Steven Weinberg

Published:

大师温伯格,一些个人回忆

于江浩(中国科学院理论物理研究所研究员)

伟大的理论物理学家温伯格(Steven Weinberg)于2021年7月23日离世于美国奥斯汀,终年88岁 [1],他的生平见其自述 [2]。国内外学术圈里很多缅怀的消息和文章,我个人作为后辈晚学有幸在温伯格理论组博后工作的三年中和温伯格多有接触,这里追忆一下当时的片段和印象,以作纪念和缅怀。

于江浩1
与温伯格合影

记忆中第一次见到温伯格(以下简称温老)是在他的办公室,他那时年近八十,穿着灰色的复古休闲西服。他的办公室是一个套间,外面一间是他的秘书Jan Duffy的,一个很和善的美国老太太,里间才是他的办公室,茶几和书桌上堆满了书和资料,办公室里挂着很大的黑板,墙上挂着各种荣誉证书等。很多他的照片都是在那个大黑板前拍的(包括本文采用的照片),很多电视节目的采访也是在他的办公室进行的 [3]。第一次见到他时比较忐忑和激动,记得只是打了招呼,简单介绍了一下自己和工作领域。那是2012年8月份,当时Higgs粒子刚刚在7月4号宣布发现,我也问了他对Higgs粒子发现以后的感想。

和温老的交流基本上都是在Carillon会议中心faculty club的午餐聚会上。每周二周五中午组里的老师和博士后 [4]都会穿过校园到达Carillon,队伍浩浩荡荡颇为壮观,温老腿脚不好,一般情况会开车事先到达。组里的午餐聚会这个传统从八十年代开始一直保持着,使用的是温老的私人基金赞助,虽然是自助餐,但是比较正式,有前菜正餐和甜点,一般持续一个半小时左右。基本上每次都是大家坐定后温老开始说起话题,最多的就是最近的新闻和科技热点,有时是他的想法和讲课的思路,偶尔也会有些八卦,印象深刻的有对Kimble没有获诺奖的愤慨 [5],以及对关于霍金的电影”万物理论”歪曲事实的反感等。我们也会问他一些问题,对一些领域的看法,还有他所经历的那个粒子物理的黄金时代 [5]。我个人曾经问过他对很多问题的看法,通常他都有自己的见解,更多的时候他都最后再加一句,我的书或文章里哪个地方有这方面的思考。他是那种对未知的东西感兴趣的人,他会不断追问,直到你不能回答为止,但是如果一个东西他早已经知道,他便会失去兴趣,话题也就此终结。

后来发现他来办公室非常规律,每周二和周四来,周五只是近中午才到。周二和周四上午他往往有课,周二下午组里的seminar,周四中午组里的brown bag讨论,周五上午有cosmology journal club,他一般都会参加,有时还会给一些评论。虽然他一般只写单作者的文章,但是每次文章写好后贴到arxiv以前,他基本上都要在seminar或者brown bag上讲一次,用他的话说就是理清一下思路,并听一下反馈。记得有一次他讲没有态矢量的量子力学,Sudarshan(弱作用V-A理论的提出者之一,量子光学奠基人之一)在听众中问了好几个尖锐的问题,两位大师之间的交锋让人印象深刻。他的报告PPT基本上是文章关键文字的latex呈现,因此他的报告如果录下来,基本上可以直接投稿发表。

