發現自然之美 諾貝爾物理獎1979

1979 年的諾貝爾物理獎頒給巴基斯坦物理學家穆罕默德· 阿卜杜勒· 沙朗姆（Mohammad Abdus Salam，1926-1996）和兩位美國物理學家謝爾登· 李· 葛拉蕭（Sheldon Lee Glashow，1932-）、史蒂文· 溫伯格（Steven Weinberg，1933-2021）。葛拉蕭與溫伯格都是成長於紐約的猶太人，兩人還是布朗克斯科學高中的同學，並且都到康乃爾大學念大學。葛拉蕭到哈佛攻讀博士，溫伯格則是去哥本哈根的尼爾斯· 波爾研究所，一年之後回到普林斯頓大學，在山姆· 特雷曼教授的指導下拿到博士學位。阿卜杜勒· 沙朗姆則是史上唯一的一位穆斯林物理獎得主。他們得獎的理由是「關於基本粒子間弱交互作用和電磁交互作用的統一理論的，包括對弱中性流的預言在內的貢獻」。電磁作用與弱作用統一的理論，被稱為「電弱理論」，與描述強作用力的量子色動力學，兩者構成粒子物理的所謂的「標準模型」。「標準模型」歷經五十多年的實驗檢測，到如今仍然屹立不搖，可以算得上是二十世紀最偉大的科學成就之一。

穆罕默德· 阿卜杜勒· 沙朗姆 Mohammad Abdus Salam 圖片來源	謝爾登·李·葛拉蕭 Sheldon Lee Glashow 圖片來源	史蒂文· 溫伯格 Steven Weinberg 圖片來源

三人之中年紀最長的阿卜杜勒· 沙朗姆出身於英屬印度旁遮普省，他於1951 年在劍橋獲得博士學位後回到巴基斯坦，但是由於政治情勢所迫，1954 年回到英國，1957 年起他成為倫敦帝國學院的教授。他從1961 年開始嘗試將電磁作用與弱作用統一起來，這是因為1958 年費恩曼與給爾曼，以及Marshak 與Sudarshan 各自提出描寫弱作用的量子理論，稱之為 V － A 理論。傳遞弱作用的向量玻色子被稱為 W^± 玻色子，質量推估為 80-90 GeV。先前描寫電磁作用的規範場論，早就由許文格、費恩曼以及朝永振一郎以及戴森等人證明可以利用所謂「再重整化」的程序處理理論計算中出現的發散項，並且作出非常精確的預測，這些預測也與實驗吻合。所以不意外地，各地都有物理學家嘗試寫出將電磁作用與弱作用統一在一起的規範場論。阿卜杜勒· 沙朗姆不是唯一的一組。

但是這項工作非常困難，因為 V－A 理論中弱作用與費米子的手徵性有關，事實上，W^± 玻色子只跟左手的費米子作用，但是如果讓左手的費米子的弱作用寫成像量子電動力學的理論，那麼費米子就不能擁有質量，因為質量項可以寫成是左手費米子與右手費米子的交互作用，如果把弱作用寫成規範場論，那麼等於左手的費米子可以有一個隨時空改變的相位，但是右手邊沒有，那麼質量項就會破壞了規範場論裡的對稱性！更糟糕的是，在規範場論中，傳遞作用的向量玻色子是沒有質量的，但是 W^± 玻色子分明就很重！但是不寫成規範場論的話，描寫弱作用的量子場論無法使用「再重整化」，無法對付理論中計算迴圈所產生的發散項。所以光是寫出弱作用的規範場論就很困難了，要將它與電磁作用統一，那就難上加難了。

最早著手統一電磁作用與弱作用的應該是另一位得主，葛拉蕭的指導教授—許文格。許文格在1957 年就曾提出一個理論，包含三個分量，自旋為一的向量場，第三個分量是光子，其他兩個則是負責傳遞弱作用的 W^± 向量玻色子。這樣電磁作用與弱作用就統一在一起，而相應的對稱群是 SU(2)。因為 SU(2) 有三個所謂的生成子（generator），每個生成子對應一個向量玻色場，量子化後即是向量玻色子。換言之，電磁和弱作用都統攝在一個規範群為 SU(2) 的非對易規範場論中。除了這個創見之外，這篇文章還假設了一個純量場 \( \sigma\)，許文格讓費米子與這個純量場耦合，而費米子就是透過 \( \sigma\) 場的真空期望值獲得質量。這樣子費米子就能在擁有手徵對稱的情況下得到質量，此外他的模型中與電子一同出現的（反）微中子與渺子一同出現的（反）微中子被當作是兩種不同的粒子。葛拉蕭在博士口試時被楊振寧問到為何這兩種微中子不同時，還是許文格跳出來回應的。沒多久，葛拉蕭的高中同學Gary Feinberg 發現渺子微中子必須與電子微中子不同，否則實驗應該看到電子渺子變換！但是許文格當時無法解釋弱作用的那兩個向量玻色子的質量是怎麼來的。另一個棘手的問題是如何讓宇稱在弱作用不守恒，卻在電磁作用中守恆。拿到博士之後，葛拉蕭在1961 年提出理論將許文格的 SU(2) 理論擴充成 SU(2) × U(1) ，這樣就有四個自旋為一的向量玻色子，三個負責弱作用，一個負責電磁作用，前三個分量就是W^± 玻色子以及一個電中性的向量玻色子，但是為了讓宇稱在弱作用被破壞，但是在電磁作用中守恆，葛拉蕭發現必須讓 SU(2) 中電中性的向量玻色子與 U(1) 對應的向量玻色子混合，一個便是中性Z 玻色子，一個便是光子。

