诺奖获得者Weinberg：尽管没有观测到，但夸克就是真实存在的

世界著名理论物理学家、1979年诺贝尔奖获得者Steven Weinberg

11月7日，2020年腾讯科学WE大会在线上举行。世界著名理论物理学家、1979年诺贝尔奖获得者Steven Weinberg在WE大会上，带来的是有关基本粒子标准模型的科普演讲。

Steven Weinberg首先回顾了他学生时代量子电动力学取得的惊人成就。他说：“在我读研究生的上世纪50年代，理论物理取得了巨大的成就。比如量子电动力学理论的发展，这是一种光的量子理论，讲的是电磁场和电子的相互作用。经过十多年的研究，理论物理学家发现了如何在这个理论下进行计算，并由此计算出了小数点后很多位的预测性结果，而这些计算结果后来也被实验证实了”。

然而，话锋一转，Steven Weinberg表示，除了电磁力之外，还有约束质子和中子的强相互作用和引起粒子衰变的弱相互作用，这两种相互作用量子电动力学并不能处理，人们亟需发展一种类似的量子理论。

在上世纪六七十年代，物理学家发展出基本粒子标准模型，这个模型将强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用放在一个框架当中。

为什么在上世纪50年代，科学家没有做出标准模型呢？Steven Weinberg表示，这是因为那时候人们还没有对“对称破缺”有很好的理解。

电荷有正负，那么微观世界的强相互作用有对应的特性吗？Steven Weinberg表示，描述强相互作用是用的“色荷”。色荷的性质和电荷的性质非常不同，当色荷靠的比较近的时候，相互作用比较弱，反而当色荷距离比较大的时候，相互作用变强，所以我们永远无法分开两个夸克！到目前为止，人们都没有从探测器上看到过单独存在的夸克，但这不妨碍我们认为夸克是存在的。

到了上世纪七八十年代，粒子物理实验发现了标准模型预测的粒子，从此该模型走进了物理教科书。但Steven Weinberg表示，物理学家并不满意，因为标准模型粒子的各种参数（例如电荷和质量）无法从理论上得到，这些参数之间也找不出特定的规律。

有人可能会问，像太阳系中行星的质量和轨道参数不也无法从理论上得到吗？Steven Weinberg解释说，太阳系行星运动的参数是随机生成的，但基本粒子的参数不是。这些参数肯定有内在关系，也包含物质创生的奥秘。

Steven Weinberg也谈到标准模型的局限性，他表示，标准模型无法包含万有引力。在通常情况下，引力作用比较弱，但当能量抵达“普朗克”能标下，引力作用会变得和强相互作用相当。

随着能量的提高，电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用就会融合到一起，但这个能量还达不到普朗克能标。

Steven Weinberg还提到宇宙加速膨胀的问题。1998年，天文学家发现宇宙正在加速膨胀，驱动膨胀的是一种叫“暗能量”的东西。暗能量并不能用真空涨落里的能量理解，因为真空涨落的能量比暗能量大许多数量级。为什么会是这个数值？他表示现在物理学家都不知道。

Steven Weinberg说：“上世纪50年代读研究生的时候，我很羡慕前辈们在量子电动力学领域取得的成就，而我们这一辈理论物理学家建立了标准模型，将前辈们的成果进一步向前推进。标准模型解释了自然界存在的所有其它作用力和我们发现的其它粒子，只有引力没有给出解释，我们（理论物理学家）的工作尚未完成，我们引以为傲的标准模型并不是最终答案。

最后，他鼓励大家说：“今天年轻一代的理论物理学家们，你们有你们的使命，那就是解释与自然界不同现象有关的这些巨大的、神秘的数字。”

以下为Steven Weinberg教授演讲全文：

我是史蒂文·温伯格，美国德州大学奥斯汀分校物理学和天文学教授。今天我想说一说基本粒子标准模型，包括什么是标准模型？我们如何建立了这一模型？我们为什么认为这个模型不完美？以及未来的希望在哪？