我个人从每周两次的午餐会得以有机会窥探他的想法,近距离体会他的思考。如果没有这种午餐会,其实是很难近距离接触温老的,因为平时他都在家办公,到办公室一般都是处理各种杂事,每周二周四上课后,他基本上都直接回家了。他说过他习惯在家里工作和写作,且很喜欢在家里写书。他的习惯基本上是,如果要写一本书,他会教一次或几次课,他讲课的特点是清晰透彻,体现了真正的clarity,不故弄玄虚,也不特意简化。我在的那几年他教了量子力学I和II,物理学史,广义相对论I和II,天体物理等,他的课程通常会吸引学生老师旁听,我个人也旁听过,很遗憾的是在我去的前一学期,他开了量子场论专题,系里的很多老师都去旁听,我没有能听到。我到组里的时候他刚写完《量子力学讲义》,正在修订第二版,那几年他写的书有《给世界的答案:发现现代科学》,《天体物理讲义》等。唯一一次例外是他教广义相对论,当时在午餐聚会说,他会再版他的《引力论和宇宙论》,那本书从1972年写完以后就没有再版。但是当过了一个学期后,他说除了实验测量的更新以外他的那本书并不需要太多修订,因为广义相对论前沿进展虽然不少,但是能写进教科书的基础性进展并不太多 [6],而宇宙学领域他刚刚写了一本,天体物理他计划写一本讲义(《天体物理讲义》,目前已经出版)。不过最近几年,引力波的发现和黑洞首张照片的公布,引力领域取得巨大进展,持续引起媒体的轰动,我相信温老应该再次有了更新他的引力论一书的想法,很可惜由于他的离世我们不能再见到他的真知灼见付于铅字 [7]。

于江浩1
温伯格在上课

温老的书已经成了理论物理专业工作者的案头必备经典,当然他最重要的贡献是他的科研工作,在粒子物理的学习研究中会不断遇到以他的名字命名的定理和方程 [8]。他对现代物理学的最大贡献就是引领并帮助建立现代理论物理学的两个标准模型:粒子物理标准模型和宇宙学标准模型。

他最有名的工作当然是提出粒子物理标准模型,发表于1967年的一篇文章”A Model of Leptons” [9],统一描述电磁力和弱相互作用,这一模型使他获得诺贝尔奖,且自从1967年提出以来影响粒子物理50余年,至今仍未有实验结果可以超越标准模型 [10]。他的那篇文章被张贴在UT物理楼(RLM)九楼的宣传栏里,供老师学生参阅。关于他在标准模型方面的贡献,他在很多场合都有关于粒子物理标准模型建立的回忆 [11],在此不赘述。另外推荐一本赵强老师翻译的关于那段历史的历史回顾,物理学家Close写的《无穷大谜题》[12],其中很多是根据对当事人采访的第一手资料而写的内容。另外,值得一提的是,温老在量子色动力学(QCD)的建立上也做出了很大的贡献,他是第一次提出QCD的SU(3)是没有破缺的 [13],从而得到正确的QCD拉氏量。之前Gross, Wilczek和Politzer虽然发现了渐近自由,但是一直认为QCD的SU(3)是自发破缺的,他们加上了标量粒子使得胶子很重,来解释为什么没有能看到胶子,后来才知道这是不对的 [14]。因此温老对标准模型拉氏量的贡献是全方位的,不只是电弱标准模型。

他的另一大贡献就是首倡了现代宇宙学,他的通俗科普著作《最初三分钟》把粒子物理融合进早期宇宙学的探索中,他在1972年的著作《引力论与宇宙学》更是打通了高能物理领域与引力宇宙领域的壁垒,极大的促进了两个领域的交叉融合。他的《最初三分钟》和霍金的《时间简史》一起 [15],为大爆炸宇宙学在公众中的传播起到历史性作用,吸引了一代又一代的学生进入理论物理领域探索。在他的倡导下,一批粒子物理领域的工作者开始严肃地思考早期宇宙的问题 [16],他自己更是在WIMP暗物质退耦合、早期宇宙的高温行为以及重子数破坏方面作出重要工作。他对宇宙学常数问题的思考,更是帮助确立现代宇宙学的关键因素。进入21世纪以来,温老重新进入宇宙学领域,写出《宇宙学》巨著,提倡用in-in形式研究非高斯性,提出暴涨有效场论描述,以及最近的引力波方面的研究。因此,温老在宇宙学标准模型的建立过程中起着先锋和引领作用,影响了一大批后辈理论物理学家。

