2021 年 7 月 24 日（北京時間），當(dāng)代最偉大的物理學(xué)家之一史蒂文?溫伯格（Steven Weinberg）教授在美國逝世，享年 88 歲。溫伯格因提出電弱統(tǒng)一理論獲得了 1979 年諾貝爾物理學(xué)獎。以此為基礎(chǔ)，基礎(chǔ)物理學(xué)被徹底改變了，他是量子場論的大師，能把復(fù)雜的理論以全新的方式重構(gòu)并解釋，其獨(dú)特的思想以及諸多著作影響了幾代物理學(xué)者，并將持續(xù)給予后來者靈感。 1977 年，溫伯格在美國物理學(xué)會會議上，他在粒子物理學(xué)方面的工作重新定義了我們對宇宙的理解。 溫伯格是當(dāng)代最偉大的物理學(xué)家之一 統(tǒng)一和對稱的主題推動了溫伯格的研究，并成就了他在電弱統(tǒng)一理論方面的重大突破，該理論揭示了宇宙中四種基本力中的兩種力之間存在的隱藏的統(tǒng)一。一般來說，電磁力和弱力似乎完全不同：我們在日常生活中將電磁波視為光，而負(fù)責(zé)放射性的弱力則在亞核尺度上起作用。溫伯格意識到，在非常高的能量下，這兩種力應(yīng)該是交織在一起的，這被稱為楊 - 米爾斯理論，該理論的方程有一種特殊的性質(zhì)——規(guī)范對稱（gauge symmetry）。 但是這種基本的共性被所謂的希格斯機(jī)制掩蓋，該機(jī)制為基本粒子如電子、 W 粒子、 Z 粒子（介導(dǎo)短程弱相互作用）生成質(zhì)量，同時使長程光子的質(zhì)量為零 。1967 年希格斯為實現(xiàn)這一愿景對提出的模型做出了許多詳細(xì)的預(yù)測，并在 20 世紀(jì) 70 年代和 80 年代的實驗中得到了證實，并在 2012 年有研究發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子。1979 年，溫伯格與另外兩位物理學(xué)家謝爾登 · 格拉肖（Sheldon Glashow）和阿卜杜勒 · 薩拉姆（Abdus Salam）一起獲得了諾貝爾物理學(xué)獎，它是粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的支柱。 1979 年溫伯格獲得諾貝爾物理學(xué)獎，他的學(xué)生表示祝賀。 溫伯格更關(guān)心自然法則的一般屬性而不是特定模型。他有一種明確無誤的風(fēng)格，即對問題從一般原則開始討論，并發(fā)展出系統(tǒng)的論據(jù)鏈，一步一步逐步進(jìn)行，這對他來說似乎是不可避免的過程。他也熱愛數(shù)學(xué)，并將其用作描述世界的工具。溫伯格提出了一些簡單而深刻的問題，例如：為什么用量子場論來描述自然？為什么關(guān)于基本粒子及其相互作用的性質(zhì)的描述如此之少? 面對這些問題，溫伯格從不同的角度重新構(gòu)想了量子場論，以狹義相對論、量子力學(xué)和粒子概念為起點(diǎn)。在他的早期工作中，他研究了由無質(zhì)量粒子、光子和引力子介導(dǎo)的長程力，如電磁力和引力。像所有基本粒子一樣，這些粒子具有內(nèi)在角動量或自旋，以量化單位表示：光子自旋為 1，引力子自旋為 2。 溫伯格的研究表明：狹義相對論和量子力學(xué)對無質(zhì)量粒子的相互作用施加了驚人的限制。自旋 1 粒子必須由方程具有規(guī)范對稱性的理論來描述，而自旋 2 粒子必須具有引力子的特性，并且對所有粒子具有普遍的耦合強(qiáng)度。這為愛因斯坦假設(shè)的等效原理提供了更深層次的推導(dǎo)，等效原理也是愛因斯坦發(fā)展廣義相對論的起點(diǎn)。 溫伯格另一個里程碑式的貢獻(xiàn)是他提出了「有效場論」的概念，改變了我們對量子場論描述世界的理解。溫伯格認(rèn)為，量子力學(xué)和局域性的原理（即在時空中相距足夠遠(yuǎn)的實驗不應(yīng)相互影響），保證了在某種能量尺度上可接近的粒子之間的相互作用一定能夠由一個簡單的「有效」量子場論來描述，該理論只涉及這些粒子。粒子間的主要相互作用是由有限數(shù)量的相互作用強(qiáng)度給出的，而在更高能量下的未知物理學(xué)中的相互作用則被系統(tǒng)地編碼在一個較小相互作用的無限集中。 最重要的是，溫伯格是一個偉大的統(tǒng)一者。