1970年-1980年
正确的量子场论必须是可重整化的,因为只有这样才能消除无穷大发散,规范场作为一种量子场论当然也必须是可重整化的。但怎么证明规范场可重整化呢?这个问题之所以一直悬而未解是因为规范场太过复杂,之前证明量子电动力学可重整化的方法已经行不通了,必须要新的方法。尽管这个问题在60年代就有了很大的发展,但是一直缺定乾坤的关键一步,直到1972年荷兰的两个物理学家维尔特曼和他的学生特霍夫特才刺出这最后的惊艳一枪,完美的证明了规范场可以重整化,这样规范场才最终被确立为描述微观粒子世界的基本理论。他两因此获得1999年的诺贝尔物理奖。
维尔特曼 特霍夫特
自从盖尔曼提出夸克概念之后,很自然的一个问题就是为什么夸克会被结合在一起形成介子或重子这样的复合粒子,而不会彼此分开?不少物理学家都猜则也许夸克之间有一种强相互作用力,这种力有种特殊的性质:当夸克之间离得越近,作用力越小,当夸克相互分离时,作用力就越来越大,这样的性质叫做渐进自由。那么这种具有渐进自由性质的力用什么理论来描述呢?由于以前规范场在描述电磁力和弱力的成功,使得物理学家也相信这种力也可以由规范场来描述,但是怎样的规范场具有渐进自由的性质呢?这实际上包含两个问题:第一这样的规范场具有怎样的数学结构?第二怎么证明它具有渐进自由性质。终于到了1973年在前人研究的基础上,格罗斯和他的学生威尔茨克以及波利茨这两组人马各自独立的发现并证明数学结构为SU(3)李群的规范场具有渐进自由性质,能很好的描述强相互作用,这一发现导致了一个全新的理论,即量子色动力学。他们三人也因此获得2004年诺贝尔物理奖。量子色动力学和上一篇提到的电弱统一理论一起构成了现代粒子物理的基本理论——标准模型。
关于量子色动力学的建立有两点需要补充,第一是其实在上面三位物理学家建立量子色动力学之前,特霍夫特(就是上面说到的那位)已得到了他们相同的成果,但不知什么原因他没有发表文章,所以建立量子色动力学功劳没有算在特霍夫特身上。第二,在量子色动力学出现之前,1968年Susskind等人提出了弦理论去描述强相互作用,不过虽然由于种种缺点,弦理论是一个不成功的强相互作用理论,并且最终被量子色动力学取代,但Susskind等人的想法却在物理这片肥沃的土地上种下了一个种子,并最终成长为一个参天大树,此为后话。
格罗斯 威尔茨克 波利茨
标准模型预言的几乎所有粒子和所有现象都被实验证实,除了被称为上帝之子的希格斯粒子没发现,标准模型含有的几乎所有的物理量都是有限的,除了希格斯粒子的质量,他依旧可能无穷大。那么这是白璧上可以轻易抹去微瑕?还是能让千里之堤毁于一旦的蚁穴?希格斯粒子犹如黑暗中的幽灵,把物理学家引进了一个玄幻世界。