1979年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)——弱電統(tǒng)一理論.doc

1979年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)弱電統(tǒng)一理論1979年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)弱電統(tǒng)一理論1979年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予美國(guó)馬薩諸塞州坎伯利基哈佛大學(xué)萊曼實(shí)驗(yàn)室的格拉肖（Sheldon L.Glashow，1932）、英國(guó)倫敦帝國(guó)科技學(xué)院的巴基斯坦物理學(xué)家薩拉姆（Abdus Salam，19261996）和美國(guó)馬薩諸塞州坎伯利基哈佛大學(xué)的溫伯格（Steven Weinberg，1933），以表彰他們?cè)诎l(fā)展基本粒子之間的弱電相互作用理論的貢獻(xiàn)，特別是預(yù)言了弱中性流。有人說，相對(duì)論和量子力學(xué)是20世紀(jì)物理學(xué)最重要的成果，而把電磁力和弱力統(tǒng)一在一起的弱電相互作用理論則是20世紀(jì)的最高點(diǎn)，這無疑是恰當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)。格拉肖1932年12月5日出生于美國(guó)紐約。父親為了躲避沙俄對(duì)猶太人的迫害，年輕時(shí)從俄國(guó)移居到美國(guó)，當(dāng)了一名管鉗工。格拉肖有兩個(gè)哥哥，比他大十幾歲。父母和哥哥都很喜歡他，給他創(chuàng)造了較好的條件，讓他學(xué)習(xí)科學(xué)。他在家里的地下室有自己的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，從小就對(duì)科學(xué)有強(qiáng)烈的興趣。1947年格拉肖進(jìn)紐約的布朗克斯理科中學(xué)，溫伯格是他的同窗好友。從這時(shí)起就開始了他們之間的共同追求。格拉肖酷愛讀書，并組織了一個(gè)科學(xué)幻想俱樂部，出版了中學(xué)科學(xué)幻想雜志。1950年格拉肖和溫伯格一起進(jìn)入康奈爾大學(xué)。格拉肖對(duì)這里的本科教學(xué)不大滿意，因?yàn)橛忻慕淌诙既ソo研究生開課，于是就在三四年級(jí)時(shí)選修了經(jīng)典電磁理論、量子場(chǎng)論之類的研究生課程。他還經(jīng)常參加學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)。和中學(xué)時(shí)期一樣，他喜歡和同學(xué)們討論問題。1954年大學(xué)畢業(yè)，格拉肖來到哈佛大學(xué)，選擇了著名物理學(xué)家施溫格當(dāng)自己的導(dǎo)師。在施溫格的指導(dǎo)下，格拉肖選取了“基本粒子衰變中的矢量介子”作為自己的博士論文題目。1958年獲博士學(xué)位。后得到一筆美國(guó)科學(xué)基金會(huì)資助來到丹麥的理論物理研究所。在這里做了兩年的研究工作，就在這段時(shí)期，他發(fā)現(xiàn)了關(guān)于弱電統(tǒng)一理論的SU（2）U（1）模型。這項(xiàng)重要工作實(shí)際上在做博士論文時(shí)就已有準(zhǔn)備，他在論文附錄中就提到了弱電統(tǒng)一的思想，而這一思想正是他的導(dǎo)師施溫格首先倡導(dǎo)的。