在我读研究生的上世纪50年代，理论物理取得了巨大的成就。比如量子电动力学理论的发展，这是一种光的量子理论，讲的是电磁场和电子的相互作用。经过十多年的研究，理论物理学家发现了如何在这个理论下进行计算，并由此计算出了小数点后很多位的预测性结果，而这些计算结果后来也被实验证实了。

实际上，理论和实验之间的吻合程度已经到达了最大，比如对电子磁场强度的计算。基于这一成果，我们希望能够对已知的自然界其它基本作用力的研究上也取得类似的突破，比如量子电动力学中提到的电磁力之外的作用力。我们知道有一些强大的作用力让中子和质子结合形成原子核，原子核的直径比原子要小10万倍，而核反应释放的一部分能量也源于这些强大的作用力。

我们都知道弱相互作用（是自然界基本作用力之一），弱相互作用发生得很慢。但会导致原子核衰变，衰变时一个中子会衰变成一个质子，并且放射出一个电子和一个中微子。这些作用力的存在就带来了问题，因为量子电动力学并没有对这些作用力做出解释，但我们希望能建立一种类似的理论来解释这些作用力。

我们在上世纪六七十年代开展了相关研究，并给出了一个理论，也就是大家所知的（基本粒子）标准模型。这个模型将强弱原子力和电磁力包含在了一套公式中，除了我们已知的电磁场，自然界还存在其它11种场。我们已知的大多数自然界基本作用力都与这12种场有关，只有一个特例，我稍后会说到。除了电子，物质还包含其它多种粒子，比如和电子类似但质量更大的带电粒子。比如和电子类似但表现为电中性的粒子，也就是中微子。再比如组成中子和质子的，参与强作用力的粒子，也就是夸克。一个中子或质子由三个不同类型的夸克组成，关于夸克和电子与中微子等带电粒子，以及12种力场的理论与量子电动力学理论非常类似。如果你不知道有多少种力场和多少种构成物质的粒子，你就很可能分不清这些理论。

那么是什么让我们在上世纪50年代开启相关研究时没有将其简单化处理？主要是我们在理解上遇到了困难，难点之一就是所谓的对称破缺。相比于针对实际现象的计算公式，标准模型的公式看起来大大简化了。

我们需要一些跟踪来证明这一点，还有一种叫做color trapping的现象。夸克也有和电荷量类似的量子数代名词，我们称作“色”（“色”量子数是物质世界的一个基本特征）。这名字听起来一般，但我们就是这么叫的。“色”荷与电荷的区别在于如果我们把两个带电粒子拉开，即使它们之间相互吸引，但吸引力会随着距离增大而减弱，也就是说吸引力与距离成反比。但在拉开两个夸克时，吸引力会随着距离变大而增强，所以我们永远也无法分开两个夸克。到目前我们的探测器还从没看到过单独存在的一个夸克，它们是无法单独分开的。

我们相信这些观点是因为我们认同基于这些观点的理论，理论指出每个中子或质子都是由三个夸克组成的，这是成立的，因此我们就认为夸克是真实存在的。而对于标准模型来说，理解了对称破缺和color trapping等问题，并解决了这些难点后，这个理论看起来很不错。

到了上世纪七八十年代时，各种实验也给出了证实。因为实验中发现了这些理论（标准模型）预测存在的新粒子，标准模型也因而被写进了物理学教科书。但为什么我们还是高兴不起来？为什么我们还是对它（这个理论）不满意？为什么我们要去向政府申请建设更大的粒子加速器和开展更多的实验，从而突破标准模型的界限？原因有几个方面：一个是标准模型本身有一些需要给定的常数，从而通过理论做出预测。比如，除了电子的电荷量，还有两种类似的数量需要从实验中得出。除了电子的质量，我们还要知道与电子和夸克类似的所有其它带电粒子的质量，也就是需要从实验中测出理论中给出总共9种粒子的质量。大家可能会说：这有那么难吗？毕竟牛顿在建立太阳系理论的时候，他要做的可是通过观测来得出不同行星轨道的半径，但不是什么都能靠纯理论得出结果的。