温老的研究深入且宽广,跨越粒子物理、核物理、引力和宇宙学 [17]。从1956年开始起步于弱相互作用唯象学,60年代集中于强相互作用和手征动力学(提出Weinberg sum rule,发展手征非线性实现),从而从强弱互换的思路提出标准模型,同时在场论理论方面,自发破缺、高自旋场论和引力子、场论的红外行为影响深远(至今Weinberg soft theorem在散射振幅领域广泛应用和推广,以及Weinberg Witten theorem对引力子描述的影响),70年代追寻超出标准模型的新物理并提出technicolor(Susskind同时提出),轴子(Wilczek同时提出),和Lee首次讨论WIMP暗物质(Hut同时提出)等,80年代开始致力于有效场论的现代理解,重新诠释不可重整理论特别是引力的有效描述,关注早期宇宙的对称性恢复、重子数破坏和宇宙学常数问题,并涉略超对称、超引力和超弦,90年代开始提出核力的手征有效场论理解,写出三卷量子场论辉煌巨著,20世纪初开始转向宇宙学,提倡用in-in形式研究非高斯性,提出暴涨有效场论描述,以及最近的引力波方面的研究,80余岁高龄依然笔耕不辍。他的文章充满真知灼见,值得细细品读。

在他所有的工作中,有效场论是他不断重新涉足的领域,从1979年写出第一篇有效场论现代理解的文章以来 [18],他写出了标准模型有效场论的Weinberg operator,重子数破坏算符,以及CP破坏的Weinberg operator [19],提出了核力的手征有效理论,发展了核力的现代理解,提出暴涨有效场论。在20世纪他进入宇宙学研究以后,他还不断就有效场论方面进行综述和回顾 [20],他认为标准模型只是一个未知理论的低能描述的前几项,因此对低能描述高阶项的探索一定会超出标准模型,重子数和轻子数破坏效应是其中值得下一步寻找的 [21]。最近一次是2020年9月份他在All things EFT的网络报告中讲述了他对有效场论的理解 [22]。他的观点是也许我们未来找到了一个终极理论,这个理论也许不是场论也许不是弦论,可是根据有效场论的理解,任何一个终极理论在低能下一定看起来是量子场论。

大师温伯格的离世标志着一个辉煌时代的结束,但是他一直在寻找的终极理论之梦依然延续,他的工作激励着年轻一代物理学者继续努力向前追寻。

参考文献:

[1]https://cns.utexas.edu/news/ut-austin-mourns-death-of-world-renowned-physicist-steven-weinberg

[2]http://web2.ph.utexas.edu/utphysicshistory/StevenWeinberg.html

[3] 由于腿脚不便,温伯格很少出行,他说过一般只去奥斯汀可以直飞的地方旅行。因此温伯格通常只在办公室接受采访,很多采访录像上传到了网络,很值得一看。

[4] 每周二的时候还会有seminar speaker参与到午餐聚会中。记得当时很多speaker都是他邀请的,包括丁肇中、Polchinski、Ann Nelson等,这时,他一般会亲自开车载speaker到faculty club用午餐。

[5] 温伯格的观点是Kimble是第一个把Higgs机制应用到非Abel规范场,这在当时是non-trivial的(他当时的用词),他是看了Kimble的文章才知道如何把Higgs机制用到标准模型上。

[5] 温伯格曾经说过,你们羡慕我们发现标准模型的黄金年代,而我们当时羡慕量子电动力学发现时的黄金年代,所以把握好现在的时刻,每个年代都是最坏的,也同时都是最好的。