1956年施溫格就已開始考慮弱電統(tǒng)一理論。這件事的由來還應(yīng)追溯到李政道和楊振寧對(duì)弱相互作用中宇稱不守恒的發(fā)現(xiàn)。這一發(fā)現(xiàn)促使人們認(rèn)識(shí)到弱相互作用是普適的VA型理論，并使人們注意到弱相互作用和電磁相互作用之間有某種共同點(diǎn)，從而進(jìn)一步考慮兩者之間的統(tǒng)一性。施溫格在1957年發(fā)表的論文中提出弱相互作用是由光子和兩個(gè)矢量玻色子傳遞的，這三種粒子應(yīng)該組成三重態(tài)。這個(gè)理論雖然因?yàn)楸旧淼娜毕荩菏菑埩啃偷亩皇荲-A型的，又沒有考慮到弱中性流，因此沒有成功。1958年格拉肖把他的博士論文附錄擴(kuò)展為以“矢量介子相互作用的可重正性”為題的論文，他主張弱電統(tǒng)一理論應(yīng)以楊振寧和米爾斯（R.L.Mills）的規(guī)范理論為基礎(chǔ)。在這篇論文中他還試圖證明楊-米爾斯理論是可重正的。這一年格拉肖到英國(guó)就他自己對(duì)弱電統(tǒng)一理論的看法作了一次學(xué)術(shù)報(bào)告，聽眾中有來自巴基斯坦的薩拉姆。薩拉姆也是受施溫格的啟發(fā)正在研究統(tǒng)一弱電相互作用的問題，并對(duì)重正化大傷腦筋，因?yàn)樗退暮献髡哌€一時(shí)無法克服無窮大的問題。當(dāng)他聽格拉肖說到自己的理論是可重正化時(shí)，竟大為驚奇。于是仔細(xì)研究了格拉肖的做法，結(jié)果發(fā)現(xiàn)格拉肖的論文有錯(cuò)誤。格拉肖并沒有因?yàn)檫@件難堪的事灰心，他繼續(xù)進(jìn)行弱電統(tǒng)一理論的研究。1960年，格拉肖發(fā)現(xiàn)描述弱電相互作用的規(guī)范群必須大于SU（2）。由此他想出了一條通向可重正化的方案，即在SU（2）U（1）群中有兩個(gè)電中性的傳播子，一個(gè)是無質(zhì)量的光子，另一個(gè)是有質(zhì)量的中性矢量介子。格拉肖把這個(gè)想像中的中性矢量介子稱為B。他把這些思想寫成論文“弱相互作用的部分對(duì)稱性”。這篇論文與1958年寫成的那一篇不同之處在于，他假設(shè)弱電統(tǒng)一規(guī)范粒子是四個(gè)，而前一篇假設(shè)的是三個(gè)，即一個(gè)矢量玻色子的三重態(tài)。他現(xiàn)在假設(shè)應(yīng)該在三重態(tài)之外再引入一個(gè)中性矢量玻色子。也就是說，還存在有一種全新的弱相互作用，是由假設(shè)中的中性矢量玻色子傳播的。這一矢量分子B多年后才得到證實(shí)，人們稱之為Z。然而，格拉肖的理論仍然沒有得到人們的響應(yīng)，主要的原因當(dāng)然是他假設(shè)的B矢量介子一時(shí)得不到證實(shí)，而且他的理論仍然是不可重正的，他把量子電動(dòng)力學(xué)和楊-米爾斯的規(guī)范理論這兩種理論聯(lián)合成一體，可是電磁作用力宇稱守恒，而弱相互作用宇稱不守恒，有點(diǎn)自相矛盾。格拉肖沒有氣餒，1961年又寫了一篇論文討論弱電統(tǒng)一理論。他的同學(xué)溫伯格和正在英國(guó)的薩拉姆繼續(xù)推進(jìn)這項(xiàng)研究使之達(dá)到完善。溫伯格和格拉肖一樣也是出生于美國(guó)紐約，他比格拉肖小幾個(gè)月，是1933年5月3日出生的。和格拉肖一樣，溫伯格也是從小熱愛科學(xué)，后來兩人一起念中學(xué)和大學(xué)，在他們的集體中還有一位物理學(xué)家，名叫費(fèi)恩伯格（G.Feinberg）。費(fèi)恩伯格和溫伯格后來還一起研究過介子物理，并聯(lián)名發(fā)表過幾篇論文。