一切都始于無窮大的謎題。求解答案中出現的無窮大對物理學家來說是一個難題,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(QED)這一偉大理論的應用之中,無窮大不斷出現。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!稛o窮大謎題》作者弗蘭克·克洛斯是一位粒子物理學家,他本人見證了這個物理學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。無論在科學上還是對個人而言,研究無窮大謎題的回報相當之高。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、個性、政治以及相當的運氣在取得物理學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。
《無窮大謎題》原著是美國學者弗蘭克·克洛斯撰寫的一部科普著作,介紹量子物理學的不確定性原理在量子場論上的應用與驗證,闡述由早期量子物理學發(fā)展而來的當代量子物理學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不確定性之謎的科學解說,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生,這個學生的天才之處在于運用韋爾特曼所鑄造的工具構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,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的世界。然而,作為老師的韋爾特曼如今和自己的學生特霍夫特卻已經漸行漸遠,雖然他的思想使得他的明星學生創(chuàng)造了傳世之作。在韋爾特曼寫的關于粒子物理的書中,特霍夫特的出現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,他對此在當時極為欣喜,這看上去挺令人費解。當韋爾特曼在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家們首次構想出原子這個概念的兩千多年后,人們發(fā)現作為物質基本組成部分的原子是由更加小的粒子所構成,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,這之后,理解原子核的性質以及在其中起著控制作用的神秘力量便成為當時科學研究的新前沿。那時,人們已經清楚地知道原子核本身具有迷宮一般的結構,但令人驚訝的是,科學家們觀察原子核的距離越近,它看上去就越復雜。更有甚者,實驗觀測發(fā)現,作為來自外太空的宇宙射線撞擊我們頭頂上大氣層的結果,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)現的粒子,卻有著不同的行為方式。地面實驗室里的科學家們未曾想到過的這些外來的物質形式,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者試圖占據一席之地,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。
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。當時物理學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,它們分別作出了許多意義深遠的預言,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;質量轉化為能量的質能方程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構的穩(wěn)定性,等等。在20世紀30年代,這些理論的統(tǒng)一產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(QED)。
趙強,1988-1998年就學于北京大學技術系。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,獲國家自然科學基金委杰出青年科學基金資助,入選科技部中青年科技創(chuàng)新領軍人才計劃和第三批國家萬人計劃科技創(chuàng)新領軍人才,F為中國物理學會高能物理分會秘書長,中國物理學會核物理分會常務委員。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