·專家點(diǎn)評(píng)·

迎接新物理學(xué)的曙光

沈 葹

沈 葹教授

著名理論物理學(xué)家W·溫伯格曾指出：物理學(xué)始終是一個(gè)未完成的邏輯體系；而本刊所載一文正具體闡述了他的這一觀點(diǎn)，此觀點(diǎn)當(dāng)然符合科學(xué)不斷發(fā)展的基本思想。（微觀）粒子物理學(xué)從盧瑟福于1911年發(fā)現(xiàn)原子有核結(jié)構(gòu)肇始；繼而，玻爾構(gòu)建（氫）原子結(jié)構(gòu)模型——二者的開(kāi)創(chuàng)性工作則導(dǎo)致以量子力學(xué)為核心的量子理論的偉大建樹(shù)。

循著愛(ài)因斯坦之統(tǒng)一場(chǎng)論探索的導(dǎo)引，溫伯格等眾多理論物理學(xué)家相繼建立弱—電（作用）統(tǒng)一理論、強(qiáng)—弱—電（作用）的大統(tǒng)一理論、把引力也包容在內(nèi)的超統(tǒng)一理論；恰如溫伯格在12年之前所論及的：了解自然界如何以統(tǒng)一的方式變化，乃是物理學(xué)研究的一個(gè)主要目的。大統(tǒng)一理論又稱作粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型；與此相平行，相對(duì)論宇宙學(xué)亦有其標(biāo)準(zhǔn)模型。然而，無(wú)論標(biāo)準(zhǔn)模型、抑或超統(tǒng)一理論，縱然已達(dá)到很高水準(zhǔn)，卻都是欠于邏輯十分諧恰的未完成體系。

粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型包括描述強(qiáng)相互作用的量子色動(dòng)力學(xué)和弱—電統(tǒng)一理論：前者給出強(qiáng)子的夸克結(jié)構(gòu)模型，導(dǎo)出夸克囚禁在強(qiáng)子內(nèi)部以及夸克之間漸近自由的結(jié)論、以至于可以用微擾方法計(jì)算強(qiáng)作用；后者（乃至這標(biāo)準(zhǔn)模型）倡導(dǎo)真空對(duì)稱性的自發(fā)破缺概念、通過(guò)希格斯機(jī)制而賦予相互作用場(chǎng)的規(guī)范玻色子和其他粒子以質(zhì)量。但這標(biāo)準(zhǔn)模型難于說(shuō)明夸克—輕子以及強(qiáng)子這兩個(gè)結(jié)構(gòu)層次上不同粒子的質(zhì)量懸殊以及中微子的非零質(zhì)量，不能解析真空的復(fù)雜性及其對(duì)稱性破缺的本質(zhì)、并由以確定夸克禁閉的起因。

至于宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型，面對(duì)暗物質(zhì)、暗能量?jī)身?xiàng)天文新發(fā)現(xiàn)，即使結(jié)合以量子場(chǎng)論，亦難于給出其明晰的圖像和性質(zhì)確認(rèn)。所以說(shuō)，兩個(gè)分別立足于量子理論和廣義相對(duì)論的標(biāo)準(zhǔn)模型、加上試圖將這二者結(jié)合起來(lái)的超統(tǒng)一理論，都有待完善和發(fā)展、甚或尚需逐步建成，并且在概念基礎(chǔ)、邏輯框架上可能有大的突破和創(chuàng)新。

理論的進(jìn)展離不開(kāi)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐的進(jìn)步。例如，盧瑟福提出原子有核結(jié)構(gòu)，乃依據(jù)α粒子散射實(shí)驗(yàn)的結(jié)果；從宇宙線中發(fā)現(xiàn)正電子，乃是對(duì)狄拉克相對(duì)論量子力學(xué)的重要驗(yàn)證；加速器之能量逐漸提升，質(zhì)量漸次增大的粒子便大量涌現(xiàn)，粒子物理學(xué)則迅速發(fā)展。然而，暗物質(zhì)、暗能量憑借引力效應(yīng)等間接方式被探測(cè)到，中微子的微小質(zhì)量被測(cè)定，自由夸克一直未在高能實(shí)驗(yàn)中露面，凡此種種都表明標(biāo)準(zhǔn)模型有一定的局限性。

物理學(xué)家寄厚望于目前能量最高的加速器——LHC，切盼在其能量足夠高的實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)希格斯粒子、嶄露超對(duì)稱對(duì)偶粒子的些微蹤跡、顯示量子真空的精細(xì)機(jī)制。看來(lái)，甚高能量的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)會(huì)將現(xiàn)代物理學(xué)引向新的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，就像100年之前盧瑟福等人的α粒子散射實(shí)驗(yàn)打開(kāi)了微觀物質(zhì)世界以至粒子物理學(xué)的最初窗口一般。

溫伯格在“粒子物理學(xué)：從盧瑟福到大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)”一文中強(qiáng)調(diào)物理理論的簡(jiǎn)單性原則，此乃統(tǒng)一工作的重要準(zhǔn)則；從不甚統(tǒng)一到頗為統(tǒng)一，勢(shì)必交織著對(duì)稱性與對(duì)稱性破缺的相成、互動(dòng)過(guò)程，這是統(tǒng)一工作的基點(diǎn)。兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型只是微觀粒子系統(tǒng)或甚大尺度宇宙在能量不很高條件下適用的有效場(chǎng)論；“有效場(chǎng)論并非基本理論”，其自恰性和完備性難免有些欠缺，也不會(huì)顯得特別簡(jiǎn)單。可是，實(shí)驗(yàn)觀測(cè)屢獲重大發(fā)現(xiàn)，理論探討對(duì)于簡(jiǎn)單、諧恰“情有獨(dú)鐘”，現(xiàn)代物理之兩大理論支柱——相對(duì)論和量子理論日趨精深、延拓不止，故而超越標(biāo)準(zhǔn)模型則勢(shì)在必行。

猶如原子結(jié)構(gòu)模型引發(fā)量子力學(xué)那樣，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型的超越必定促成新基本理論的更偉大建樹(shù)。然而，要建成超高統(tǒng)一、適用于甚高能量條件的新基本理論，其研究對(duì)象還須將暗物質(zhì)和暗能量囊括進(jìn)去，那就必然突破迄今單純以“可見(jiàn)”物質(zhì)為研究對(duì)象的“傳統(tǒng)”物理學(xué)及其理論支柱的囿限。但突破傳統(tǒng)囿限——正如溫伯格所指出的——總會(huì)遇到實(shí)驗(yàn)上和理論上的重重障礙。盡管這努力探索的時(shí)間比較漫長(zhǎng)，卻可以堅(jiān)信，一旦克服障礙，便終將迎來(lái)“非傳統(tǒng)”式新物理學(xué)的絢爛曙光。

————————

本文作者為同濟(jì)大學(xué)物理學(xué)教授。