无穷大谜题

《无穷大谜题》原著是美国学者弗兰克·克洛斯撰写的一部科普著作，介绍量子物理学的不确定性原理在量子场论上的应用与验证，阐述由早期量子物理学发展而来的当代量子物理学在探索宇宙的生成过程与变化趋势中的作用，以比较通俗的文字作量子物理学“不确定性之谜”的科学解说，是一部独树一帜的科普读物。

一切都始于无穷大的谜题。求解答案中出现的无穷大对物理学家来说是一个难题，这代表着理论的失败。令人沮丧的是，在20世纪30年代杰出工作的高峰——量子电动力学（QED）这一伟大理论的应用之中，无穷大不断出现。到20世纪50年代，这个困境的解决方案引发了三十年极富创意的研究活动，这个过程伴随着物理学家们寻求统一自然界的三种基本作用力——电磁力、弱作用力和强作用力——所做的努力。

为解决“无穷大谜题”和统一基本相互作用力而进行探索的历史故事。《无穷大谜题》作者弗兰克·克洛斯是一位粒子物理学家，他本人见证了这个“物理学黄金时代”的后半部分，在书中刻画出了科研竞争中的人性方面。无论在科学上还是对个人而言，研究无穷大谜题的回报相当之高。解决这些问题的意义都很重大，带来的是诺贝尔奖和永恒的荣耀。书中的人物包括许多20世纪后期伟大的物理学家：温伯格，萨拉姆，特霍夫特，沃德，希格斯，等等。克洛斯的叙述展示了超群的智力、僵局、个性、政治以及相当的运气在取得物理学重大突破的过程中是如何发挥了各自的作用，而正是这些重大突破为欧洲核子中心（CERN）进行的实验奠定了基础。

赵强，1988-1998年就学于北京大学技术系。本科和硕士）和物理系（博士）。1998-2005年曾在法国和英国从事博士后研究，入选英国EPSRC基金会青年人才计划Advanced ResearchFellow。2005年起，受骋高能物理研究所“引进国外杰出人才（百人计划）”研究员，获国家自然科学基金委“杰出青年科学基金”资助，入选“科技部中青年科技创新领军人才计划”和第三批国家“万人计划”科技创新领军人才。现为中国物理学会高能物理分会秘书长，中国物理学会核物理分会常务委员。主要从事中高能物理核物理、强子物理和粒子物理唯象理论研究。

致谢 
序言：阿姆斯特丹1971年 
部分 创世记 
第1章 无穷大的点 
第2章 谢尔特岛和QED 
第3章 费恩曼、施温格……和朝永振一郎（以及戴森） 
幕间休息1950年 
第4章 阿布杜斯·萨拉姆——一个强劲的开端 
第5章 杨一米尔斯……和肖 
第6章 约翰·沃德恒等式 
第7章 弱相互作用力和电磁作用力的结合——至1964年 
幕间休息1960年 
第8章 对称性破缺 
第9章 “以我名字命名的这个玻色子”，即希格斯玻色子 
幕间休息20世纪60年代中期 
第10章 1967年：从基布尔到萨拉姆和温伯格 
第11章 “现在，我介绍一下特霍夫特先生 
幕间休息20世纪70年代初期 

第二部分 启示录 
第12章 BJ和宇宙夸克 
第13章 错误的喜剧 
幕间休息1975年 
第14章 重光子 
第15章 “热烈赞美，当之无愧 
第16章 大型实验装置 
幕间休息20世纪末 
第17章 通往无穷大及其之外 
尾声：无穷大的篝火盛宴 