[6] 当时是2014年,离LIGO发现引力波还有一年多的时间。

[7] 温伯格自从2021年出版《现代物理基础》一书以后,计划写作统计物理并于2021年秋季开设相关课程。

[8] 以温伯格的名字命名的定理和方程有如下Weinberg soft theorem, Weinberg Witten theorem, Weinberg folk theorem, Weinberg sum rule, Weinberg operator, Weinberg angle, Sterman Weinberg jet, Weinberg Joos equation, Weinberg power counting, Weinberg-Tomozawa relation, Lee-Weinberg bound/window等。不过要注意的是Coleman-Weinberg potential中的Weinberg是另一个Eric Weinberg,虽然Steven Weinberg也在这个领域工作,并提出Gildener-Weinberg potential。

[9] Weinberg, A model of leptons, 1967。根据温伯格的回忆,他一般关注于一般性的讨论,很少提出具体模型,这也就是为什么他的贡献一般都是定理、有效理论之类的。因此人们半开玩笑的说,温伯格一旦提出模型,就是标准模型。

[10] 唯一确定的超出标准模型的实验结果是中微子具有质量,但这只是对标准模型的微小修改。后来温伯格在1979年第一个写出了中微子质量的算符。

[11] 例如温伯格的《终极理论之梦》一书中的回忆,1996年发表的Electroweak Reminiscences,2004年发表的The Making of the standard model。另外,2017年是标准模型建立50周年,那一年发表了很多回忆文章。

[12] F. Close著,赵强译,《无穷大谜题》,2018年出版。Close还在标准模型50年庆祝的时候写了一篇文章, https://cerncourier.com/a/birth-of-a-symmetry/

[13] 这一贡献在David Gross的回忆性文章”渐近自由25年回顾”中得到佐证。与温伯格的1973年的文章同时,Fritzsch, Gell-Mann, Leutwyler和Gross, Wilczek两组人也意识到在QCD中不应该加标量粒子。

[14] 温伯格注意到假如强相互作用中有标量场参与,强相互作用中的宇称或奇异数守恒就会在百分之一的量级上被破缺(高阶弱相互作用在精细结构常数的一阶效应中产生出来), 这显然与观测不符。

[15] 和其他科普著作不同的是,温伯格的科普从来不为了降低门槛而牺牲科学的严谨,因此其科普和其演讲以及课程一样,追求清晰的逻辑。

[16] Alan Guth和戴自海回忆,Weinberg在Cornell的关于大统一理论和物质反物质不对称性的演讲,促使他们开始严肃地思考磁单极子以及早期宇宙学,最终创立了宇宙暴涨理论。

[17] 温伯格的所有文章可以在Inspirehep上找到,总共225篇,其中期刊论文186篇。他曾经说过,我科研生涯中的绝大部分是失败经历,但我依然很开心,因为哪怕只有一次很小的成功,都会让所有的努力变得有价值,这是件令人兴奋的事情,所以要坚持工作。

[18] Weinberg, Phenomenological Lagrangians, 1979。这篇文章重新诠释可重整和不可重整理论,提出Weinberg folk theorem和Weinberg power counting,指出可重整性并非一个可预言场论的必要条件,这直接导致引力的低能有效描述和QCD手征微扰论的诞生。

[19] 总共有两个Weinberg operator,一个是关于中微子质量的,另一个是关于CP破坏和电偶极矩的。

[20] 温伯格关于这一主题做过多次综述报告,其中有记录的有:Weinberg, Effective Field Theory, Past and Future, 2009; Effective field theory, past and future, 2016; On the Development of Effective Field Theory, 2021。另外还有很多次他的采访他也表达了对有效场论的看法。

[21] 如下采访中温伯格陈述了对新物理寻找、有效场论以及未来粒子物理的发展的看法(这一看法也体现在他2020年9月份的有效场论的网络报告中): https://cerncourier.com/a/model-physicist/, https://cerncourier.com/a/still-seeking-solutions/

[22] All things EFT Inaugural Lecture: On the Development of Effective Field Theory, 30 September 2020。视频录像在蔻享上可以找到。