華人物理學家鄭大培和徐一鴻談物理

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1、鄭大培先生是一位美籍華人粒子物理學家，他任教于坐落于圣路易斯的密蘇里大學。他是三本理論物理專業(yè)教材的（合）作者。采訪者上個學期在北大修量子規(guī)范場論課程時，曾經讀過他（與卡內基-梅隆大學的李靈嶧合著）的《基本粒子物理的規(guī)范理論》一書。這次《再見幻想》雜志對他的采訪，主要涉及一些與物理以及與社會有關的問題。?　　■你怎樣看待“基本粒子標準模型”??　　□“標準模型”是現(xiàn)今粒子物理的標準理論。它描述物質基本元素夸克和輕子之間的基本作用即強、弱和電磁相互作用。它是在量子場論特別是“規(guī)范場論”的基礎上建立起來的。換句話說，在所有可能的量子場理論中有一種極特殊的類別，它具有所謂“定域對稱

2、性”。如果在某種確定的變換下物理定律（比如物理方程）不變，我們就說某種物理理論具有某種對稱性。比如說，“旋轉對稱性”的意思是物理方程在相差一個轉動的不同坐標系中寫出是不變的。旋轉對稱性告訴我們，當你做物理實驗時，面朝北或者西南是完全無差別的。當忽略掉某個定域性質的特殊性時，我們會發(fā)現(xiàn)在這兩個方向物理定律是完全相同的。一種具有“定域對稱性”（或稱“規(guī)范對稱性”）的理論，即使在我們對每一個時空點作出不同的變換后仍然是不變的。比如對于定域轉動變換來說，我們可以讓一個時空點A繞z軸轉30度，而讓另外一個時空點B繞x軸轉45度。換句話說，這種變換是對于特定時空點的定域方程，這個方程對于

3、不同點是完全不同的；而在這樣奇特的復雜變換下，我們的理論仍然可以保持不變。由于某種歷史原因，這種定域對稱性同樣被叫做規(guī)范對稱性。對規(guī)范對稱性理論的這種苛刻限制，我們并不必如此驚訝。?事實上，當某種對稱性被特別指定時，夸克和輕子的荷即被指定，所有其它的一切均被確定了：特別是所有它們之間可能的力也被完全確定了。就是通過這樣的方法，物理學家得到了粒子之間相互作用的基本理論，即所謂“標準模型”。?　　標準模型包括兩個部分：一部分是溫伯格、薩拉姆和格拉肖的弱相互作用和電磁相互作用的統(tǒng)一理論；它引入一種被叫做“自發(fā)對稱性破缺”的機制（也被叫做希格斯機制）。另一部分是強相互作用的規(guī)范理論，

4、我們把它叫做QCD（量子色動力學）。?　　那么我們?yōu)槭裁匆Q其為“標準模型”呢？“標準”在這里的含義是原型、范例或者具有代表性的特征。因為在規(guī)范場論的框架下，我們仍可以考慮所有我們可以想到的對稱性群所導致的變換，而對于不同的變換，我們可以給夸克和輕子指定不同的荷。溫伯格-薩拉姆-格拉肖理論和QCD是可能描述分別作用力的最簡單的變換。因而，史蒂芬·溫伯格建議把這個理論叫做標準模型——區(qū)別于所有其它同樣可能的變換。規(guī)范理論中最簡單的可能性恰好（被物理實驗所證明）是正確的理論。在過去的三十年中，它已經經歷了上千次物理實驗的考驗。因而，物質及其相互作用的基本理論仍然被“標準模型”這樣

5、一個簡單并樸素的名詞所描述。?　　■什么是你（或者在你的眼光下的物理學家）對于“標準模型”的標準？我所說的標準模型包括“基本粒子標準模型”、“宇宙學標準模型”或者所有我們中某些人稱之為標準模型的東西。比如說，我們大家大概都同意，現(xiàn)在尚不能把超弦理論稱之為一種標準模型。?　　□就像前面我曾經說過的，我們（物理學家）把“標準”理解為一種原型、范例或者具有代表性的特征。換句話說，它是我們對于某種正教的一種更謙遜的說法。說這種說法謙遜，是因為我們并不把其它相競爭的理論看作歪門邪說。但是，它確實暗示了這已經是一種穩(wěn)固的理論。當然，并沒有某個“權威認證”說它確實無愧于這樣的稱呼。就像所有

6、的語言慣用法一樣，它只是自然出現(xiàn)的。當有足夠多的人認同這樣一種表述時，它就作為一種習慣用語被建立起來了。?　　比如說，在五六年以前，“宇宙學標準模型”的含義僅僅為在羅勃特森-沃爾克度規(guī)下的膨脹宇宙模型。大爆炸的暴漲理論雖然在1980年代即被認證的討論過，卻仍然僅僅被作為一種猜測?，F(xiàn)今，通過對宇宙的加速膨脹（通過對遙遠高紅移超新星的觀測）、微波背景輻射各向異性以及星系的大尺度結構分布的研究，“宇宙學標準模型”所包含的不再僅僅為羅勃特森-沃爾克度規(guī)下的膨脹宇宙表述，還有暴漲宇宙學所給出的大爆炸描述。在隨后的理論研究中，我們認同我們的宇宙具有平直的時空，物質/能量的組分包含暗能量（

7、70%），暗物質（26%）和普通重子物質（少于4%）。我們這樣說，是因為只有這樣一幅圖景才能與觀測數據相洽。對于在這個領域中的大多數人來說，相比于其它可能性，這幅圖景已經被提升為“標準”的。?　　你是對的，現(xiàn)今情況下并沒有某種量子引力理論達到了這樣的發(fā)展階段。盡管超弦理論（相比于諸如“圈量子引力理論”或者“扭結理論”一類的理論來說）相對來說是最成熟的一個，現(xiàn)今我們中仍沒有人敢叫它“大統(tǒng)一理論的標準模型”（即使某些該理論的倡導者在心中相信這個理論是一種標準理論）。部分原因是目前尚沒有使人信服的實驗證據顯示