在看一些科普文章時(shí)，我們經(jīng)常會(huì)遇到一些物理學(xué)名詞或術(shù)語，比如費(fèi)米子、玻色子、希格斯玻色子、四個(gè)基本作用力等等。如果是沒有了解過粒子物理學(xué)的同學(xué)肯定會(huì)頭暈。今天我們就來把它們說清楚。
費(fèi)米子、玻色子、希格斯玻色子在物理學(xué)上統(tǒng)稱為“粒子”。它們是構(gòu)成我們這個(gè)世界物質(zhì)不可或缺的主要成分。
物質(zhì)是由原子構(gòu)成的
要理解這些“粒子”，我們得先從物質(zhì)是由什么構(gòu)成說起。
在古希臘時(shí)代，許多的智者們已經(jīng)開始認(rèn)真的思考，我們這個(gè)世界上的物質(zhì)到底是由什么組成的？比如泰勒斯就認(rèn)為，組成物質(zhì)的基本元素是水，而亞里士多德則認(rèn)為萬物都是由四種基本物質(zhì)以不同的組合形式構(gòu)成的——它們是土、氣、火和水。
亞里士多德
最早提出物質(zhì)是由原子構(gòu)成的是留基伯和德謨克里特斯。雖然當(dāng)時(shí)還是猜想，但是原子這一概念的提出，可說是人類了解物質(zhì)了解這個(gè)世界的一大創(chuàng)舉。物理學(xué)家理查德.費(fèi)曼曾經(jīng)說過：如果讓他選擇一句話來概括現(xiàn)代科學(xué)中最重要的發(fā)現(xiàn)，他會(huì)選“世界是由原子組成的”這句話。
2000多年過去了，直到19世紀(jì)，科學(xué)家們通過實(shí)驗(yàn)的確發(fā)現(xiàn)很多熟悉的物質(zhì)都有一種可以識(shí)別的最小組成單元，按照古希臘人的傳統(tǒng)，他們還是稱這些最小單元為原子。
可是后來發(fā)現(xiàn)，原子并不是物質(zhì)不可分割的最小單元。20世紀(jì)30年代，先是有科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了電子，之后通過撞擊原子核發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子和中子。湯姆遜和盧瑟福，玻爾等人根據(jù)對(duì)原子核和電子性質(zhì)的理解，他們建立起了各種不同的原子結(jié)構(gòu)的模型：原子核由質(zhì)子和中子構(gòu)成，它的周周環(huán)繞著有規(guī)則運(yùn)動(dòng)的電子。
電子到底是如何圍繞著原子核在轉(zhuǎn)的？這個(gè)曾經(jīng)掀起了不小的爭(zhēng)論。最后海森堡根據(jù)不確定性原理得出了最終的模型：電子是沒有規(guī)則運(yùn)動(dòng)的，它似云一樣圍繞著原子核轉(zhuǎn)動(dòng)。
在20世紀(jì)30年代末，物理學(xué)家在研究從外太空向地球傾瀉的粒子流時(shí)，又發(fā)現(xiàn)了一種叫μ子的基本粒子——除了比電子重200倍左右，它們的性質(zhì)是一樣的。
接著20世紀(jì)50年代中期，物理學(xué)家雷恩和柯萬又發(fā)現(xiàn)了基本粒子—中微子。
如果至此科學(xué)家們就一錘定音止步不前了，那他們就不叫做科學(xué)家了。他們就是想知道，質(zhì)子、中子還能不能再分？電子還能不能再分？他們采取的辦法就是：撞它！撞它?。ú皇潜P它）
1968年，斯坦福直線加速器中心的實(shí)驗(yàn)家們利用強(qiáng)大的技術(shù)力量探索了物質(zhì)的微觀層次，發(fā)現(xiàn)質(zhì)子和中子確實(shí)并不是最基本的，它們分別是由三個(gè)夸克組成。
物理學(xué)們就是這樣憑著先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，用更快更強(qiáng)的對(duì)撞機(jī)去撞擊物質(zhì)的碎片，不斷得出新的“粒子”。
組成物質(zhì)的基本粒子—費(fèi)米子
至此，組成物質(zhì)的基本粒子已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的有：6種夸克（上夸克，下夸克，頂夸克，底夸克，粲夸克）；6種輕子（電子，電子中微子，μ子，μ中微子，τ子，τ中微子）。
中微子、μ子、τ子都是一些來無影去無蹤的粒子，我們一般都很少注意到它們，熟悉的輕子主要只是電子。就如中微子，它很少與其他物質(zhì)發(fā)生相互作用，能穿透幾百億千米厚的鉛，而運(yùn)動(dòng)幾乎不受影響，它們可以隨意的穿越你我的身體，穿越地球飛向遙遠(yuǎn)的宇宙，而不留任何痕跡。
