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【史蒂文·温伯格|温伯格对物理学的贡献：不止于粒子物理学的标准模型】史蒂文·温伯格于7月23日去世 ， 他在20世纪下半叶超越了理论物理学 。 他坚信 ， 只有掌握了相对论和量子力学的基本原理 ， 理论物理学家才能检验宇宙中的所有现象 。 他的工作以惊人的深刻和独创的方式改变了我们对基础物理学各个方面的理解 。
温伯格是量子场论的大师 ， 这是物理学的一个分支 ， 诞生于将量子力学规则应用于电磁场 ， 将粒子视为
统一和对称的主题推动了温伯格的所有工作 ， 并导致他在电弱统一方面的著名突破 ， 揭示了宇宙四种基本力中的两种隐藏的统一 。 乍一看 ， 电磁和弱相互作用似乎完全不同：我们将电磁波视为日常生活中的光 ， 而负责放射性的弱力则在亚核范围内运作 。
温伯格意识到 ， 在非常高的能量下 ， 这两种力应该交织在一起 ， 这被杨-米尔斯理论所描述 ， 其方程具有称为规范对称性的特殊性质 ， 但是这种基本的共性被所谓的希格斯机制所掩盖 。 为了验证他的想法 ， 他在 1967 年提出的模型做出了许多详细的预测 ， 并在 1970 年代和 80 年代开始的实验中得到了证实 ， 并以 2012 年希格斯粒子的发现结束 。
温伯格因为粒子物理学的标准模型而获得了诺贝尔物理学奖 。 但具有讽刺意味的是 ， 这种努力在很多方面与温伯格的作品不同 ， 因为他更关注自然法则的一般属性而不是特定模型 。 他有一种明确无误的风格 ， 任何讨论都是从一般原则开始 ， 然后形成一套系统的论证链 ， 一步接一步 。 虽然他热爱数学 ， 但他完全专注于将其用作描述世界的工具 。
温伯格提出了简单而深刻的问题 。 为什么用量子场论来描述自然？为什么描述基本粒子的性质及其相互作用的可能性如此之少？
在这种情况下 ， 温伯格从不同的角度重新构想了量子场论 ， 以狭义相对论、量子力学和粒子概念为起点 。 在他早期的工作中 ， 他研究了由无质量粒子、光子和引力子介导的长程力 ， 例如电磁力和引力 。
像所有基本粒子一样 ， 它们具有内在角动量或“自旋” ， 以量化单位表示：光子具有自旋为 1 和引力子自旋为 2 。 伯格表明 ， 狭义相对论和量子力学对无质量粒子的相互作用施加了惊人的限制 。 自旋 为1 粒子必须由其方程具有规范对称性的理论来描述 ， 而自旋 为2 粒子必须具有引力子的特性 ， 对所有粒子具有万能耦合强度 。 这为阿尔伯特·爱因斯坦假设的等效原理提供了更深层次的推导 。
另一个里程碑式的贡献改变了我们对量子场论为何描述世界的理解 ， 是他引入了“有效场论”的概念 。 温伯格认为 ， 量子力学原理和局域性原理保证在某些能量尺度上可以达到的粒子的相互作用 ， 必须用一个简单的“有效”量子场理论来描述 ， 这个理论只涉及这些粒子 。 粒子之间的主要相互作用由有限数量的相互作用强度给出 ， 而在更高能量下的未知物理指纹则被系统地编码在无限组更微小的相互作用中 。
最重要的是 ， 温伯格是一个伟大的统一者 。 他不喜欢将引力视为时空曲率的“爱因斯坦”观点 ， 这将使引力在定义所有其他现象方面处于特权地位 ， 他觉得这种观点树立了一个人为的障碍 ， 阻止研究人员看到引力和其他物理学之间更深层次的联系 。 这使他在他的第一本教科书《万有引力与宇宙学》中 ， 用粒子物理学的方法阐述了广义相对论 。 他还意识到 ， 粒子物理学和宇宙学这两个看似不同的领域必须统一起来 ， 因为在大爆炸后不久的早期宇宙中 ， 基本粒子之间的高能碰撞在炎热、密集的环境中无处不在 ， 他提供了必要的理论工具 ， 开启了早期宇宙宇宙学探索的黄金时代 。
温伯格对宇宙学的迷恋使他思考了臭名昭著的宇宙常数问题 。 空中随处可见的剧烈量子力学涨落应该赋予真空空间巨大的能量密度 ， 并导致时空高度弯曲 ， 这与我们观察到的大而近乎平坦的宇宙截然不同 。 为什么这种真空能量或“宇宙常数”如此之小？1987 年 ， 温伯格使用最小版本的“人择原理”提出了解决这个问题的激进方法 。
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