当代最伟大物理学家之一、诺奖得主史蒂文·温伯格,如何用研究改变世界

百家 作者:机器之心 2021-08-23 19:21:58 阅读:209

选自quantamagazine

作者:Nima Arkani-Hamed

机器之心编译

编辑:陈萍

温伯格的贡献将永远光耀物理世界。


2021 年 7 月 24 日(北京时间),当代最伟大的物理学家之一史蒂文・温伯格(Steven Weinberg)教授在美国逝世,享年 88 岁。温伯格因提出电弱统一理论获得了 1979 年诺贝尔物理学奖。以此为基础,基础物理学被彻底改变了,他是量子场论的大师,能把复杂的理论以全新的方式重构并解释,其独特的思想以及诸多著作影响了几代物理学者,并将持续给予后来者灵感。


1977 年,温伯格在美国物理学会会议上,他在粒子物理学方面的工作重新定义了我们对宇宙的理解。


温伯格是当代最伟大的物理学家之一 


统一和对称的主题推动了温伯格的研究,并成就了他在电弱统一理论方面的重大突破,该理论揭示了宇宙中四种基本力中的两种力之间存在的隐藏的统一。一般来说,电磁力和弱力似乎完全不同:我们在日常生活中将电磁波视为光,而负责放射性的弱力则在亚核尺度上起作用。温伯格意识到,在非常高的能量下,这两种力应该是交织在一起的,这被称为杨 - 米尔斯理论,该理论的方程有一种特殊的性质——规范对称(gauge symmetry)。


但是这种基本的共性被所谓的希格斯机制掩盖,该机制为基本粒子如电子、 W 粒子、 Z 粒子(介导短程弱相互作用)生成质量,同时使长程光子的质量为零 。1967 年希格斯为实现这一愿景对提出的模型做出了许多详细的预测,并在 20 世纪 70 年代和 80 年代的实验中得到了证实,并在 2012 年有研究发现了希格斯粒子。1979 年,温伯格与另外两位物理学家谢尔登 · 格拉肖(Sheldon Glashow)和阿卜杜勒 · 萨拉姆(Abdus Salam)一起获得了诺贝尔物理学奖,它是粒子物理学标准模型的支柱。


1979 年温伯格获得诺贝尔物理学奖,他的学生表示祝贺。


温伯格更关心自然法则的一般属性而不是特定模型。他有一种明确无误的风格,即对问题从一般原则开始讨论,并发展出系统的论据链,一步一步逐步进行,这对他来说似乎是不可避免的过程。他也热爱数学,并将其用作描述世界的工具。温伯格提出了一些简单而深刻的问题,例如:为什么用量子场论来描述自然?为什么关于基本粒子及其相互作用的性质的描述如此之少?


面对这些问题,温伯格从不同的角度重新构想了量子场论,以狭义相对论、量子力学和粒子概念为起点。在他的早期工作中,他研究了由无质量粒子、光子和引力子介导的长程力,如电磁力和引力。像所有基本粒子一样,这些粒子具有内在角动量或自旋,以量化单位表示:光子自旋为 1,引力子自旋为 2。


温伯格的研究表明:狭义相对论和量子力学对无质量粒子的相互作用施加了惊人的限制。自旋 1 粒子必须由方程具有规范对称性的理论来描述,而自旋 2 粒子必须具有引力子的特性,并且对所有粒子具有普遍的耦合强度。这为爱因斯坦假设的等效原理提供了更深层次的推导,等效原理也是爱因斯坦发展广义相对论的起点。


温伯格另一个里程碑式的贡献是他提出了「有效场论」的概念,改变了我们对量子场论描述世界的理解。温伯格认为,量子力学和局域性的原理(即在时空中相距足够远的实验不应相互影响),保证了在某种能量尺度上可接近的粒子之间的相互作用一定能够由一个简单的「有效」量子场论来描述,该理论只涉及这些粒子。粒子间的主要相互作用是由有限数量的相互作用强度给出的,而在更高能量下的未知物理学中的相互作用则被系统地编码在一个较小相互作用的无限集中。


最重要的是,温伯格是一个伟大的统一者。他不喜欢将引力视为时空曲率,因为这一观点使引力在定义所有其他现象发生的领域时是一个特例,这也阻止了研究人员看到引力与宇宙之间更深层次的联系。这促使温伯格在他的著作《引力和宇宙学——广义相对论的原理和应用》中,用粒子物理学的方法阐述了广义相对论。他还意识到,粒子物理学和宇宙学这两个看似不同的领域必须统一起来,因为在大爆炸后不久,基本粒子之间的高能碰撞在早期的宇宙炎热、密集的条件下无处不在。温伯格提供了必要的理论工具,开启了早期宇宙学探索的黄金时代。


温伯格除了在物理学方面的开创性工作外,他还写了几部广受欢迎的物理学著作,这些著作对其他研究人员都产生了重大影响。


温伯格对宇宙学的迷恋使他也思考了宇宙学常数的问题。在真空中随处可见剧烈的量子涨落,这种现象赋予了真空空间巨大的能量密度,并导致时空高度弯曲,这与我们观察到的大而平坦的宇宙截然不同。为什么真空能量,或者说宇宙学常数这么小?


1987 年温伯格提出了一个激进的方法来解决这个问题,使用了「人择原理」的最小版本。他推断,也许真空能量可以有不同的值,如果它大于特定的微小尺寸,宇宙的加速膨胀会在星系有机会形成之前撕裂它们,导致无结构的空宇宙。


温伯格认为,这预测出了真空能量微小但非零。1998 年,天文学家发现宇宙的膨胀正在加速,对这一现象最简单的解释是真空能量是存在的,其大小与温伯格的论点相符。温伯格的研究在很大程度上让领域内规避了围绕人择原理存在的许多无聊猜想,推动研究者们务实地使用人择原理对自然做出正确的预测。


温伯格一生著作无数


温伯格除了是最伟大的理论物理学家之一,还是基础物理学领域的杰出代表。他一生发表了超过 300 篇研究论文,出版了多部著作。其中包括 1972 年出版的《引力和宇宙学——广义相对论的原理和应用》;1977 年温伯格出版了科普名著《最初三分钟》,该书通俗而精彩地介绍了关于宇宙起源的现代观点,已被译成 22 种文字出版,一经面世立即成为经典,对普通公众和专业研究人员都产生了深远的影响。许多物理学家都是从这本书开始学习宇宙学的;1993 年温伯格出版《终极理论之梦》,讲述了对自然的统一理论的伟大追求:一个能解释从原子内部的联结到太阳与地球的吸引等不同的力的理论。


史蒂文 · 温伯格《最初三分钟》。


此外,温伯格的著作还包括《亚原子粒子的发现》、三卷本《量子场论》、《仰望苍穹:科学反击文化敌手》、《宇宙学》等。


史蒂文 · 温伯格《仰望苍穹》。


史蒂文 · 温伯格《量子场论》第一卷。


温伯格还获得过许多奖项,包括丹尼 · 海涅曼数学物理奖(1977 年)、美国国家科学奖章(1991)、基础物理学突破奖(2020 年)、马塞尔 · 格罗斯曼奖等奖项。


英国著名生物学家理查德 · 道金斯对温伯格的评价是:一位真正的智者、卓越的理论物理学家。纽约时报记者詹姆斯 · 格兰茨评价称:他是一位能写出富有启迪性且能触动人心作品的大散文家。


大师虽已逝去,但他为我们留下了宝贵的财富,他的科学成就深刻地改变了现代物理学的面貌。


原文链接:

https://www.quantamagazine.org/how-steven-weinberg-transformed-physics-and-physicists-20210811/

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