后记 
参考文献 
注释 
人名中英对照表

“泰尼”.韦尔特曼是一个特立独行的人：性格直率，且从不回避争议。在别人要么半途而废，要么根本就怯于尝试的时候，他的勇往直前给他带来了成功。可以说，正是这个性格将他送上了通往诺贝尔物理学奖的道路。他成功的另一部分原因则是很幸运地拥有一个学生，这个学生的天才之处在于运用韦尔特曼所铸造的工具构建了一个杰出的理论。 
　　韦尔特曼和他的门生赫拉德·特霍夫特有着天壤之别。韦尔特曼体魄高大，胡须浓密，嘴里经常叼着一根雪茄，或者在作报告的时候挥舞夹着雪茄的手。当他把某些竞争对手的工作斥之为“胡扯”或者“垃圾”的时候，他那近乎完美的英语会带着荷兰语元音的共鸣。这种口无遮拦的作风，再加上他对如何从事科研所持有的根深蒂固的信念很容易令人误解，便掩盖住了他敏感而体贴的性格。他的呢称“泰尼”是马丁努斯的简称，①考虑到他的体魄，这个昵称听起来有点搞笑。 
　　特霍夫特相比之下身材瘦小，头发稀疏，衣冠楚楚地穿着西装打着领带，留着小胡子。这样的形象使他很容易被误认为是一名英国乡村医生或者一名会计。②在我们的讨论中我总有一种感觉，似乎他早已知道我要告诉他的事情，而他只不过是在礼貌地等着听一点儿新奇的东西。他开腔说话的时候，轻声细语之中带着真正的力量，还有一点儿干巴巴的幽默感，让人觉得他所说的毋庸置疑都是正确的。 
　　这两个人四十年前的相遇注定将改变物理学的世界。然而，作为老师的韦尔特曼如今和自己的学生特霍夫特却已经渐行渐远，虽然他的思想使得他的明星学生创造了传世之作。在韦尔特曼写的关于粒子物理的书中，特霍夫特的出现仅限于一张照片和几行文字。他把特霍夫特的突破描述为“一项精彩的工作”，他对此“在当时”极为欣喜，这看上去挺令人费解。当韦尔特曼在1971年“自豪地”把他年轻的大师介绍给世人的时候，他们那时的关系正十分亲近和谐。“无穷大”之谜约半个世纪前，也就是在古希腊哲学家们首次构想出原子这个概念的两千多年后，人们发现作为物质基本组成部分的原子是由更加小的粒子所构成，即原子核和电子，重的原子核位于原子的中心，电子很轻，远远地围绕原子核作旋转运动。 
　　原子核能的巨大威力在日本广岛原子弹爆炸中得以展现，这之后，理解原子核的性质以及在其中起着控制作用的神秘力量便成为当时科学研究的新前沿。那时，人们已经清楚地知道原子核本身具有迷宫一般的结构，但令人惊讶的是，科学家们观察原子核的距离越近，它看上去就越复杂。更有甚者，实验观测发现，作为来自外太空的宇宙射线撞击我们头顶上大气层的结果，许多奇异的粒子从天空倾泻而下，它们类似于在地球上发现的粒子，却有着不同的行为方式。地面实验室里的科学家们未曾想到过的这些外来的物质形式，正在改变着我们对自然界的整体认识。任何想要描述宇宙的理论都必须对其给出解释。 
　　在这段时期，物理学界掀起了追求重大突破的克朗代克淘金热。一些高能物理理论学者试图占据一席之地，他们把半吊子的研究成果发表在毫无名气的期刊上。这样做的逻辑似乎是，如果你的想法到头来证明是错的，那么没有几个人会留意，这篇论文会悄无声息地被遗忘。然而，如果以后有实验证明你的想法是对的，到时候你就可以向世人重新提起你的论文并且宣称优先权。 
　　在这个狂热期里，始终有一个突出的问题得不到解决，这就是我称之为“无穷大谜题”的问题。当时物理学界有三个伟大的理论：19世纪麦克斯韦的电磁理论、1905年爱因斯坦的狭义相对论和20世纪20年代发展起来的量子力学，它们分别作出了许多意义深远的预言，并且终都被证明完全正确。比如，将光描述成具有恒定速度的电磁波；质量转化为能量的质能方程E=mc2，其中c是光速；通过对原子美丽光谱的定量描述来解释原子结构的稳定性，等等。在20世纪30年代，这些理论的统一产生了描述电磁作用力，以及光与原子相互作用的完整理论——量子电动力学（QED）。

很高兴读这本写了我们理解物质结构的新进展的书，作者不仅理解这个主题，而且注意厘清关于这些进展是如何产生的某些相互矛盾的说法.

