1979年諾貝爾物理學獎——弱電統(tǒng)一理論.doc

1979年諾貝爾物理學獎弱電統(tǒng)一理論1979年諾貝爾物理學獎弱電統(tǒng)一理論1979年諾貝爾物理學獎授予美國馬薩諸塞州坎伯利基哈佛大學萊曼實驗室的格拉肖（Sheldon L.Glashow，1932）、英國倫敦帝國科技學院的巴基斯坦物理學家薩拉姆（Abdus Salam，19261996）和美國馬薩諸塞州坎伯利基哈佛大學的溫伯格（Steven Weinberg，1933），以表彰他們在發(fā)展基本粒子之間的弱電相互作用理論的貢獻，特別是預(yù)言了弱中性流。有人說，相對論和量子力學是20世紀物理學最重要的成果，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世紀的最高點，這無疑是恰當?shù)脑u價。格拉肖1932年12月5日出生于美國紐約。父親為了躲避沙俄對猶太人的迫害，年輕時從俄國移居到美國，當了一名管鉗工。格拉肖有兩個哥哥，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，讓他學習科學。他在家里的地下室有自己的化學實驗室，從小就對科學有強烈的興趣。1947年格拉肖進紐約的布朗克斯理科中學，溫伯格是他的同窗好友。從這時起就開始了他們之間的共同追求。格拉肖酷愛讀書，并組織了一個科學幻想俱樂部，出版了中學科學幻想雜志。1950年格拉肖和溫伯格一起進入康奈爾大學。格拉肖對這里的本科教學不大滿意，因為有名的教授都去給研究生開課，于是就在三四年級時選修了經(jīng)典電磁理論、量子場論之類的研究生課程。他還經(jīng)常參加學術(shù)報告會。和中學時期一樣，他喜歡和同學們討論問題。1954年大學畢業(yè)，格拉肖來到哈佛大學，選擇了著名物理學家施溫格當自己的導(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年獲博士學位。后得到一筆美國科學基金會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。這項重要工作實際上在做博士論文時就已有準備，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)促使人們認識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，從而進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矢量玻色子傳遞的，這三種粒子應(yīng)該組成三重態(tài)。這個理論雖然因為本身的缺陷：是張量型的而不是V-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就他自己對弱電統(tǒng)一理論的看法作了一次學術(shù)報告，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，并對重正化大傷腦筋，因為他和他的合作者還一時無法克服無窮大的問題。當他聽格拉肖說到自己的理論是可重正化時，竟大為驚奇。于是仔細研究了格拉肖的做法，結(jié)果發(fā)現(xiàn)格拉肖的論文有錯誤。格拉肖并沒有因為這件難堪的事灰心，他繼續(xù)進行弱電統(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）群中有兩個電中性的傳播子，一個是無質(zhì)量的光子，另一個是有質(zhì)量的中性矢量介子。格拉肖把這個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，而前一篇假設(shè)的是三個，即一個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，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)，主要的原因當然是他假設(shè)的B矢量介子一時得不到證實，而且他的理論仍然是不可重正的，他把量子電動力學和楊-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。他的同學溫伯格和正在英國的薩拉姆繼續(xù)推進這項研究使之達到完善。溫伯格和格拉肖一樣也是出生于美國紐約，他比格拉肖小幾個月，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，后來兩人一起念中學和大學，在他們的集體中還有一位物理學家，名叫費恩伯格（G.Feinberg）。費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，都是中學科學幻想俱樂部的成員，經(jīng)常聚會，討論科學問題。在大學期間，溫伯格就選定理論物理學作為自己的專業(yè)。1955年他進入普林斯頓大學，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相互作用效應(yīng)的應(yīng)用，題名“強相互作用在衰變過程中的作用”?？梢?，重正化在他的工作中占有重要地位。1957年1959年，溫伯格在哥倫比亞大學當博士后，以后又到伯克利加州大學工作。他的研究對象相當廣泛：從量子場論到宇宙學中的中微子問題、流代數(shù)問題和量子色動力學。弱相互作用則是他工作的重點，多年來，他和其他人合作寫過多篇很有影響的論文。對于弱電統(tǒng)一理論，溫伯格開始得比較晚，大約在1965年1967年，他涉足手征對稱性問題。他導(dǎo)出了介子散射長度的一般結(jié)果，解決了計算形狀因子的問題。他研究了強相互作用破壞SU（2）U（2）對稱性的含義。他認為SU（2）U（2）對稱性也許不僅是整體對稱性，很可能是定域?qū)ΨQ性。也就是說，強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。可是，這樣似乎又與實驗相矛盾。1967年秋季的一天，溫伯格在開車時偶然地閃現(xiàn)出一道思想火花。為什么不可以把強相互作用的數(shù)學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，并利用對稱性自發(fā)破缺機制（黑格斯機制）解釋了光子和中間玻色子的質(zhì)量差異。當溫伯格向公眾發(fā)表自己的新理論時，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，從小受嚴格的良好教育，他是個神童，6歲半就進了小學四年級，14歲以優(yōu)異的成績中學畢業(yè)，得獎學金上了旁遮普大學，1946年獲數(shù)學碩士學位。同年進入英國劍橋大學，并從數(shù)學轉(zhuǎn)修物理。他對狄拉克十分崇拜，打算做一名理論物理學家。同時他也注重實驗，一度進入卡文迪什實驗室學習和工作。不過最后還是回到理論方面。1950年，薩拉姆發(fā)表了論