其實傳遞弱作用的向量玻色子不只有 W^± 玻色子，還有一個不帶電的 Z 玻色子，並不是葛拉蕭首創。S. A. Bludman 在1958 年就曾提出了一個弱作用力的 SU(2) 規範理論。但是他沒有嘗試將電磁作用放進來。該模型包括傳統的帶電弱流以及一組中性弱流。阿卜杜勒· 沙朗姆和 Ward 於1959 年撰寫一個統一電磁與弱作用力的 SU(2) 規範理論，但是沒有中性弱作用流。他們也未能解釋弱作用力中宇稱不守恆的現象。但是還無法說明 W 與 Z 玻色子的質量是怎麼來的。科學家之所以採用 SU(2) 群當作弱作用規範理論的對稱群是因為貝他衰變中，中子轉變成質子，而兩者之間的對稱性正是 SU(2) 同位旋。相較來講，葛拉蕭找到正確的電弱作用規範群，這可以算是關鍵的一步。但是當時科學家們對於 W^± 玻色子以及 Z 向量玻色子的質量如何產生，仍然束手無策。

真正的突破很快就來臨了。科學家發現「自發對稱破壞」機制，這是來自於場論中真空態的特殊性質。後來更進一步，科學家在1964年發現「自發對稱破壞」機制若是伴隨著規範場會產生希格斯（Higgs）機制，規範向量玻色子可以帶有質量！當時許多科學家對這個說法非常不以為然。然而三年後溫伯格與阿卜杜勒· 沙朗姆將兩者結合提出Weinberg － Abdus Salam 模型，他們放進一個自旋為零的純量場（量子化後就是希格斯粒子），讓它產生「自發對稱破壞」，並且與規範作用的向量玻色子耦合，產生希格斯機制，解決了規範玻色子質量的難題，他們還指出 W^± 玻色子以及 Z 向量玻色子的質量的比值與 SU(2) 規範群對應的耦合係數與 U(1) 規範群對應的耦合係數兩者比值有關。這些可以利用實驗來檢驗。後來荷蘭物理學家塔虎特（Gerard 't Hooft）在1971 年證明Weinberg － Abdus Salam 模型是可重整化的理論之後，電弱統一理論才真正被物理界接受。Gerard 't Hooft 則是在1999 年才得獎，提出希格斯機制的兩位科學家更是等到 2012 年才得獎呢！阿卜杜勒 · 沙朗姆等三人則是在實驗室發現與 Z 玻色子相關實驗後就得獎了。

三位科學家在完成電弱統一理論之後仍然持續不斷地研究。沙朗姆與印度科學家Jogesh C. Pati （born 1937）在1972 年提出將電弱作用與強作用統一起來的模型，稱之為Pati － Abdus Salam model 模型，那是一個採用 SU(4) × SU(2) L × SU(2) R 的大一統理論。無獨有偶的是葛拉蕭與1974 年也提出一個大一統理論，他們採用的是 SU(5) 規範群。他們的模型被稱為 Georgi － Glashow 模型。可惜這個理論預測了質子衰變，已經被實驗否定了。葛拉蕭在 1970 年與 John Iliopoulos 和Luciano Maiani 提出第四個夸克，則是在1974 年被發現了。至於溫伯格在物理的貢獻，那就更廣更多樣化了，其中包含了不需要希格斯粒子也能產希格斯機制的所謂technicolour model。

阿卜杜勒· 沙朗姆於1964 年建立國際理論物理中心（英語：Abdus Salam International Centre for Theoretical Physics， 簡稱：ICTP）。這個機構是由義大利政府、聯合國教科文組織和國際原子能機構聯合運作，地點位於義大利的里雅斯特，距離市區約10 公里。阿卜杜勒· 沙朗姆從1960 年到1974 年是巴基斯坦政府裡的科學顧問，在巴基斯坦的科學基礎設施扮演著重要的地位及影響力。但在1974 年，巴基斯坦議會爭議地通過議會法案聲明艾哈邁迪亞穆斯林社區是一個非穆斯林社區，1984 年更禁止他們自稱是伊斯蘭教徒，也不准他們宣教或到沙烏地阿拉伯朝聖，一切關於艾哈邁迪教派的刊物都不准出版。艾哈邁迪教派的清真寺也被令關閉。身為該教派一份子的阿卜杜勒· 沙朗姆抗議離開巴基斯坦。他於1996 年在英國牛津過世，享年七十。溫伯格於1973 年成為哈佛的教授，1982 年他前往德州大學奧斯丁分校。他在晚年持續出版了許多教科書，影響力非常廣大。除了物理專業的書籍之外，他還寫了「宇宙的起源：最初三分鐘」、「仰望蒼穹：科學迎擊文化敵手」、「給世界的答案：發現現代科學」等膾炙人口的科普作品。他於2021 年七月過世，享壽八十八。唯一健在的葛拉蕭於2000 年從哈佛退休。當2011 年OPERA 實驗組報導他們發現比光速還快的微中子時，他率先指出其錯誤。事實證明葛拉蕭的看法是正確的。

順便一提的是，阿卜杜勒· 沙朗姆（Abdus Salam）這個名字應該是Abd al-Salam（阿拉伯語： مالسلا دبع ），意思是上主之僕，Abd 是僕人的意思，as-Salam 則是古蘭經中稱呼上主的一項稱呼，意思是賜與和平者。中文常簡稱為沙朗姆，甚至把他的理論稱為Weinberg － Salam 模型，嚴格講來是不恰當的。我們還是盡量稱他為阿卜杜勒· 沙朗姆比較合適。