【科學史日誌】1959-1967年:電弱交互作用的統一

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1959-1967年:電弱交互作用的統一

文|蕭如珀、楊信男(臺灣大學物理學系)

圖左為格拉肖 (Sheldon L. Glashow);圖中為薩拉姆 (Abdus Salam);圖右為萬柏格 (Steven Weinberg)|來源:Wikimedia Commons

歷史上最早研究磁現象的是,公元前六百年前希臘七賢之一的泰勒斯(Thales,約626 / 623 – 548 / 545 BC),他出身於亞細亞的米利都 (Miletus),該處盛產一種礦石,稱為「ho magneteslithos」(the magnetismrock),所以現在統稱會吸鐵的東西為magnet,即磁鐵,而這類磁性現象則被稱為magnetism。泰勒斯也發現琥珀(樹脂化石,希臘人稱為elektron)經磨擦後,亦有吸力,所以現在電子的英文為electron。電力和磁力不同,前者可吸引一般輕物,磁鐵則只能吸附鐵。

中國有關磁的最早紀錄是,傳說中公元前約2600年,黃帝與蚩尤作戰時使用了指南針,但比較可靠的紀錄應該是於戰國時期(前475年至前221年)才出現。「電」這個字依金文=「雨」+「霹靂」,指雷電。

磁鐵比較穩定,容易操作,總是南北二極相伴出現,而電則是捉摸不定,瞬間消失。後來經過很多科學家的努力,才知道如何操作電荷,而終由庫侖 (Charles-Augustin de Coulomb, 1736-1806) 在1785年經由精密實驗確立了著名的庫侖定律,即磁偶極間以及電荷間的交互作用力都跟重力一樣,與距離的平方成反比,將靜電學推進成為一種數學性科學。

1800年,伏打 (Alessandro Volta, 1745-1827) 研製電池成功,可以產生穩定的電流,而使厄斯特 (Hans Christian Ørsted, 1777-1851) 在1820年得以在授課中發現一條通有電流的導線,會讓鄰近的磁針發生偏轉。這個電能生磁的重大發現,在歐洲造成轟動。法拉第 (Michael Faraday, 1791-1867) 緊接著在1831年進一步觀察到,除了變動的電場會產生磁場之外,變動的磁場也會導致感應電流。馬克士威 (James Clerk Maxwell, 1831- 1879) 將法拉第的電磁感應數學化,並綜合之前發現的所有電磁現象及其數學法則,在1865年發表了著名的馬克士威四大方程式,為所有電磁現象提供統一而完整的理論架構,是人類史上的重大里程碑。

二十世紀以來,不少物理學家,包括愛因斯坦,都曾嘗試將重力和電磁統一起來,但都未能成功。

在薛丁格(Erwin Scchroedinger,1887-1961,1933年諾貝爾物理獎)和海森堡(Werner Heisenberg,1901-1976,1932年諾貝爾物理獎)於1920年代中後期完成建構量子力學後,物理學家朝永、許溫格和費曼等人又花了二十多年的時間才完成量子電動力學,它對渺子 (muon) 磁矩 (magneticmoment) 的預測與實驗吻合至10-9,即十億分之一,是人類迄今為止所建立最成功的科學理論。

在這段期間,β衰變的發現為物理學家帶來了另一個挑戰,它是原子核中的一個中子轉換為質子並放射出電子和微中子的過程。原子核β衰變的半衰期,短者約厘秒 (10-3 sec) 左右,長者則與宇宙同齡。它的半衰期比原子核的電磁躍遷半衰期 (10-13 sec) 長很多,顯示這種作用比電磁作用弱很多,與原先一般熟知的重力和電磁力迥異,所以稱為弱作用 (weak interaction)。

描述β衰變的理論,最早由費米(Enrico Fermi,1901-1954,1938年獲得諾貝爾物理學獎)在1934年提出,他引進一個由中子–質子–電子–微中子交集在一點的唯象描述。費米作用模型在提出後的二十多年間,在一階近似下所給出的結果跟實驗都很吻合,所以廣被接受。