這6種夸克和6種輕子是物質(zhì)組成的基礎(chǔ)單元，它們目前是不能再分割了，也不能相容、不能疊加在一起，它們只能像樂高積木一樣堆積成各種各樣的物質(zhì)。這6種夸克和6種輕子就稱做費(fèi)米子。在量子力學(xué)上，費(fèi)米子角動(dòng)量的自旋量子數(shù)為半奇數(shù)整數(shù)倍的粒子，遵守泡利不相容原理。由意大利物理學(xué)家費(fèi)米而得名。
力的信使粒子—玻色子
有了費(fèi)米子，就可以組成物質(zhì)了嗎？還是不可以。就像做房子一樣，有了磚塊、瓦塊還是不能堆成房子，還得有水泥等各種粘合劑才能把房間堆得牢固結(jié)實(shí)。費(fèi)米子之間得有一種相互作用力，讓它們結(jié)合在一起。
過去100來年間，物理學(xué)家們通過無數(shù)次的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，我們宇宙間的萬物之間的相互作用無非就是這四個(gè)基本作用力：引力，電磁力，強(qiáng)核力和弱核力。
電磁力是我們身邊最常見的力，如電話溝通，電視信號(hào)，各種電子產(chǎn)品，太陽的熱，日常生活中的摩擦力等都存在電磁力。電磁力是由電磁場(chǎng)產(chǎn)生的影響力。光子是電磁場(chǎng)的基本組成，我們可以將它看作電磁力的傳遞者。傳遞力的媒介光子，也稱為電磁力的信使粒子。
強(qiáng)核力和弱核力是原子和亞原子中的力，所以是大家最不容易理解的力。強(qiáng)核力是讓夸克，質(zhì)子，中子結(jié)合在一起的力，它傳輸力的信使粒子是膠子。弱核力是物質(zhì)放射性衰變的力，它傳遞力的粒子是w玻色子和z玻色子。
引力則是宏觀上物體之間的相互作用力。地球有了引力，我們才能站穩(wěn)在地球上；太陽有了引力，地球和其他行星才能繞著太陽旋轉(zhuǎn)。我們身邊的物體和物體之間也有引力，只是小質(zhì)量物體間的引力太小了，幾乎感覺不到。
光子、膠子和w、z玻色子，這些在費(fèi)米子之間傳遞力的粒子統(tǒng)稱做：規(guī)范玻色子。在量子力學(xué)上，玻色子是指自旋為整數(shù)的粒子，不遵守泡利不相容原理。由印度物理學(xué)家玻色而得名。
以上的粒子有點(diǎn)多，我們?cè)倏偨Y(jié)一下：不可再分，不能相容的6種夸克和6種輕子統(tǒng)稱做費(fèi)米子，它們是構(gòu)成物質(zhì)的主要基礎(chǔ)。光子是電磁力的信使粒子；膠子是強(qiáng)核力的信使粒子；w玻色子和z玻色子是弱核力的信使粒子。這種在費(fèi)米子間傳遞力的粒子，如光子，膠子，w、z玻色子稱為規(guī)范玻色子。
這些傳輸力的粒子，已經(jīng)在20世紀(jì)70年代末80年代初由德國和瑞士的加速器實(shí)驗(yàn)證實(shí)和發(fā)現(xiàn)。物理學(xué)們把這些粒子總結(jié)成一個(gè)粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型,如下圖：
關(guān)于引力，也有科學(xué)家認(rèn)為，應(yīng)該存在一個(gè)引力子，但是至今實(shí)驗(yàn)上沒有發(fā)現(xiàn)引力子。引力也至今還沒有列入粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中。
四種基本作用力中，引力是最微弱的。電磁斥力比引力強(qiáng)百億億億億億（10^42）倍。強(qiáng)核力比電磁力強(qiáng)100倍，而比弱核力強(qiáng)10萬倍。
希格斯玻色子
故事至此，是否就可以結(jié)束了？小心的同學(xué)這時(shí)肯定會(huì)發(fā)現(xiàn)，在粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的最右邊還有一個(gè)希格斯玻色子。我們之所以把希格斯玻色子放到最后，是因?yàn)樗侵两褡詈笠粋€(gè)發(fā)現(xiàn)的粒子，也因?yàn)樗鼘?shí)在是太重要了！
如果我們把費(fèi)米子和規(guī)范玻色子比喻成一個(gè)個(gè)“棋子”，那希格希玻色子就是它們的“棋盤”。沒有棋盤，棋怎么下呀？
希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)，起源于一個(gè)問題，就是玻色子中有些粒子有質(zhì)量，有些就沒有，如w、z玻色子有質(zhì)量，而光子卻沒有質(zhì)量。而這些有質(zhì)量粒子的質(zhì)量又是如何來的？物理學(xué)家們于是假設(shè)，在這些粒子中應(yīng)該有一個(gè)“場(chǎng)”，是這個(gè)場(chǎng)賦予了這些粒子的質(zhì)量。