三人從小要好，都是中學(xué)科學(xué)幻想俱樂部的成員，經(jīng)常聚會(huì)，討論科學(xué)問題。在大學(xué)期間，溫伯格就選定理論物理學(xué)作為自己的專業(yè)。1955年他進(jìn)入普林斯頓大學(xué)，在特萊曼（S.Treiman）的指導(dǎo)下做博士論文，選題就是重正化理論在弱作用過程中強(qiáng)相互作用效應(yīng)的應(yīng)用，題名“強(qiáng)相互作用在衰變過程中的作用”?？梢姡卣谒墓ぷ髦姓加兄匾匚?。1957年1959年，溫伯格在哥倫比亞大學(xué)當(dāng)博士后，以后又到伯克利加州大學(xué)工作。他的研究對(duì)象相當(dāng)廣泛：從量子場(chǎng)論到宇宙學(xué)中的中微子問題、流代數(shù)問題和量子色動(dòng)力學(xué)。弱相互作用則是他工作的重點(diǎn)，多年來，他和其他人合作寫過多篇很有影響的論文。對(duì)于弱電統(tǒng)一理論，溫伯格開始得比較晚，大約在1965年1967年，他涉足手征對(duì)稱性問題。他導(dǎo)出了介子散射長(zhǎng)度的一般結(jié)果，解決了計(jì)算形狀因子的問題。他研究了強(qiáng)相互作用破壞SU（2）U（2）對(duì)稱性的含義。他認(rèn)為SU（2）U（2）對(duì)稱性也許不僅是整體對(duì)稱性，很可能是定域?qū)ΨQ性。也就是說，強(qiáng)相互作用有可能用像楊-米爾斯理論之類的形式來描述。在此基礎(chǔ)上他提出了一個(gè)模型，模型中起傳播作用的是介子三重態(tài)。在研究中他發(fā)現(xiàn)了諧函數(shù)求和規(guī)則。然而，SU（2）U（2）理論不是規(guī)范不變的，因此不能重正化。要使理論滿足規(guī)范不變性，軸矢量介子應(yīng)為重粒子，介子是無質(zhì)量的，介子應(yīng)該不存在?？墒牵@樣似乎又與實(shí)驗(yàn)相矛盾。1967年秋季的一天，溫伯格在開車時(shí)偶然地閃現(xiàn)出一道思想火花。為什么不可以把強(qiáng)相互作用的數(shù)學(xué)工具用在弱相互作用和中間矢量玻色子的問題上。沒有質(zhì)量的粒子不是介子，而應(yīng)該是光子，隨伴著它的不是軸矢量介子，而應(yīng)該是有質(zhì)量的中間玻色子。而中間玻色子是傳遞弱相互作用的。這樣一來，弱相互作用和電磁相互作用就可以在規(guī)范對(duì)稱性的思想下統(tǒng)一地描述。于是，溫伯格就開始構(gòu)筑弱電統(tǒng)一規(guī)范理論，并利用對(duì)稱性自發(fā)破缺機(jī)制（黑格斯機(jī)制）解釋了光子和中間玻色子的質(zhì)量差異。當(dāng)溫伯格向公眾發(fā)表自己的新理論時(shí)，薩拉姆也提出了相同的理論。薩拉姆1926年1月29日出生于原屬印度的旁遮普邦農(nóng)村的書香門第家庭，從小受嚴(yán)格的良好教育，他是個(gè)神童，6歲半就進(jìn)了小學(xué)四年級(jí)，14歲以優(yōu)異的成績(jī)中學(xué)畢業(yè)，得獎(jiǎng)學(xué)金上了旁遮普大學(xué)，1946年獲數(shù)學(xué)碩士學(xué)位。同年進(jìn)入英國(guó)劍橋大學(xué)，并從數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)修物理。他對(duì)狄拉克十分崇拜，打算做一名理論物理學(xué)家。同時(shí)他也注重實(shí)驗(yàn)，一度進(jìn)入卡文迪什實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)和工作。不過最后還是回到理論方面。1950年，薩拉姆發(fā)表了論