导读：
邢志忠 | 撰文
1979年底，美国物理学家谢尔登·格拉肖（Sheldon Glashow）和史蒂文·温伯格（Steven Weinberg）以及巴基斯坦物理学家阿卜杜勒·萨拉姆（Abdus Salam）因创建电磁力和弱核力的统一场论并预言弱相互作用中性流的存在而共同分享了诺贝尔物理学奖。
1973年，欧洲核子研究中心（CERN）的加尔加梅勒（Gargamelle）气泡室探测器，令人信服地观测到缪子型中微子与原子核散射产生缪子型中微子和强子的中性流反应[3]，该散射过程无法通过另一种已知的矢量玻色子——光子发生，因为中微子不参与光子传递的电磁相互作用。这一实验结果最终在六年之后的1979年将格拉肖、温伯格和萨拉姆送上了诺贝尔奖的领奖台。尽管弱核力的传播子和
玻色子，直到1983年才被意大利物理学家卡洛·鲁比亚（Carlo Rubbia）领导的实验组在CERN的质子与反质子对撞机上发现[4]，但当时诺贝尔奖评委会已经笃定电弱统一理论的正确性。
事实上，格拉肖于1961年提出的电弱统一模型在理论层面还很不完备，它的主要缺陷在于缺乏完整的“定域规范对称性”作为其理论基础，因此三个弱相互作用传播子的质量都是人为引入的。格拉肖本人对这一模型中的“任意性”部分毫不掩饰，在论文的标题就承认他的模型只具有“部分对称性”。但是完整的杨—米尔斯（Yang—Mills）规范对称性将导致所有的规范玻色子都没有质量，从而无法传递短程弱核力。年轻的格拉肖早就认识到这一点，但无能为力。
1967年11月20日，温伯格的大作“轻子模型”（Amodel of leptons）发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上[8]，它标志着粒子物理学标准模型的电弱统一理论的正式诞生，迄今为止已被引用14600余次，成为粒子物理学领域单篇引用率最高的论文。在这篇长度仅两页半的短文中，温伯格开宗明义地提出关键问题：如何将传递弱核力和电磁力、自旋为“1”的几种玻色子统一在一个规范场的多重态中？他在第一篇参考文献中就引用了格拉肖的论文，但指出后者的不足在于从一开始就无凭无据地引入了破坏规范对称性的质量项，从而在一定程度上损害了模型本身的理论基础及其预言能力。
温伯格的改进方案是要求拥有群结构的电弱统一理论具备完整的定域规范不变性，再通过“布罗特-恩格勒-希格斯机制”使得规范对称性发生自发破缺，从而导致传递弱相互作用的
和
玻色子获得有限的质量，其大小均正比于希格斯场的真空期望值。但电磁场的规范不变性并未发生破缺，因此光子的质量始终为零。另一方面，温伯格假设电子场与希格斯场之间存在汤川相互作用，因此前者在规范对称性自发破缺后也获得了有限的质量，其大小不仅正比于希格斯场的真空期望值，还正比于汤川耦合系数。值得一提的是，由于该模型只允许左手征的中微子场存在，这使得中微子无法与希格斯场发生汤川相互作用，因此质量为零。
温伯格在论文中申明，他的模型所做出的唯一明确无误的新预言是弱相互作用中性流的强度和玻色子的质量。与格拉肖的“唯象”研究风格不同，温伯格特别在意电弱统一模型的场论内涵及其自洽性，所以他在论文的结尾处提出了一个重要问题：这一模型可重正化吗？即它在考虑量子修正时是否仍旧有效？温伯格本人虽然无法回答这个问题，但他凭借非凡的物理直觉猜测自己的模型应该是可以重正化的。四年之后的1971年，25岁的荷兰博士研究生格拉尔杜斯·特胡夫特（Gerardus ‘t Hooft）终于严格证明了温伯格模型的可重正性。
尽管学术界对温伯格的工作极为推崇，但格拉肖本人作为温伯格的高中同班同学和哈佛大学同事，此时却表现出了略带醋意的不屑，甚至揶揄希格斯机制看起来就像是温伯格模型的厕所，里面藏着不足为外人道的东西[9]。好在他最终还是接受了这个比自己的模型更显高明的温伯格模型，并在其夸克部分做出了锦上添花的重要贡献，从而完善了电弱统一理论。
温伯格在麻省理工学院研究电磁力与弱核力的统一问题期间，他的妻子正忙于攻读法学学位，因此他不得不抽出时间照顾女儿。据说那时的温伯格经常坐在公园的长椅上，望着蓝天、白云和绿草坪，看着可爱的女儿在不远处玩耍，头脑中则思考着各种重要的物理学和宇宙学问题，而灵感常常不期而至[10]。