现实就是这样，我们的不同之处在于，太阳系是因为一系列巧合（意外事件）的发生而形成的，这些巧合使得行星在距离太阳不同远近的地方形成，但我们并不认为标准模型（计算出的一些数字）也是巧合。这些数字很可能意味着宇宙的深意，但我们还不能确定那是什么。看着这些质量和电荷的数值，它们似乎传递着我们尚无法理解的信息，这就是困扰我们的问题之一。还有一个问题就是我们不只是不知道这些数值是怎么得出的，还发现其中一些数值看起来非常奇怪，比如质量比，质量比的数值是像10或100这样的数字，很难想象这是经过计算得出的数值。还记得我刚才说的电荷比吗？我们只需要三个电荷就能描述弱相互作用力和电磁力，这些比率像是1或10的因数，它们和1没什么太大区别。也许未来才有可能计算出结果，总之我们现在还做不到。

还有一些比率也很奇怪，例如标准模型中涵盖的所有粒子的质量标度。比如电子、夸克、具有作用力的粒子等等，它们的质量都取决于同一个质量参数，那就是遍布整个宇宙的某种场的质量参数。这个参数大约是质子（也就是氢原子核）质量的250倍，我们不知道个中原因，但250这个数字还是有点特别的。

还有一些描述自然界的数字是很不同的，其中之一就是标准模型中没有给出解释的一种作用力，也就是引力。引力很弱，因为我们观察到的能量很小。引力有这样一个质量标度，这个质量标度下的粒子相互吸引，其吸引力不亚于原子核内（中子和质子之间）强大的作用力。这一质量标度被称为“普朗克尺度”，是马克斯·普朗克于1900年提出的，普朗克尺度比标准模型中的质量标度大了约16个数量级。也就是1后面有16个0的那么一个倍数，那是一个巨大的数值，为什么是这样一个数值？还有一个非常巨大的数值，刚才我曾说到和电荷类似，强弱相互作用力和电磁力的强度取决于类似电荷量的三个数量，它们的作用就像电荷对强弱作用力和电磁力起到的作用。

这三个数量的数值相差很大，最大的那个是其它两个的一百倍左右，但这三个数值都取决于能量。如果从将它们投射到能量上，你会看到它们慢慢地越来越接近，然后在某个能量值，这三个数值汇合到一起了，而这个能量值和普朗克尺度的数值相差并不算大，大概比普朗克尺度小了10或100的因数那么多倍。所以我说宇宙中数字的尺度是很神秘的，自然界存在（四种）基本作用力，引力的标度处于一个特别的数量级，而标准模型中研究的其余基本作用力。它们的标度大概比引力的标度小了16或14个数量级，我们称之为“等级问题”。

是什么造成了标度上的等级差异？还有更糟的，如果从另一个方向，也就是从那些非常小的能量标度来看，也有一个标度是我们不理解的。我们知道每个单位体积的真空区域都有一定的能量，但这个能量非常小，而宇宙的空间是巨大的。因此这些能量加起来可以影响宇宙的引力场，进而影响宇宙膨胀的方式。比如1998年天文学家们发现宇宙在加速膨胀（即有可能是这种能量引起的），现在我们能够估算出导致这种宇宙膨胀加速的能量标度，这个数值大约比标准模型中的能量标度小16个数量级左右，这又是一个奇怪且巨大的数字。为什么会是这样一个数字？我们还是不知道。

作为结尾，我想说点积极的，上世纪50年代读研究生的时候，我很羡慕前辈们在量子电动力学领域取得的成就，而我们这一辈理论物理学家建立了标准模型，将前辈们的成果进一步向前推进。标准模型解释了自然界存在的所有其它作用力和我们发现的其它粒子，只有引力没有给出解释，我们（理论物理学家）的工作尚未完成，我们引以为傲的标准模型并不是最终答案。

今天年轻一代的理论物理学家们，你们有你们的使命，那就是解释与自然界不同现象有关的这些巨大的、神秘的数字。祝你们好运！