一切都始于無窮大的謎題。求解答案中出現(xiàn)的無窮大對物理學(xué)家來說是一個難題,這代表著理論的失敗。令人沮喪的是,在20世紀30年代杰出工作的高峰量子電動力學(xué)(QED)這一偉大理論的應(yīng)用之中,無窮大不斷出現(xiàn)。到20世紀50年代,這個困境的解決方案引發(fā)了三十年極富創(chuàng)意的研究活動,這個過程伴隨著物理學(xué)家們尋求統(tǒng)一自然界的三種基本作用力電磁力、弱作用力和強作用力所做的努力。
為解決無窮大謎題和統(tǒng)一基本相互作用力而進行探索的歷史故事。《無窮大謎題》作者弗蘭克·克洛斯是一位粒子物理學(xué)家,他本人見證了這個物理學(xué)黃金時代的后半部分,在書中刻畫出了科研競爭中的人性方面。無論在科學(xué)上還是對個人而言,研究無窮大謎題的回報相當(dāng)之高。解決這些問題的意義都很重大,帶來的是諾貝爾獎和永恒的榮耀。書中的人物包括許多20世紀后期偉大的物理學(xué)家:溫伯格,薩拉姆,特霍夫特,沃德,希格斯,等等?寺逅沟臄⑹稣故玖顺旱闹橇Α⒔┚、個性、政治以及相當(dāng)?shù)倪\氣在取得物理學(xué)重大突破的過程中是如何發(fā)揮了各自的作用,而正是這些重大突破為歐洲核子中心(CERN)進行的實驗奠定了基礎(chǔ)。
《無窮大謎題》原著是美國學(xué)者弗蘭克·克洛斯撰寫的一部科普著作,介紹量子物理學(xué)的不確定性原理在量子場論上的應(yīng)用與驗證,闡述由早期量子物理學(xué)發(fā)展而來的當(dāng)代量子物理學(xué)在探索宇宙的生成過程與變化趨勢中的作用,以比較通俗的文字作量子物理學(xué)不確定性之謎的科學(xué)解說,是一部獨樹一幟的科普讀物。
泰尼.韋爾特曼是一個特立獨行的人:性格直率,且從不回避爭議。在別人要么半途而廢,要么根本就怯于嘗試的時候,他的勇往直前給他帶來了成功?梢哉f,正是這個性格將他送上了通往諾貝爾物理學(xué)獎的道路。他成功的另一部分原因則是很幸運地擁有一個學(xué)生,這個學(xué)生的天才之處在于運用韋爾特曼所鑄造的工具構(gòu)建了一個杰出的理論。
韋爾特曼和他的門生赫拉德·特霍夫特有著天壤之別。韋爾特曼體魄高大,胡須濃密,嘴里經(jīng)常叼著一根雪茄,或者在作報告的時候揮舞夾著雪茄的手。當(dāng)他把某些競爭對手的工作斥之為胡扯或者垃圾的時候,他那近乎完美的英語會帶著荷蘭語元音的共鳴。這種口無遮攔的作風(fēng),再加上他對如何從事科研所持有的根深蒂固的信念很容易令人誤解,便掩蓋住了他敏感而體貼的性格。他的呢稱泰尼是馬丁努斯的簡稱,①考慮到他的體魄,這個昵稱聽起來有點搞笑。
特霍夫特相比之下身材瘦小,頭發(fā)稀疏,衣冠楚楚地穿著西裝打著領(lǐng)帶,留著小胡子。這樣的形象使他很容易被誤認為是一名英國鄉(xiāng)村醫(yī)生或者一名會計。②在我們的討論中我總有一種感覺,似乎他早已知道我要告訴他的事情,而他只不過是在禮貌地等著聽一點兒新奇的東西。他開腔說話的時候,輕聲細語之中帶著真正的力量,還有一點兒干巴巴的幽默感,讓人覺得他所說的毋庸置疑都是正確的。
這兩個人四十年前的相遇注定將改變物理學(xué)的世界。然而,作為老師的韋爾特曼如今和自己的學(xué)生特霍夫特卻已經(jīng)漸行漸遠,雖然他的思想使得他的明星學(xué)生創(chuàng)造了傳世之作。在韋爾特曼寫的關(guān)于粒子物理的書中,特霍夫特的出現(xiàn)僅限于一張照片和幾行文字。他把特霍夫特的突破描述為一項精彩的工作,他對此在當(dāng)時極為欣喜,這看上去挺令人費解。當(dāng)韋爾特曼在1971年自豪地把他年輕的大師介紹給世人的時候,他們那時的關(guān)系正十分親近和諧。無窮大之謎約半個世紀前,也就是在古希臘哲學(xué)家們首次構(gòu)想出原子這個概念的兩千多年后,人們發(fā)現(xiàn)作為物質(zhì)基本組成部分的原子是由更加小的粒子所構(gòu)成,即原子核和電子,重的原子核位于原子的中心,電子很輕,遠遠地圍繞原子核作旋轉(zhuǎn)運動。
