图:AIP Emilio Segrè Visual Archives, Segrè Collection,约 1980(署名许可)
谢尔登·格拉肖
Sheldon Lee Glashow1932–今 · 生于美国纽约 · 美国
二十九岁写下电弱统一的骨架,却缺一块拼图,只好等别人来补
诺贝尔物理学奖 1979 对基本粒子间弱相互作用与电磁相互作用统一理论的贡献
「对超弦的沉思也许会演变成这样一种活动——由未来的中世纪神学家们,在神学院里进行。」
—— 与金斯帕格合写《绝望地寻找超弦?》,《今日物理》1986 年 5 月号,据英文原文意译
1961 年,二十九岁的格拉肖写下了一个群:SU(2)×U(1)。他说,电磁力和弱力不是两回事,而是同一个规范结构的两副面孔——在足够高的能量下,它们本来就是一种力。
这个骨架是对的。今天标准模型里那个群,和他当年写的一模一样。
缺的那块拼图
问题出在质量上。规范不变性要求传递力的粒子必须无质量——光子确实无质量,所以电磁力能传到无穷远。可弱力的作用范围比原子核还小,这意味着传递它的粒子必须极重。
格拉肖没法在保持规范不变性的前提下给 W 和 Z 玻色子安上质量。他只能把质量项硬塞进去,理论因此变得不可重整化——算高阶修正照样得到无穷大。论文发表后基本无人问津。
补上这块拼图的是希格斯机制:让真空自发破缺对称性,规范玻色子从中获得质量,而规范不变性在方程层面完好无损。南部搭的骨架,希格斯等人 1964 年给出的机制,温伯格 1967 年、萨拉姆 1968 年各自把它装进格拉肖的群里。1971 年特霍夫特证明了这套理论可重整化,整个结构才被物理学界当真。
1979 年三人共享诺贝尔奖。有意思的是,格拉肖和温伯格 1950 年从布朗克斯科学高中同班毕业——纽约的一所公立中学,同一届出了两个诺贝尔物理学奖。
用一个不存在的夸克消掉一个不存在的现象
格拉肖的另一件大事更能体现他的风格。
理论预言存在一种叫「味改变中性流」的过程,比如 K 介子衰变成两个 μ 子。实验找了很多年,一个都没找到,上限压得极低。
1970 年格拉肖与伊利奥普洛斯、马亚尼指出:如果存在第四种夸克,它对这个过程的贡献会与前三种精确抵消——不是压低,是恰好为零。也就是说,一个没人见过的粒子,可以解释一个没人见过的现象。
1974 年 11 月,斯坦福和布鲁克海文同时发现 J/ψ 粒子,粲夸克到手。
站在弦论对面
1974 年格拉肖与乔吉提出 SU(5) 大统一理论,把强、弱、电磁三种力装进一个群。它给出一个可检验的预言:质子会衰变,寿命约 10³¹ 年。日本和美国建起巨型水箱守了几十年,一个衰变事件也没看到,SU(5) 的最简版本因此出局。
这次经历让格拉肖对「不可检验的理论」格外敏感。1986 年他与金斯帕格在《今日物理》上发表《绝望地寻找超弦?》,尖锐质疑弦论:它无法给出任何可以被实验推翻的预言,那还算不算物理学?他把它比作神学。此后几十年他一直是弦论最著名的批评者。
他自己的判据很简单:一个理论必须能告诉你,什么样的实验结果会让它错。
代表方程
电弱规范群
格拉肖 1961 年提出:电磁力与弱力不是两种力,而是同一个规范结构的两副面孔。这个群结构一直用到今天的标准模型里,一字未改。
GIM 机制
理论预言的「味改变中性流」在实验上根本没出现。格拉肖等人指出:若存在第四种夸克,它的贡献会与前三种精确抵消。三年后粲夸克被发现。
伟大发现
出处
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