個大型對撞機實驗應該是什麼？一個直線或環形的正負電子對撞機；或是一個能量更高的強子對撞機？在目前提出的計劃中，實驗目標基本都包括精確測量希格斯玻色子。
未來的方向
温伯格説，對接下來應該建造什麼樣的大裝置，他沒有具體的指導性意見。“一方面，這取決於實驗家實際上可以完成什麼，而我無法做出判斷。這也取決於新物理到底是什麼，我也無法做出判斷！如果我有一個關於超出標準模型的新物理的具體建議，那麼它可能會告訴我們應該朝哪個方向發展，但目前我還沒有發現任何理論具有足夠的吸引力。” 雖然温伯格想看到希格斯粒子——發現的第一個標量粒子——的更詳細地觀測，但他擔心這隻會證實希格斯機制最簡單的繪景。“因為如果你堅持可重整的理論，你必然會得到這樣的結果。而且我認為這樣做是正確的，原因我在1979年就想明白了。”
看到CERN在LHC上持續進行實驗，而美國正在進行中微子振盪實驗，温伯格感到很高興，“放棄了建造超導超級對撞機（SSC）後，似乎這就是美國風格。”他認為另一個應該大力推進的課題是尋找地球上的重子不守恆現象 (即質子衰變)，他説目前最有希望取得進展的領域是天文學。畢竟，沒有天文學的觀測我們無法想象暗物質和暗能量的存在，而且這一實驗領域仍然成果豐富——最近發現的引力波就是證明。“天哪，這是最令人興奮的事情——研究引力輻射不僅是為了它本身，而是開闢了整個天文學領域。” 温伯格最近工作的主題是宇宙學以及量子力學的基本問題，他目前正在與同事拉斐爾·福勞格拉 (Raphael Flaugera) 合作一篇論文，研究來自遠距離源的引力波對星系間介質的影響。
對物理的反思
毫無疑問，温伯格1967年的論文改變了遊戲規則，那他本人認為這是他對物理學最重要的貢獻嗎？“哦，我不知道。我不喜歡讚美我自己的論文。1967年的論文是幾十年進展的一部分。關注對稱性，尤其是對稱性破缺，可以追溯到 1960 年代初期，至少在我與戈德斯通和薩拉姆的論文中提出了無質量戈德斯通玻色子的問題，之後希格斯等人告訴我們如何避免它們。我猜我的論文是這個方向的一篇關鍵論文，但那十年來我一直在研究強相互作用背景下的對稱性破缺。然後是有效理論的發展，與其説這是一種理論，不如説是一種觀點。” 温伯格最看重的東西並沒有體現在任何一篇論文中，當然也沒有體現在任何一個模型中：它是關於改變物理學家們的觀點。
“我很珍視1967年的那篇論文，因為它表明了需要尋找一種基於對稱性自發破缺的可重整化的理論，而剛好它最終被證明是正確的模型! ”温伯格從一開始就知道他的輕子模型是那種看起來就正確的理論，但他解釋説，並不是有某種智慧才能預見這種正確，而是需要很長一段時間的思考。温伯格舉了一個有趣的例子——辨認雞的公母——來解釋這個過程。他説在家禽養殖業，能夠確定新生雛雞的性別是很重要的：有一所學校裏面教“雞性別學”，會提供給學生雛雞，然後詢問他們是公是母。如果猜錯了，他們就會受到一些懲罰；要是猜對了，則會獲得一些獎勵。重複這個過程數百次後，人們就能猜對了。“就像按照學過的方法去辨別雞的性別，科學不是某一個科學家的經驗，而是從古至今整個科學界逐步驗證得出的，他們告訴我們哪些理論是優美且正確的，我們也就可能會知道哪些理論是正確的。”
當被問及如果可以選擇，他希望在有生之年解開什麼謎團時，温伯格無需多想：他希望能夠解釋觀測到的夸克和輕子質量的模式。1972年夏天，當標準模型基本形成時，他給自己設定了一個任務——弄清夸克和輕子的質量問題，但完全沒有頭緒。“那是我一生中最糟糕的夏天！我的意思是，顯然有更廣泛的問題，例如為什麼是這樣的而不是什麼都沒有？但如果你問一個非常具體的問題，就很難回答了。我現在也沒有比 1972 年夏天更接近這個問題的答案。”温伯格回憶説，我們仍然可以聽出他的惱怒。他也不希望帶着不知道暗物質是什麼的遺憾離去。温伯格表示，總是有各種各樣的挫折， “可是，怎麼可能一帆風順呢？我很享受我正在做的事情，而且我身體還不錯，我還有幾年的時間。2024 年4月這裏會有日全食，我很期待看到。”
距他的著作《最初的三分鐘》（The First Three Minutes）發表已有40年了，這本書已被翻譯成22種語言，至今他還會收到版税支票。温伯格打算繼續寫作，他與劍橋大學出版社簽訂了一份合同，將根據他目前的教學工作出版一本名為Lectures on Astrophysics （《天體物理學講義》）的新書（已於2019年出版）。他還將與哈佛大學出版社合作出版第三本熱門論文集，第四本也在日程上了。
最後三分鐘
從他在康奈爾大學的本科時代，在普林斯頓的研究生學習，以及隨後在哥倫比亞、伯克利、哈佛、麻省理工學院和得克薩斯州的職位，史蒂文· 温伯格的職業生涯是任何一位物理學家都向往的。他的名字將永遠與我們對宇宙的基本理解聯繫在一起，你會覺得這一切都不像通常意義上的“工作”。“物理學這項事業，除了你在物理領域的日常工作之外，它讓我有機會認識很多有趣的人，並以同事的身份而不是遊客的身份訪問不同的國家。與物理學同行交流，然後在共同理解的基礎上撰寫論文，超越了國界，這是多麼令人興奮的事。我太喜歡這樣了。” 但這並不是説他有許多合作工作——與“輕子模型”一樣，他350 篇左右的論文中的大部分都是“一個人的工作”。
温伯格並不是大家刻板印象中那種把自己鎖起來沉迷於工作的天才。他最好的想法從不是在他工作的時候想出的。他回憶説，有一天他洗完澡出來，對妻子大聲説，他弄明白了宇宙常數為什麼這麼小的原因（那是在他開始思考關於人擇解釋之前）。“然後第二天我就知道了，用低沉的聲音説，‘錯了’！所以，人總是會有很多想法，但大多數都不好。偶爾你會發現一個不錯的想法，在辦公桌前就會工作得很開心。獲得好的想法不是通過努力，而是要去大量思考困擾你的問題。但這也不總是奏效——想想我1972年那個被毀掉的夏天吧！”
温伯格從不在辦公室工作。他的研究工作總是在家裏完成。在走廊盡頭，他和妻子各有一間辦公室，兩人經常互相打擾。“我沒那麼沉迷工作。我的辦公桌上有一台電視機，工作時一直開着，通常是放一部老電影，因為我發現理論物理方面的工作與日常事務相去甚遠。” 這不會分散注意力嗎？“但我需要分心才能留在辦公桌前，因為實際的工作……是如此的‘非人類’。研究物理的時候，我需要感覺到我仍然是人類的一部分。”
參考資料及註釋
[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/
本文譯自 Model physicist https://cerncourier.com/a/model-physicist/