他不喜歡將引力視為時空曲率，因為這一觀點(diǎn)使引力在定義所有其他現(xiàn)象發(fā)生的領(lǐng)域時是一個特例，這也阻止了研究人員看到引力與宇宙之間更深層次的聯(lián)系。這促使溫伯格在他的著作《引力和宇宙學(xué)——廣義相對論的原理和應(yīng)用》中，用粒子物理學(xué)的方法闡述了廣義相對論。他還意識到，粒子物理學(xué)和宇宙學(xué)這兩個看似不同的領(lǐng)域必須統(tǒng)一起來，因為在大爆炸后不久，基本粒子之間的高能碰撞在早期的宇宙炎熱、密集的條件下無處不在。溫伯格提供了必要的理論工具，開啟了早期宇宙學(xué)探索的黃金時代。 溫伯格除了在物理學(xué)方面的開創(chuàng)性工作外，他還寫了幾部廣受歡迎的物理學(xué)著作，這些著作對其他研究人員都產(chǎn)生了重大影響。 溫伯格對宇宙學(xué)的迷戀使他也思考了宇宙學(xué)常數(shù)的問題。在真空中隨處可見劇烈的量子漲落，這種現(xiàn)象賦予了真空空間巨大的能量密度，并導(dǎo)致時空高度彎曲，這與我們觀察到的大而平坦的宇宙截然不同。為什么真空能量，或者說宇宙學(xué)常數(shù)這么小？ 1987 年溫伯格提出了一個激進(jìn)的方法來解決這個問題，使用了「人擇原理」的最小版本。他推斷，也許真空能量可以有不同的值，如果它大于特定的微小尺寸，宇宙的加速膨脹會在星系有機(jī)會形成之前撕裂它們，導(dǎo)致無結(jié)構(gòu)的空宇宙。 溫伯格認(rèn)為，這預(yù)測出了真空能量微小但非零。1998 年，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)宇宙的膨脹正在加速，對這一現(xiàn)象最簡單的解釋是真空能量是存在的，其大小與溫伯格的論點(diǎn)相符。溫伯格的研究在很大程度上讓領(lǐng)域內(nèi)規(guī)避了圍繞人擇原理存在的許多無聊猜想，推動研究者們務(wù)實地使用人擇原理對自然做出正確的預(yù)測。 溫伯格一生著作無數(shù) 溫伯格除了是最偉大的理論物理學(xué)家之一，還是基礎(chǔ)物理學(xué)領(lǐng)域的杰出代表。他一生發(fā)表了超過 300 篇研究論文，出版了多部著作。其中包括 1972 年出版的《引力和宇宙學(xué)——廣義相對論的原理和應(yīng)用》；1977 年溫伯格出版了科普名著《最初三分鐘》，該書通俗而精彩地介紹了關(guān)于宇宙起源的現(xiàn)代觀點(diǎn)，已被譯成 22 種文字出版，一經(jīng)面世立即成為經(jīng)典，對普通公眾和專業(yè)研究人員都產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。許多物理學(xué)家都是從這本書開始學(xué)習(xí)宇宙學(xué)的；1993 年溫伯格出版《終極理論之夢》，講述了對自然的統(tǒng)一理論的偉大追求：一個能解釋從原子內(nèi)部的聯(lián)結(jié)到太陽與地球的吸引等不同的力的理論。 史蒂文 · 溫伯格《最初三分鐘》。 此外，溫伯格的著作還包括《亞原子粒子的發(fā)現(xiàn)》、三卷本《量子場論》、《仰望蒼穹：科學(xué)反擊文化敵手》、《宇宙學(xué)》等。 史蒂文 · 溫伯格《仰望蒼穹》。 史蒂文 · 溫伯格《量子場論》第一卷。 溫伯格還獲得過許多獎項，包括丹尼 · 海涅曼數(shù)學(xué)物理獎（1977 年）、美國國家科學(xué)獎?wù)拢?991）、基礎(chǔ)物理學(xué)突破獎（2020 年）、馬塞爾 · 格羅斯曼獎等獎項。 英國著名生物學(xué)家理查德 · 道金斯對溫伯格的評價是：一位真正的智者、卓越的理論物理學(xué)家。紐約時報記者詹姆斯 · 格蘭茨評價稱：他是一位能寫出富有啟迪性且能觸動人心作品的大散文家。 大師雖已逝去，但他為我們留下了寶貴的財富，他的科學(xué)成就深刻地改變了現(xiàn)代物理學(xué)的面貌。 原文鏈接： https://www./how-steven-weinberg-transformed-physics-and-physicists-20210811/ |
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