1968年5月下旬，伦敦帝国学院的物理学教授萨拉姆应邀出席在瑞典莱鲁姆举办的第八届诺贝尔研讨会（Nobel Symposium），做了题为“弱相互作用和电磁相互作用”（Weak and electromagnetic interactions）的学术报告，介绍了自己的电弱统一模型。从内容看，萨拉姆的工作与温伯格的模型并无二致，但其深度似乎略逊一筹。萨拉姆并没有就此工作发表任何期刊论文，其报告的文字版发表在该研讨会的会议文集上[12]，迄今已被引用6000余次。尤其值得一提的是，他的会议文集论文只引用了5篇参考文献，而其中第一篇就是温伯格一年前发表的论文。如此说来，将电弱统一理论称作“温伯格－萨拉姆模型”显得有些牵强，毕竟萨拉姆的工作看起来明显晚于温伯格的工作。但萨拉姆的模型却也得到了学术界很大程度的认可，而这正是后来很多物理学家深感困惑的地方。
作为萨拉姆的好朋友，温伯格曾于1962年访问过伦敦帝国学院，并且两人与剑桥大学的杰弗里·戈德斯通（Jeffrey Goldstone）合作发表了关于“戈德斯通定理”严格证明的论文[13]。温伯格本人从未公开介意过外界将温伯格模型称为温伯格－萨拉姆模型，这一点对萨拉姆和诺贝尔奖评委会都很重要！
1979年底，萨拉姆凭借做诺贝尔奖演讲报告的机会指出：他曾在1967年秋天举办的伦敦帝国学院博士后讲习班上，公开讲授了自己的电弱统一模型的基本想法，这一点可由当时恰好在场的意大利物理学家尼诺·兹奇奇（Nino Zichichi）作证。但问题在于，当年萨拉姆的授课内容并没有留下任何文字和影像记录，不过他的学生、澳大利亚物理学家鲍勃·德尔堡戈（Bob Delbourgo）曾证实自己当时在场听了萨拉姆的讲座。这一切似乎说明，萨拉姆的工作可能并不在温伯格的论文之后，尽管拉自己的朋友和学生出来作证的行为听起来不够令人信服。另一方面，以授课的方式公开自己的科研成果并不是科学界公认的做法，白纸黑字的论文通过同行评议发表在专业期刊上才是正道。所以很多学者认为萨拉姆模型其实落后于温伯格模型，其原创性和重要性也不免大打折扣。
2011年9月，英国苏塞克斯大学教授诺曼·多姆贝（Norman Dombey）在学术论文网站上贴出了一篇题为“重新评价阿卜杜勒·萨拉姆：怎样赢得诺贝尔奖”的非学术文章（arXiv:1109.1972）[14]，以犀利的言辞公开批评了已经去世多年的萨拉姆。多姆贝自称年轻时便受到萨拉姆的提携，还找过这位大教授帮助自己写求职推荐信。他在文章开头这样引述萨拉姆的原话，“‘好的，你写我签字吧，你比我更了解你的工作。’我就是这样获得了自己的第一份工作，萨拉姆并没有按常理出牌。”多姆贝此处描述的是萨拉姆没有亲自动手写一封内容对申请人本人保密的推荐信，但后续关于萨拉姆费尽心机获得诺奖的叙述，显示多姆贝的开头话中有话——萨拉姆诺贝尔奖的方式颇具争议。
多姆贝文中爆出的猛料是很多人始料不及的：萨拉姆利用自己掌控的国际理论物理中心（ICTP）通过招待保罗·狄拉克（Paul Dirac）等大师级物理学家而向他们示好；他以各种方式同诺贝尔奖评委拉近关系；他不断授意自己的密友向诺贝尔奖评委兜售萨拉姆模型，等等。这些“指控”也并非毫无依据，多姆贝的文章引用了ICTP的有关档案，其中包括萨拉姆与他人的来往信件。
得注意的是，格拉肖、温伯格和萨拉姆的上述电弱统一工作都只讨论了轻子参与的电磁和弱相互作用过程，并没有将物质的另一种基本组分——夸克包含在理论框架之内。格拉肖本人的论文发表于1961年，而夸克模型直到1964年才横空出世[16]，因此他没有考虑夸克是情有可原的。温伯格之所以没有将夸克纳入电弱统一理论，按照他自己的说法，是因为他在1967年前后根本就不相信夸克模型的真实性[17]，而并非像外界所猜测的那样当时是由于担心夸克衰变所引发的“味”改变中性流才忽略了夸克。
