传奇理论 50 年丨诺奖得主 Wilczek 专栏

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传奇理论 50 年丨诺奖得主 Wilczek 专栏

撰文 | Frank Wilczek

翻译 | 胡风、梁丁当



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》（Physical Review Letters）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（David Gross）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（Stanford Linear Accelerator）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（Richard Feynman）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（Murray Gell-Mann）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（QCD）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（David Politzer）共同获得了诺贝尔物理学奖。

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”。

在这样一个黄金纪念日，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。




弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）是麻省理工学院物理学教授、量子色动力学的奠基人之一。因发现了量子色动力学的渐近自由现象，他在 2004 年获得了诺贝尔物理学奖。

本文转载自微信公众号“蔻享学术”。

返朴 2023-06-02 07:44 发表于上海