“場(chǎng)”的概念是很多現(xiàn)代物理學(xué)的理論框架。我們之前說過電磁場(chǎng)，引力也有引力場(chǎng)，強(qiáng)核力和弱核力也有它們的力場(chǎng)。場(chǎng)還可以應(yīng)用于物質(zhì)，叫物質(zhì)場(chǎng)。
除了力場(chǎng)、物質(zhì)場(chǎng)，那么賦予這些粒子的質(zhì)量的“場(chǎng)”，應(yīng)該算是第3種場(chǎng)了，這是一個(gè)怎么樣的場(chǎng)呢？我們這里簡(jiǎn)單的說一下它的機(jī)制。
1964年，蘇格蘭物理學(xué)家彼得.希格斯和其他科學(xué)家先后發(fā)表了相關(guān)論文，論文表明，假若將局部規(guī)范不變性理論與自發(fā)對(duì)稱性破缺的概念以某種特別方式連結(jié)在一起，則規(guī)范玻色子必然會(huì)獲得質(zhì)量。后來，科學(xué)家們又得出結(jié)論，這種自發(fā)對(duì)稱性破缺的機(jī)制還會(huì)讓費(fèi)米子也獲得質(zhì)量。
這個(gè)機(jī)制后來就叫做希格斯機(jī)制，而假設(shè)的這個(gè)“場(chǎng)”也稱作希格斯場(chǎng)。
希格斯場(chǎng)充滿著整個(gè)宇宙，在宇宙大爆炸剛開始時(shí)，溫度極其的高，當(dāng)時(shí)的溫度對(duì)場(chǎng)的影響和溫度對(duì)物質(zhì)的影響是一樣的。溫度越高，場(chǎng)的值就會(huì)變化得越猛烈。而隨著宇宙漸漸膨脹，溫度也漸漸降低，場(chǎng)的波動(dòng)也慢慢平息下來，當(dāng)時(shí)的場(chǎng)值總體上也趨近于零。
然而，宇宙的溫度繼續(xù)降低到足夠低時(shí)，希格斯場(chǎng)又會(huì)在整個(gè)空間中凝聚成一個(gè)特別的非零場(chǎng)值。這種希格斯場(chǎng)的非零場(chǎng)值也是一種對(duì)稱性自發(fā)破缺。
如果希格斯場(chǎng)的值不為零值，而宇宙中的基本粒子與無所不在的希格斯場(chǎng)之間存在著相互作用，基本粒子在對(duì)抗自身速度的改變中就獲得了質(zhì)量。如果基本粒子與希格斯場(chǎng)的相互作用很小，那它就具有很小的質(zhì)量，如果相互作用很大就具有很大的質(zhì)量，如果沒有相互作用則沒有質(zhì)量。如光子，它可以完全不受影響的穿行于希格斯場(chǎng)之中，所以它沒有質(zhì)量。
假如希格斯機(jī)制是正確的， 基本粒子因與希格斯場(chǎng)耦合而獲得質(zhì)量。那么希格斯場(chǎng)就應(yīng)該像其它力場(chǎng)一樣存在著玻色子。比利時(shí)物理學(xué)家弗朗索瓦·恩格勒和英國物理學(xué)家彼得·希格斯描述了粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型，他們同時(shí)也預(yù)測(cè)了基本粒子——希格斯玻色子的存在。
于是科學(xué)家們就開始找。 如歐洲核子研究組織在瑞士建成了大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC),它是全世界最先進(jìn)的粒子加速器。它的主要研究目標(biāo)之一就是證實(shí)希格斯玻色子是否存在。
大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC)
最后希格斯玻色子真的被發(fā)現(xiàn)了！
2012年7月， 歐洲核子研究中心運(yùn)行的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)通過實(shí)驗(yàn)終于發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子。希格斯玻色子也成為了粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的最后一塊拼圖。它被稱做“上帝粒子”。
大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)發(fā)現(xiàn)的上帝粒子
目前，四個(gè)基本作用了，除了引力，物理學(xué)家們已經(jīng)在理論上統(tǒng)一了其中三種力。電磁力和弱核力的統(tǒng)一已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)上得到了證實(shí)。大統(tǒng)一理論，也是物理學(xué)家們孜孜以求的目標(biāo)，如果哪個(gè)物理學(xué)家最終統(tǒng)一了四個(gè)基本作用力，那他的名字將與牛頓、愛因斯坦等人的名字并駕齊驅(qū)，名留千古。