回到温伯格的电弱统一模型及其是否可重正化的问题，我们会发现一个令人不可思议的现象：从1967年到1971年这四年期间，温伯格的那篇具有里程碑意义的论文仅被引用了几次，完全没有展示出它后来如日中天的影响力。转折点来自特胡夫特于1971年底连续发表在《核物理学B》上的两篇论文，题目分别为“无质量杨—米尔斯场的重正化”（Renormalization of massless Yang-Mills fields）和“可重正化的有质量杨—米尔斯场的拉格朗日量”（Renormalizable Lagrangians for massive Yang-Mills fields）的论文[22、23]，其中后者首次证明了温伯格模型的可重正性，即证实了温伯格最初的猜测。
1972年2月，在上述工作的基础上，特胡夫特与自己的博士导师、荷兰物理学家马丁纽斯·韦尔特曼（Martinus Veltman）合作完成一篇影响深远的论文[24]，探讨了规范场的正规化、重正化和消除反常的理论途径，使得电弱统一模型具备了坚实的数学基础，并保证了其理论预言的可靠性。他们的工作之所以特别重要，是因为实验观测到的“物理粒子”都是有结构的，相当于原始理论中的点状“裸粒子”和各种量子修正所形成的“虚粒子云”的组合体（如上图所示），因此好的理论就是能够将两者之和可靠地计算出来并得到与实验测量相一致的结果。韦尔特曼和特胡夫特证明了电弱统一理论属于这种好的理论，师生二人因此荣获了1999年的诺贝尔物理学奖。
特胡夫特（左）与韦尔特曼（右）
岁月的流逝，最终冲淡了韦尔特曼和特胡夫特之间的误解和恩怨。得知自己将和特胡夫特分享1999年的诺贝尔物理学奖之后，两鬓已经霜白的韦尔特曼愉快地回到祖国荷兰，与得意门生携手出现在母校为他们举办的庆祝会上。
作者简介：
邢志忠，中国科学院高能物理研究所研究员，研究领域为基本粒子物理学。著有原创科普图书《中微子振荡之谜》，译著包括《你错了，爱因斯坦先生！》《改变世界的方程》《希格斯》等。座右铭为“一个人偶尔离谱并不难，难的是一辈子都不怎么靠谱。”
本文转载自《赛先生》微信公众号
我对吴有训、叶企孙、萨本栋先生的点滴回忆 | 《物理》50年精选文章
国立西南联合大学物理系——抗日战争时期中国物理学界的一支奇葩(Ⅰ) | 《物理》50年精选文章
国立西南联合大学物理系——抗日战争时期中国物理学界的一支奇葩(Ⅱ) | 《物理》50年精选文章
原子核裂变的发现：历史与教训——纪念原子核裂变现象发现60周年 | 《物理》50年精选文章
回顾与展望——纪念量子论诞生100周年 | 《物理》50年精选文章
中国理论物理学家与生物学家结合的典范——回顾汤佩松和王竹溪先生对植物细胞水分关系研究的历史性贡献(上) |《物理》50年精选文章
中国理论物理学家与生物学家结合的典范——回顾汤佩松和王竹溪先生对植物细胞水分关系研究的历史性贡献(下) |《物理》50年精选文章
为了忘却的怀念——回忆晚年的叶企孙 | 《物理》50年精选文章
从分子生物学的历程看学科交叉——纪念金螺旋论文发表50周年 | 《物理》50年精选文章
美丽是可以表述的——描述花卉形态的数理方程 | 《物理》50年精选文章
一本培养了几代物理学家的经典著作 ——评《晶格动力学理论》 |《物理》50年精选文章
熵非商——the Myth of Entropy |《物理》50年精选文章
普渡琐记——从2010年诺贝尔化学奖谈起 |《物理》50年精选文章
天气预报——由经验到物理数学理论和超级计算 | 《物理》50年精选文章
纪念Bohr的《伟大的三部曲》发表100周年暨北京大学物理专业建系100周年 | 《物理》50年精选文章
凝聚态材料中的拓扑相与拓扑相变——2016年诺贝尔物理学奖解读 |《物理》50年精选文章
通用量子计算机和容错量子计算——概念、现状和展望 | 《物理》50年精选文章
谈书说人之一：《理论物理学教程》是怎样写成的？| 《物理》50年精选文章
时空奇点和黑洞 ——2020年诺贝尔物理学奖解读 |《物理》50年精选文章
凝聚态物理学的新篇章——超越朗道范式的拓扑量子物态 | 《物理》50年精选文章
对于麦克斯韦方程组，洛伦兹变换的低速极限是伽利略变换吗？| 《物理》50年精选文章
