看似不同的電力和磁力，實(shí)際上是同一種力

在自然界中，已知的四種基本力分別是：電磁力、弱力、強(qiáng)力和引力。

在生活中，引力和電磁力的作用隨處可見。無論是蘋果落地，還是吸附在冰箱上的磁鐵，都是它們在發(fā)揮著作用。相比而言，弱力和強(qiáng)力也許沒有那么為人熟知，這兩種力都是短程力，不像電磁力和引力有無限大的作用范圍。弱力支配了粒子的衰變，在太陽的核聚變反應(yīng)中扮演著重要的角色；強(qiáng)力則將構(gòu)成質(zhì)子的夸克緊緊地束縛在一起。

在量子理論的語言中，電磁力和弱力，以及強(qiáng)力，都是由一種被稱為規(guī)范玻色子的粒子所傳遞的。無質(zhì)量的光子負(fù)責(zé)傳遞電磁力，大質(zhì)量的W和Z玻色子則負(fù)責(zé)傳遞弱力，強(qiáng)力則是由膠子傳遞。引力則完全不同，它是由愛因斯坦的廣義相對(duì)論所描述。幾十年來，一些理論家一直致力于尋找引力的量子描述，并提出了傳遞引力的假想粒子——引力子。

物理學(xué)家追求的是統(tǒng)一：將過去認(rèn)為完全不同的現(xiàn)象統(tǒng)一在一起。

19世紀(jì)60年代，物理學(xué)家麥克斯韋實(shí)現(xiàn)了一次卓越的統(tǒng)一。在他的書寫方程組中，為我們展示了看似不同的電力和磁力，實(shí)際上是同一種力，即電磁力的兩面。

100多年后的1967年，溫伯格（Steven Weinberg）在物理評(píng)論快報(bào)上發(fā)表了一篇革命性的論文：《輕子模型》。在這篇僅有兩頁半的論文中（包括致謝和參考文獻(xiàn)），溫伯格優(yōu)雅而簡潔地書寫了宇宙中最深層次的奧秘。

溫伯格首次證明了自發(fā)規(guī)范對(duì)稱性破缺的概念可被應(yīng)用于弱力。對(duì)稱性破缺是指那些看似毫無關(guān)系的現(xiàn)象實(shí)際上是一種潛在統(tǒng)一的表現(xiàn)，當(dāng)超過一個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)，就會(huì)“破缺”成為一種非對(duì)稱狀態(tài)。溫伯格的理論統(tǒng)一了弱力和電磁力，這兩種基本力實(shí)際上是電弱力的不同表現(xiàn)。

目前的一種被普遍接受的說法是：在宇宙大爆炸后的一秒之內(nèi)，“電弱”對(duì)稱性就被打破，在那之后，電弱力才分裂成了電磁力和弱力。

1967年11月20日，溫伯格在物理評(píng)論快報(bào)上發(fā)表了《輕子模型》，圖示為論文首頁。這篇論文是粒子物理學(xué)領(lǐng)域被引用最多的論文之一（已經(jīng)超過了12000次），如今該論文每周至少會(huì)被引用三次。

在溫伯格的論文發(fā)表之前，他曾在布魯塞爾的索爾維會(huì)議上提及這個(gè)理論。但是與會(huì)者只有少數(shù)人產(chǎn)生了興趣。甚至連溫伯格本人都認(rèn)為這個(gè)理論是不完備的。其中一個(gè)缺失的元素是要證明這個(gè)理論是可重整化的，換句話說，計(jì)算中出現(xiàn)的無窮大時(shí)可以被消除的（1971年，杰拉德·特·霍夫特等人提供了證明）。

溫伯格不僅預(yù)測了傳遞弱力的W和Z玻色子的質(zhì)量，還預(yù)測了與賦予基本粒子質(zhì)量的希格斯場有關(guān)的希格斯玻色子的性質(zhì)，同時(shí)他也預(yù)測了弱相互作用的中性流的存在。

1973年，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)中性流相互作用的證據(jù)。到了1976年，《輕子模型》就已經(jīng)成為世界上被引用次數(shù)最多的高能物理論文。1979年，溫伯格與獨(dú)立提出相似想法的阿卜杜勒·薩拉姆（Abdus Salam）和謝爾登?格拉肖（Sheldon Glashow）共享了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

但故事并沒有結(jié)束。1983年，歐洲核子研究中心（CERN）成功探測到了W和Z玻色子的存在。2012年，CERN的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子。溫伯格的預(yù)測全部得到了證實(shí)。

溫伯格的電弱統(tǒng)一理論成為了粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的第一個(gè)支柱。此外，在中性流被發(fā)現(xiàn)的那一年，出現(xiàn)了一種解釋強(qiáng)力的理論，叫做量子色動(dòng)力學(xué)。這兩個(gè)理論構(gòu)建了標(biāo)準(zhǔn)模型。

標(biāo)準(zhǔn)模型描述基本粒子和它們之間的相互作用。

標(biāo)準(zhǔn)模型是一個(gè)描述了構(gòu)成宇宙的所有已知基本粒子和基本力（除引力之外）的框架。在物理學(xué)家眼中，標(biāo)準(zhǔn)模型有著極為崇高的地位，因?yàn)樗鼮閺?fù)雜的世界提供了簡潔的秩序，是物理學(xué)家目前對(duì)宇宙提煉出的精髓，也是探索和發(fā)現(xiàn)的工具。無疑，標(biāo)準(zhǔn)模型是迄今為止最成功的理論之一。

在此后漫長的幾十年科研生涯中，溫伯格繼續(xù)在量子場論、基本粒子物理學(xué)和宇宙學(xué)方面做出研究，并提出了許多最深刻的見解。近年來，溫伯格也在重新思考量子力學(xué)一些最基本的問題。

一直以來，溫伯格都在試圖尋找一個(gè)“終極理論”，他希望找到一個(gè)能夠解釋所有力（包括引力）和粒子的終極理論。溫伯格在2018年的一次采訪中曾表示：“這樣一個(gè)基本理論似乎比以往任何時(shí)候都要遙遠(yuǎn)，因?yàn)橛雄E象表明，要看到它所需要的能量超過了我們力所能及的范圍?？上У氖牵铀倨鲗?shí)驗(yàn)還沒有揭示出任何超越標(biāo)準(zhǔn)模型的東西，除了中微子的質(zhì)量?！?/p>

目前試圖統(tǒng)一基本相互作用的理論。

9月10日，科學(xué)突破獎(jiǎng)宣布將2021年度的基礎(chǔ)物理學(xué)特別突破獎(jiǎng)授予了溫伯格，以表彰他在基礎(chǔ)物理學(xué)領(lǐng)域持續(xù)發(fā)揮著領(lǐng)導(dǎo)作用，在粒子物理學(xué)、引力和宇宙學(xué)領(lǐng)域所產(chǎn)生的深遠(yuǎn)影響，以及他在科學(xué)普及上所作出的杰出貢獻(xiàn)?；艚鸷兔}沖星發(fā)現(xiàn)者伯奈爾都曾榮獲該獎(jiǎng)。

溫伯格撰寫了許多著作，教科書包括《量子場論》、《宇宙學(xué)》等，科普書包括《最初三分鐘》、《終極理論之夢》等。

參考來源： https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.19.1264?utm_source=article-collection&utm_medium=web&utm_campaign=1967 https://breakthroughprize.org/News/61 https://cns.utexas.edu/news/steven-weinberg https://physics.aps.org/articles/v11/134

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：誰統(tǒng)一了兩種基本力？

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