华人物理学家郑大培及徐一鸿谈物理.doc

　　郑大培先生是一位美籍华人粒子物理学家，他任教于坐落于圣路易斯的密苏里大学。他是三本理论物理专业教材的（合）作者。采访者上个学期在北大修量子规范场论课程时，曾经读过他（与卡内基-梅隆大学的李灵峄合著）的《基本粒子物理的规范理论》一书。这次《再见幻想》杂志对他的采访，主要涉及一些与物理以及与社会有关的问题。?　　■ 你怎样看待“基本粒子标准模型”??　　□ “标准模型”是现今粒子物理的标准理论。它描述物质基本元素夸克和轻子之间的基本作用即强、弱和电磁相互作用。它是在量子场论特别是“规范场论”的基础上建立起来的。换句话说，在所有可能的量子场理论中有一种极特殊的类别，它具有所谓“定域对称性”。如果在某种确定的变换下物理定律（比如物理方程）不变，我们就说某种物理理论具有某种对称性。比如说，“旋转对称性”的意思是物理方程在相差一个转动的不同坐标系中写出是不变的。旋转对称性告诉我们，当你做物理实验时，面朝北或者西南是完全无差别的。当忽略掉某个定域性质的特殊性时，我们会发现在这两个方向物理定律是完全相同的。一种具有“定域对称性”（或称 “规范对称性”）的理论，即使在我们对每一个时空点作出不同的变换后仍然是不变的。比如对于定域转动变换来说，我们可以让一个时空点A绕z轴转30度，而让另外一个时空点B绕x轴转45度。换句话说，这种变换是对于特定时空点的定域方程，这个方程对于不同点是完全不同的；而在这样奇特的复杂变换下，我们的理论仍然可以保持不变。由于某种历史原因，这种定域对称性同样被叫做规范对称性。对规范对称性理论的这种苛刻限制，我们并不必如此惊讶。?事实上，当某种对称性被特别指定时，夸克和轻子的荷即被指定，所有其它的一切均被确定了：特别是所有它们之间可能的力也被完全确定了。就是通过这样的方法，物理学家得到了粒子之间相互作用的基本理论，即所谓“标准模型”。?　　标准模型包括两个部分：一部分是温伯格、萨拉姆和格拉肖的弱相互作用和电磁相互作用的统一理论；它引入一种被叫做“自发对称性破缺”的机制（也被叫做希格斯机制）。另一部分是强相互作用的规范理论，我们把它叫做QCD（量子色动力学）。?　　那么我们为什么要称其为“标准模型”呢？“标准”在这里的含义是原型、范例或者具有代表性的特征。因为在规范场论的框架下，我们仍可以考虑所有我们可以想到的对称性群所导致的变换，而对于不同的变换，我们可以给夸克和轻子指定不同的荷。温伯格-萨拉姆-格拉肖理论和QCD是可能描述分别作用力的最简单的变换。因而，史蒂芬·温伯格建议把这个理论叫做标准模型——区别于所有其它同样可能的变换。规范理论中最简单的可能性恰好（被物理实验所证明）是正确的理论。在过去的三十年中，它已经经历了上千次物理实验的考验。因而，物质及其相互作用的基本理论仍然被“标准模型”这样一个简单并朴素的名词所描述。?　　■ 什么是你（或者在你的眼光下的物理学家）对于“标准模型”的标准？我所说的标准模型包括“基本粒子标准模型”、“宇宙学标准模型”或者所有我们中某些人称之为标准模型的东西。比如说，我们大家大概都同意，现在尚不能把超弦理论称之为一种标准模型。?　　□ 就像前面我曾经说过的，我们（物理学家）把“标准”理解为一种原型、范例或者具有代表性的特征。换句话说，它是我们对于某种正教的一种更谦逊的说法。说这种说法谦逊，是因为我们并不把其它相竞争的理论看作歪门邪说。但是，它确实暗示了这已经是一种稳固的理论。当然，并没有某个“权威认证”说它确实无愧于这样的称呼。就像所有的语言惯用法一样，它只是自然出现的。当有足够多的人认同这样一种表述时，它就作为一种习惯用语被建立起来了。?　　比如说，在五六年以前，“宇宙学标准模型”的含义仅仅为在罗勃特森-沃尔克度规下的膨胀宇宙模型。大爆炸的暴涨理论虽然在1980年代即被认证的讨论过，却仍然仅仅被作为一种猜测。现今，通过对宇宙的加速膨胀（通过对遥远高红移超新星的观测）、微波背景辐射各向异性以及星系的大尺度结构分布的研究， “宇宙学标准模型”所包含的不再仅仅为罗勃特森-沃尔克度规下的膨胀宇宙表述，还有暴涨宇宙学所给出的大爆炸描述。在随后的理论研究中，我们认同我们的宇宙具有平直的时空，物质/能量的组分包含暗能量（70%），暗物质（26%）和普通重子物质（少于4%）。我们这样说，是因为只有这样一幅图景才能与观测数据相洽。对于在这个领域中的大多数人来说，相比于其它可能性，这幅图景已经被提升为“标准”的。?　　你是对的，现今情况下并没有某种量子引力理论达到了这样的发展阶段。尽管超弦理论（相比于诸如“圈量子引力理论”或者“扭结理论”一类的理论来说）相对来说是最成熟的一个，现今我们中仍没有人敢叫它“大统一理论的标准模型”（即使某些该理论的倡导者在心中相信这个理