但費米假設β衰變中四個費米的偶合發生在時空中的同一個點,在四維時空,這種點(局部)交互作用的形式除了會違反物理中么正性 (unitarity) 的要求——即反應截面不能隨著能量的增加一直增加,而且高階項會發散。針對這一缺點,湯川秀樹(Hideki Yukawa,1907-1981,1949年獲諾貝爾物理學獎)在1935年提出質子與中子之間的交互作用是經由交換介子所致時,也順便提出說,弱作用也是經由交換介子所致,差別只在介子與電子及微中子的偶合強度比起它跟質子及中子的偶合強度小,試圖將強–弱作用統一。

湯川理論中假設的交換介子自旋為0,但光子自旋為1,所以克萊恩 (Oskar Klein, 1894-1977) 在1938年提議,β衰變中交換介子的自旋也應該為1,並且基於弱作用強度很弱,且作用距極短,推論其質量可能約為質子的100倍,即約100 GeV。

許溫格(Julian Schwinger,1918-1994,1965年獲諾貝爾物理學獎)在完成量子電動力學後,於1956年表示,他相信電磁作用和弱作用在規範場論中應該整合為一。這樣的一個洞察力,經過他的學生格拉肖 (Sheldon L. Glashow, 1932- )、薩拉姆 (Abdus Salam, 1926-1996)、瓦德 (John Ward, 1924-2000) 以及萬伯格 (Steven Weinberg, 1933-2021) 的鑽研,發現的確可以建立起一個可重整化的弱作用規範場論(註一),但前提是它必需與電磁作用整合在一起。統一後的電弱場論,會有四個傳遞場作用的量子,除了已知的光子之外,還有各帶有電荷+1或-1的W玻色子以及一個中性的Z玻色子。萬伯格並預測它們的質量應為MW > 40 GeV,MZ > 80 GeV。

1979年的諾貝爾物理學獎頒給了在這項劃時代研究中貢獻最大的三個人:格拉肖、薩拉姆和萬柏格。歐洲核物理研究中心 (CERN) 也在1983年發現了W和Z玻色子,現今的實驗值分別為MW = 80.38 GeV,MZ = 91.19 GeV。

萬柏格和格拉肖都是猶太裔,兩人一起畢業於紐約著名的布朗克斯 (Bronx) 科學高中,同時在1954年從康奈爾大學完成學士學位,然後分別從普林斯敦(萬柏格,1957年)和哈佛(格拉肖,1958年)拿到博士學位,之後在1962-1966年間還曾同時在加州柏克萊大學執教,最後格拉肖回到哈佛任教 (1966-2000),萬柏格則應聘於麻省理工學院 (1969-1982),並於1982年轉至德州大學奧斯丁分校,直至退休為止。兩人多年的情誼,可惜最終還是因學術功勞的歸屬等世俗問題而畫下句點。

薩拉姆是迄今為止唯一獲得諾貝爾物理獎的回教徒,非常虔誠。他於1926年出生在巴基斯坦旁遮普省的章市 (Jhang),父親是貧瘠農業區的公務員,家教良好,養成他一生自律極嚴,工作勤奮。他從小就展現優異天賦,14歲在位於拉合爾市的政府學院入學考獲得第一名,回家時全城的人都出來歡迎他。

他完成學士後,便遠赴劍橋大學深造,於1951年獲得理論物理博士,並立即整裝返回巴基斯坦,成為政府大學的數學教授。但因客觀環境無法接納他的許多想法,加上政治動盪,於是他乃在1954年重回劍橋。他先為數學講師,但很快於1957年便獲聘為倫敦帝國學院理論物理教授,他獲得諾貝爾獎的研究主要便是他於1960年代在劍橋完成的。

薩拉姆一直心繫祖國,畢生致力於提升巴基斯坦的科學水準。另外,他也關心發展中國家的科學發展,所以於1964年在聯合國及義大利政府的支持下,在義大利的里雅斯特 (Trieste) 成立國際理論物理中心,在協助、促進發展中國家數學科學方面的進步,扮演極為重要的角色。

薩拉姆於1996年11月因腦部疾病在英國牛津逝世,享年70歲;萬柏格則在2021年7月病逝於德州奧斯丁,享年88歲。

 


註釋

註一:規範場論 (Gauge field theory) 指具有規範不變性 (gauge invariance) 的場論。規範不變性指場變數在某個群的轉換下,這個量子場論所描述的物理不變,或者說,在不同的時空點,作用力的效應都一樣。

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