一切都始于無(wú)窮大的謎題。求解答案中出現(xiàn)的無(wú)窮大對(duì)物理學(xué)家來(lái)說(shuō)是一個(gè)難題,這代表著理論的失敗。令人沮喪的是,在20世紀(jì)30年代杰出工作的高峰量子電動(dòng)力學(xué)(QED)這一偉大理論的應(yīng)用之中,無(wú)窮大不斷出現(xiàn)。到20世紀(jì)50年代,這個(gè)困境的解決方案引發(fā)了三十年極富創(chuàng)意的研究活動(dòng),這個(gè)過(guò)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(qiáng)作用力所做的努力。
為解決無(wú)窮大謎題和統(tǒng)一基本相互作用力而進(jìn)行探索的歷史故事!稛o(wú)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(jiàn)證了這個(gè)物理學(xué)黃金時(shí)代的后半部分,在書(shū)中刻畫(huà)出了科研競(jìng)爭(zhēng)中的人性方面。無(wú)論在科學(xué)上還是對(duì)個(gè)人而言,研究無(wú)窮大謎題的回報(bào)相當(dāng)之高。解決這些問(wèn)題的意義都很重大,帶來(lái)的是諾貝爾獎(jiǎng)和永恒的榮耀。書(shū)中的人物包括許多20世紀(jì)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、僵局、個(gè)性、政治以及相當(dāng)?shù)倪\(yùn)氣在取得物理學(xué)重大突破的過(guò)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(jìn)行的實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。
《無(wú)窮大謎題》原著是美國(guó)學(xué)者弗蘭克·克洛斯撰寫(xiě)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(chǎng)論上的應(yīng)用與驗(yàn)證,闡述由早期量子物理學(xué)發(fā)展而來(lái)的當(dāng)代量子物理學(xué)在探索宇宙的生成過(guò)程與變化趨勢(shì)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(shuō),是一部獨(dú)樹(shù)一幟的科普讀物。
泰尼.韋爾特曼是一個(gè)特立獨(dú)行的人:性格直率,且從不回避爭(zhēng)議。在別人要么半途而廢,要么根本就怯于嘗試的時(shí)候,他的勇往直前給他帶來(lái)了成功?梢哉f(shuō),正是這個(gè)性格將他送上了通往諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的道路。他成功的另一部分原因則是很幸運(yùn)地?fù)碛幸粋(gè)學(xué)生,這個(gè)學(xué)生的天才之處在于運(yùn)用韋爾特曼所鑄造的工具構(gòu)建了一個(gè)杰出的理論。
韋爾特曼和他的門(mén)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(bào)告的時(shí)候揮舞夾著雪茄的手。當(dāng)他把某些競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的工作斥之為胡扯或者垃圾的時(shí)候,他那近乎完美的英語(yǔ)會(huì)帶著荷蘭語(yǔ)元音的共鳴。這種口無(wú)遮攔的作風(fēng),再加上他對(duì)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(chēng)泰尼是馬丁努斯的簡(jiǎn)稱(chēng),①考慮到他的體魄,這個(gè)昵稱(chēng)聽(tīng)起來(lái)有點(diǎn)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(rèn)為是一名英國(guó)鄉(xiāng)村醫(yī)生或者一名會(huì)計(jì)。②在我們的討論中我總有一種感覺(jué),似乎他早已知道我要告訴他的事情,而他只不過(guò)是在禮貌地等著聽(tīng)一點(diǎn)兒新奇的東西。他開(kāi)腔說(shuō)話(huà)的時(shí)候,輕聲細(xì)語(yǔ)之中帶著真正的力量,還有一點(diǎn)兒干巴巴的幽默感,讓人覺(jué)得他所說(shuō)的毋庸置疑都是正確的。
這兩個(gè)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(yuǎn),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(xiě)的關(guān)于粒子物理的書(shū)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(xiàng)精彩的工作,他對(duì)此在當(dāng)時(shí)極為欣喜,這看上去挺令人費(fèi)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(shí)候,他們那時(shí)的關(guān)系正十分親近和諧。無(wú)窮大之謎約半個(gè)世紀(jì)前,也就是在古希臘哲學(xué)家們首次構(gòu)想出原子這個(gè)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(yuǎn)遠(yuǎn)地圍繞原子核作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
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(shí)科學(xué)研究的新前沿。那時(shí),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(shí)驗(yàn)觀測(cè)發(fā)現(xiàn),作為來(lái)自外太空的宇宙射線(xiàn)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(lèi)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(shí)驗(yàn)室里的科學(xué)家們未曾想到過(guò)的這些外來(lái)的物質(zhì)形式,正在改變著我們對(duì)自然界的整體認(rèn)識(shí)。任何想要描述宇宙的理論都必須對(duì)其給出解釋。
在這段時(shí)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(wú)名氣的期刊上。這樣做的邏輯似乎是,如果你的想法到頭來(lái)證明是錯(cuò)的,那么沒(méi)有幾個(gè)人會(huì)留意,這篇論文會(huì)悄無(wú)聲息地被遺忘。然而,如果以后有實(shí)驗(yàn)證明你的想法是對(duì)的,到時(shí)候你就可以向世人重新提起你的論文并且宣稱(chēng)優(yōu)先權(quán)。
在這個(gè)狂熱期里,始終有一個(gè)突出的問(wèn)題得不到解決,這就是我稱(chēng)之為無(wú)窮大謎題的問(wèn)題。當(dāng)時(shí)物理學(xué)界有三個(gè)偉大的理論:19世紀(jì)麥克斯韋的電磁理論、1905年愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論和20世紀(jì)20年代發(fā)展起來(lái)的量子力學(xué),它們分別作出了許多意義深遠(yuǎn)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(guò)對(duì)原子美麗光譜的定量描述來(lái)解釋原子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,等等。在20世紀(jì)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(dòng)力學(xué)(QED)。
趙強(qiáng),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(guó)和英國(guó)從事博士后研究,入選英國(guó)EPSRC基金會(huì)青年人才計(jì)劃Advanced ResearchFellow。2005年起,受騁高能物理研究所引進(jìn)國(guó)外杰出人才(百人計(jì)劃)研究員,獲國(guó)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(jì)劃和第三批國(guó)家萬(wàn)人計(jì)劃科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才,F(xiàn)為中國(guó)物理學(xué)會(huì)高能物理分會(huì)秘書(shū)長(zhǎng),中國(guó)物理學(xué)會(huì)核物理分會(huì)常務(wù)委員。主要從事中高能物理核物理、強(qiáng)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(wú)窮大的點(diǎn)
第2章 謝爾特島和QED
第3章 費(fèi)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(gè)強(qiáng)勁的開(kāi)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(duì)稱(chēng)性破缺
第9章 以我名字命名的這個(gè)玻色子,即希格斯玻色子
幕間休息20世紀(jì)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(jì)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(cuò)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(wú)愧
第16章 大型實(shí)驗(yàn)裝置
幕間休息20世紀(jì)末
第17章 通往無(wú)窮大及其之外
尾聲:無(wú)窮大的篝火盛宴
后記
參考文獻(xiàn)
注釋
人名中英對(duì)照表