原子核能的巨大威力在日本廣島原子彈爆炸中得以展現(xiàn),這之后,理解原子核的性質(zhì)以及在其中起著控制作用的神秘力量便成為當(dāng)時科學(xué)研究的新前沿。那時,人們已經(jīng)清楚地知道原子核本身具有迷宮一般的結(jié)構(gòu),但令人驚訝的是,科學(xué)家們觀察原子核的距離越近,它看上去就越復(fù)雜。更有甚者,實驗觀測發(fā)現(xiàn),作為來自外太空的宇宙射線撞擊我們頭頂上大氣層的結(jié)果,許多奇異的粒子從天空傾瀉而下,它們類似于在地球上發(fā)現(xiàn)的粒子,卻有著不同的行為方式。地面實驗室里的科學(xué)家們未曾想到過的這些外來的物質(zhì)形式,正在改變著我們對自然界的整體認識。任何想要描述宇宙的理論都必須對其給出解釋。
在這段時期,物理學(xué)界掀起了追求重大突破的克朗代克淘金熱。一些高能物理理論學(xué)者試圖占據(jù)一席之地,他們把半吊子的研究成果發(fā)表在毫無名氣的期刊上。這樣做的邏輯似乎是,如果你的想法到頭來證明是錯的,那么沒有幾個人會留意,這篇論文會悄無聲息地被遺忘。然而,如果以后有實驗證明你的想法是對的,到時候你就可以向世人重新提起你的論文并且宣稱優(yōu)先權(quán)。
在這個狂熱期里,始終有一個突出的問題得不到解決,這就是我稱之為無窮大謎題的問題。當(dāng)時物理學(xué)界有三個偉大的理論:19世紀麥克斯韋的電磁理論、1905年愛因斯坦的狹義相對論和20世紀20年代發(fā)展起來的量子力學(xué),它們分別作出了許多意義深遠的預(yù)言,并且最終都被證明完全正確。比如,將光描述成具有恒定速度的電磁波;質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量的質(zhì)能方程E=mc2,其中c是光速;通過對原子美麗光譜的定量描述來解釋原子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,等等。在20世紀30年代,這些理論的統(tǒng)一產(chǎn)生了描述電磁作用力,以及光與原子相互作用的完整理論量子電動力學(xué)(QED)。
趙強,1988-1998年就學(xué)于北京大學(xué)技術(shù)系。本科和碩士)和物理系(博士)。1998-2005年曾在法國和英國從事博士后研究,入選英國EPSRC基金會青年人才計劃Advanced ResearchFellow。2005年起,受騁高能物理研究所引進國外杰出人才(百人計劃)研究員,獲國家自然科學(xué)基金委杰出青年科學(xué)基金資助,入選科技部中青年科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才計劃和第三批國家萬人計劃科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才,F(xiàn)為中國物理學(xué)會高能物理分會秘書長,中國物理學(xué)會核物理分會常務(wù)委員。主要從事中高能物理核物理、強子物理和粒子物理唯象理論研究。
致謝
序言:阿姆斯特丹1971年
第一部分 創(chuàng)世記
第1章 無窮大的點
第2章 謝爾特島和QED
第3章 費恩曼、施溫格……和朝永振一郎(以及戴森)
幕間休息1950年
第4章 阿布杜斯·薩拉姆一個強勁的開端
第5章 楊一米爾斯……和肖
第6章 約翰·沃德恒等式
第7章 弱相互作用力和電磁作用力的結(jié)合至1964年
幕間休息1960年
第8章 對稱性破缺
第9章 以我名字命名的這個玻色子,即希格斯玻色子
幕間休息20世紀60年代中期
第10章 1967年:從基布爾到薩拉姆和溫伯格
第11章 現(xiàn)在,我介紹一下特霍夫特先生
幕間休息20世紀70年代初期
第二部分 啟示錄
第12章 BJ和宇宙夸克
第13章 錯誤的喜劇
幕間休息1975年
第14章 重光子
第15章 熱烈贊美,當(dāng)之無愧
第16章 大型實驗裝置
幕間休息20世紀末
第17章 通往無窮大及其之外
尾聲:無窮大的篝火盛宴
后記
參考文獻
注釋
人名中英對照表