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在高能物理界，美國物理學家溫伯格（Steven Weinberg）是教父級的人物，他除了在學術上有著卓越的貢獻與成就，也在科學普及與人文省思上發揮無遠弗屆的影響力。今（2021）年7月23日，溫伯格不幸辭世，享壽88 歲，不啻是理論物理界一顆巨星的殞落，也是人類損失了一個知識分子的典範。

溫伯格一生共發表過173篇研究論文，其中許多篇論文是同行學者必定參考拜讀的。他於1967年發表在物理評論快報的經典論文〈一個輕子模型〉（A Model of Leptons），雖然文僅3 頁，卻替基本粒子標準模型（standard model）〔註〕打下基礎，後續被引用超過1萬3千次，而當時的他年僅34歲，正擔任麻省理工學院（Massachusetts Institute of Technology, MIT）的一名訪問教授。

〔註〕標準模型是粒子物理學中，用以描述強交互作用、弱交互作用、電磁力，以及組成物質基本粒子的理論。
 

統一自然界的交互作用力

將自然萬象化繁為簡，特別是建構不同交互作用力的統一理論，是許多物理學家的夢想。17 世紀時，牛頓（Isaac Newton）成功地將蘋果落下與行星繞日，以萬有引力來一致描述，可算是物理學中的第一次統一。透過前人對電學與磁學的許多研究，英國物理學家馬克士威（James Clerk Maxwell）將這兩種現象上看似不同的交互力放在統一的理論中，自此稱為電磁力，是第二次的統一。而愛因斯坦（Albert Einstein）則基於信和過去成功將電磁理論納入廣義相對論的經驗，試圖以幾何的方式一統重力與電磁力，可惜最終以失敗收場。

在1965年前後， 溫伯格專注於運用一種近似的對稱性，研究核子與 介子〔註〕之間的強作用力（strong interaction），雖然偶有收穫，但都沒有取得關鍵性的成功。後來，他突然領悟到這個想法應該要用在弱作用力上，至於具體的模型，由於他當時不確定夸克（quark）是否真的存在〔註〕，於是只考慮一代的輕子模型，並選擇了正確的規範對稱以含括電磁力與弱作用力（weak interaction）。

〔註〕π 介子是原子粒子，有π⁰、π⁺、π^- 三種帶不同的電荷。

〔註〕夸克是一種組成物質中核子的基本粒子。
 

溫伯格後來發現，其實美國物理學家格拉肖（Sheldon Lee Glashow）與巴基斯坦理論物理學家薩拉姆（Abdus Salam），以及澳洲物理學家瓦德（John Clive Ward），分別在1961及1964年就提出了正確的全域對稱性〔註〕，所以該對稱性的選擇似乎是必然的。但是溫伯格的成功在於把對稱的破壞運用到規範理論（gauge theory）〔註〕上，利用希格斯機制（Higgs mechanism）〔註〕賦予其規範粒子質量，藉以描述短距的弱衰變現象。順帶地，希格斯機制同時也可以賦予輕子質量，成為一石二鳥之計。此外，該模型也成功預測了一個自旋為0 的希格斯玻色子存在。

〔註〕全域（global）對稱指的是與時空坐標無關的對稱變換。與之相對的是局域（local）或規範（gauge）對稱，這種對稱變換一般可以是時空坐標的函數，所以比全域對稱要求條件更強。

〔註〕規範理論是描述基本作用力的基礎，由規範對稱的要求出發，而得到交互作用力的必須形式。交互作用的媒介稱為規範粒子，其質量因規範對稱的緣故必須是零，例如光子就是電磁理論中的規範粒子。

〔註〕希格斯機制是藉由一個純量場與規範粒子耦合，當純量場由於不穩定的位能而自發性獲得非零的真空期望值時，規範粒子即獲得質量，而此時物理系統的規範對稱表面上看起來像是被破壞了。但希格斯機制的精妙之處在於，規範對稱在最根本的意義上並沒有被破壞，而只是被隱藏起來了。

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