传奇理论:50年前诺奖得主Wilczek专栏

作者: Frank Wilczek

来源: 蔻享学术

发布日期: 2023-06-02 07:44:36

本文讲述了50年前,作者与导师共同撰写的学术论文如何从大胆的猜想演变为量子物理学新发现的基础理论,并最终成为物理学的基本理论之一。

一个不完善的⼤胆猜想是如何演变为量⼦物理学新发现的基础理论的?在50年前的4⽉27⽇,《物理评论快报》收到了我⼈⽣中完成的第⼀篇学术论⽂。彼时,我还是美国普林斯顿⼤学的⼀名博⼠⽣。我和我的导师戴维·格罗斯⼀起,撰写了这篇简短的学术论⽂。现在看来,这篇论⽂为当时物理界⼀直在寻找的“强⼒”理论奠定了基础。“强⼒”是核物理的核⼼,它将夸克和胶⼦结合成质⼦、中⼦等基本粒⼦。

强⼒、引⼒、电磁⼒和弱⼒⼀起,构成了物理世界的基础。一开始,我们对这篇论⽂是否正确完全没有把握。当时,我们只知道如何利⽤我们的理论计算出⼀些结果。这些计算与实验数据相⽐,虽然令⼈⿎舞,但却⾮常不准确。三个⽉后,我们撰写了另⼀篇更加详尽的论⽂。在⽂章结论部分的开头,我们写下了这样⼀句话:“本⽂提出的理论是不完善的。”我们在论⽂中作了⼀个⼤胆的论断:“我们的理论似乎是⾃然的唯⼀选择。

”但我们⼩⼼翼翼地给⾃⼰留了台阶:“假设早期斯坦福直线加速器实验的结果和量⼦场论的重整化群⽅法都是正确的。”这是⼀个⼤胆假设下的⼤胆论断!我们的理论⽴刻吸引了众多研究强⼒的学者关注。但他们⼤多数仍对此持怀疑态度。这个研究领域极具声望的理论物理学家理查德·费曼表示,他希望看到更有⼒的证据。⽽另⼀位物理学家默⾥·盖尔曼则表示,他想调整我们的理论。

对我⽽⾔,这个理论竟然能够引起他们的兴趣,我就已经很满⾜了。后来,我们和其他理论物理学家揣摩出了能计算出更多结果的⽅法。与此同时,实验技术发展得更好了。终于,借助更加强⼤的粒⼦加速器,我们观测到了更⾼能量尺度和更短距离之下的粒⼦间相互作⽤。根据我们的理论预测:在这样的尺度下,粒⼦的⾏为会变得简单。现在,我们终于有可能将理论预测和实验数据进⾏细致、定量的⽐较了。

那么,这个如今被称为量⼦⾊动⼒学的理论,能否经受住实验的验证呢?直到20世纪90年代初,⼤型⾼能物理国际会议都会设置“检验QCD”的专题分会。起初,QCD理论的正确性受到了很多质疑。那时的专题分会总是令⼈兴奋,座⽆虚席。随着成功检验的消息不断涌现,理论与实验的吻合也越来越令⼈信服和赞叹,⼈们的热情却渐渐消退。这有些令⼈啼笑皆⾮,却是趋势使然。新闻逐渐变成了历史。

2004年,格罗斯和我因为我们1973年的强⼒理论⼯作与戴维·波利策共同获得了诺⻉尔物理学奖。当初,QCD理论始于⼀个⼤胆的猜想,在历经了种种戏剧性的实验验证之后,如今它已成为物理学的基本理论之⼀,为宇宙起源、中⼦星物理学和统⼀场论领域中新的宏伟猜想提供⽀撑。在⾼能加速器上,探索的前沿在不断发展。对于当初设⽴的“检验QCD”,如今已经能做到更加精准。

但对那些追求新事物的⼈们来说,这样的计算已经被称为“背景式的计算”了。科学领域有⼀句⽼话:“昨⽇的发现到今天就会成为基准”。对于基础研究,我还要补充⼀点“它同时也是明天的背景”。在这样⼀个⻩⾦纪念⽇,宜抚今追昔,鉴往知来。发现⾦⼦固然激动⼈⼼,令⼈⼼向往之。然⽽,⾦⼦之所以是⾦⼦,就在于它可以被加⼯成各种美丽的事物,却永远不会褪⾊。

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