彼得·希格斯（2013年诺贝尔物理学奖获得者）

这是亲历其事的著名科学家讲述的为深刻和引人入胜的故事，这些历史事件从根本上改变了我们对物质世界本质的理解。

英国“卫报”书评

您将在形成这个美丽理论的历史中占有一个欣赏的席位。看这本兼有惊险小说和神秘小说特征的书，会让您紧张得坐不稳，急切地等待谜团的下一环展现。

读者JP

　《无穷大谜题》： 
　　经典力学的挑战是：如果你知道物体现在所处的位置，在未来某一时刻物体的位置会在哪里？——比如确定行星的运动。17世纪，艾萨克·牛顿阐明了运动定律：在没有外力作用的情况下，物体以匀速运动；反之，施加一个外力会给予物体加速度。这启发了能量的概念：比如说，和运动有关的能量叫“动能”，而物体所处状况使其有可能获得动能时，它就具有隐藏的能量或“势能”，势能和动能之和是守恒的。这就是我们很多人初接触力学时学到的定律。我们学习牛顿的方法，运用能量守恒定律，弄清楚物体是如何移动的。 
　　牛顿的经典力学适用于大的物体，但是在原子尺度上，它得让位给量子力学。量子力学的初构建模仿了牛顿的方法。然而，出生于意大利的法国数学家约瑟夫一路易斯·拉格朗日在18世纪发明了另一种技巧去解决经典力学问题。1942年，费恩曼采用拉格朗日的方法，在剑桥数学家保罗·狄拉克十年前的开拓性工作的基础之上，重新构建了量子力学。 
　　拉格朗日考虑的是动能和势能的差，而不是关注动能和势能的（守恒的）总和。在物体运动轨迹上任意一点的这个差值被称为拉格朗日量。然后你只需把这个路径上的拉格朗日量的数值从头至尾全部加起来。这个总和，或者“积分”，被称为作用量。一个显著的特点是，一个物体在规定时间内从一点到另一点经过的路径就是作用量小的那一条路径。 
　　小作用量原理引出了拉格朗日运动方程，借助这个方程，学生们能够轻松解决经典力学里的问题，而这些问题如果使用牛顿的方法将会极其复杂。在所有情况下，这两种方法得出的结果都是一样的。 
　　我们往往认为大物体的行为是显而易见的，而量子世界里物体的行为却神秘莫测。因此，弹子球以特定的方式——实际上以作用量小的方式——相互弹开，而原子束在某些方向的散射却比另一些方向更多。原子后总是分布在或密集或稀疏的区域，就像通过一个开口衍射出来的水波既有波峰也有波谷。我们像孩子一样感受宏观世界，并建立相应的直觉，但波一样的原子并不在其中。但是，作用量的概念揭示了存在于看似熟悉的现象中的意外秘密，并且使得那些原本显得神秘的现象合乎情理。聚焦于作用量使量子世界显得相对自然，而且也揭示了经典力学定律源自于作为其基础的量子力学。 
　　在经典力学中，作用量的意义实际上相当怪异。一个物体真的是在首先尝试了所有可能的路径，计算了它们的作用量，选定了神奇的解决办案之后，才沿着一条的指定轨迹运动的吗？没有生命的物体像蚁群一样设法派出侦察队，这个想法似乎很不真实。然而，系统仿佛事先就知道该怎样去往它想去的地方。在没有外力作用的情况下，一个物体的自然趋势就是沿着直线运动，而不是沿着有无限多种可能的z字线或曲线运动，如此想来这确实挺神秘。费恩曼的天才之处在于，他意识到这一点对量子世界比宏观世界更有意义，并且洞见到发展量子力学的新途径。 
　　量子世界之所以显得陌生而古怪，是因为粒子似乎能去到任何地方——只是机会问题。费恩曼以此作为出发点：他假设所有的路径都是可能的，不仅仅只有那些作用量小的路径。蚂蚁到处散开。费恩曼想象时间被分成片段并且设问：如果一个粒子在零时刻位于某一点，那么它在指定的未来时刻位于另一个点的概率有多大？在他的公式里，概率是一个复数的平方，被称为概率振幅，仅仅和作用量相关。“ 
　　这里的思路是首先计算每个路径的作用量的值，包括那些在正常的经验里显得很荒谬的运动轨迹。在费恩曼并合了相对论的图象里，甚至包括粒子在时间里向前和往后的运动轨迹。事实上，在量子力学里，单个粒子有无穷多种可能的运动路径。但是，当一群粒子聚集在一起形成一个大的物体比如一个分子时，除了非常接近经典的那些路径以外的所有路径，它们各自的振幅会互相抵消。而对于一个真正宏观的物体，例如一个行星，只有经典力学的运动轨迹会得以幸存。 
　　这些想法也许看上去很奇怪，但实际上我们是相当熟悉的：它们类似于从一个辐射源向所有方向辐射出的电磁场，其呈起伏传播的波中会出现有序的几何形状的光线。”费马在17世纪发现了一条黄金法则：在从一点到另一点的所有可能的路径中，光实际上采取的是所费时间短的那一条。15向所有方向传播的波，比方说，如果碰到一面镜子，也会从所有方向被反射回来。不同的波汇合，在一些方向叠加，在另一些方向抵消。在被镜子反射的情况下，除了沿直线到达镜子的那些波，所有叠加的波相互抵消掉了，它们会从同样的角度被反射回来。沿着这条路径，波看上去就像单纯的“光线”。