我們站在人類知識的最前沿，人類對未知世界的了解從我們腳下延伸。
萬物由什么組成？世界怎樣運行？這是物理學(xué)家所需要的回答的問題，也是他們心心念念想要解開的謎團。
基本粒子簡介
如果把一個物體不斷的分下去，最后我們會看到它是由分子組成，分子由原子組成，原子由原子核和電子組成，原子核由質(zhì)子和中子組成，質(zhì)子和中子由夸克組成。那么它是不是像莊子所說的那樣:“一尺之棰，日取其半，萬世不竭”呢？這個問題我們目前是沒有答案的。但是科學(xué)家默認(rèn)我們認(rèn)為的基本粒子如電子和夸克等就是最小的，不可再分的了。事實上在量子場論中這些基本粒子的體積被認(rèn)為是零，而實驗上的觀測也與理論是符合的。著名實驗物理學(xué)家諾貝爾獎獲得者丁肇中先生，花了四十年的時間測量電子半徑（四十年并非只做這一件事），依然沒有找到電子的半徑大小。雖然不能證明電子沒有大小，但是也得出了電子半徑小于10^-19米的結(jié)論。一根頭發(fā)如果按0.08毫米算的話，那么電子的半徑比一根頭發(fā)的百萬億分之一還小。所以物理學(xué)家們傾向于相信基本粒子是沒有半徑的，即沒有體積、沒有大小。
這里在說一下，物理學(xué)是一門實驗科學(xué)，理論總是需要實驗來驗證。理論是為了世界描述和解釋世界，所以它的結(jié)論和預(yù)言總是要與實驗的結(jié)果相符合我們才會認(rèn)為它是正確的。但事實上所有理論只可能被證偽，而不能被證明。這是因為如果一個理論是錯的，你只需要一個反例就可以推翻它。而理論如果是正確的，你找到一個例子是不足以證明它的，一千個一萬個也不行，因為保不準(zhǔn)下一個例子就是反例呢！當(dāng)然，當(dāng)你找到的例子越多的話，我們就越傾向于認(rèn)為理論是正確的。比如太陽從東邊升起，千萬年來大家看到的太陽都是從東邊升起，以至于我們都不自覺地認(rèn)為這是真理了。這確實是真理，但是真理是有它的適用范圍的。比如在南北極出現(xiàn)極晝（就是連續(xù)好多天都是白天，沒有黑夜）的時候，太陽既不從東邊升起，也不從西邊落下，它在天上轉(zhuǎn)圈圈～注[1] 不過這又是另一個問題了。
那么都有哪些基本粒子呢？物理學(xué)家將已發(fā)現(xiàn)的所有基本粒子歸納成如下圖一 一張表，稱之為:粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型（以下簡稱為標(biāo)準(zhǔn)模型）。
圖一
先來簡單介紹一下這張表。我們看到左邊的綠色和紫紅的粒子是費米子，右邊的藍色的粒子是玻色子。費米子可以進一步分為夸克和輕子，玻色子也可以進一步分為希格斯玻色子和規(guī)范玻色子?？淇撕洼p子組成物質(zhì)，規(guī)范玻色子負(fù)責(zé)傳遞相互作用，希格斯玻色子則負(fù)責(zé)給粒子們賦予質(zhì)量。有了物質(zhì)和相互作用，我們便能創(chuàng)造世界。
費米子和玻色子有什么區(qū)別呢？費米子和玻色子的區(qū)別在于他們的自旋，自旋為整數(shù)（如0和1）的粒子是玻色子，自旋為半整數(shù)（如1/2）的粒子是費米子。自旋是一奇妙的量，它沒有經(jīng)典的對應(yīng)。它是由粒子在洛倫茲變換下導(dǎo)出來量，類似于角動量，卻又有所差別。比如自旋為0的粒子旋轉(zhuǎn)任何角度后都是一樣的，自旋為1的粒子在旋轉(zhuǎn)360度（一圈）后是一樣的。這都沒什么奇怪的，就像一個球和一個普通物理。但是一個自旋為1/2的粒子卻要轉(zhuǎn)兩圈（720度）才能回到自身。這就比較匪夷所思了：你能想出一個物體轉(zhuǎn)一圈不回到原來的樣子，非要轉(zhuǎn)兩圈才行嗎？
別以為這張表看起來簡潔、漂亮就認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)模型很簡單，事實上其中蘊含著豐富的物理呢！比如費米子還有神奇的泡利不相容原理，上兩行的夸克不僅帶有味道，還有顏色，當(dāng)然還令人著迷的夸克禁閉和夸克漸近自由。下面一行的輕子則有證明中微子有質(zhì)量的中微子振蕩。右手邊的玻色子除了大家熟知的光子，還有大名鼎鼎的上帝粒子（希格斯玻色子）。所有的這些有趣的奇妙物理現(xiàn)象，留待以后再講。而正是因為微觀粒子的豐富特性，才形成了我們現(xiàn)在豐富多彩的宏觀世界。
公式版標(biāo)準(zhǔn)模型
物理學(xué)家們想要定量描述世界的話自然是要用公式來描述，而公式版的標(biāo)準(zhǔn)模型長成下面圖二這個樣子。
圖二
這里插一句：我同意科普應(yīng)該不需要公式也能講清，但是公式作為科學(xué)的靈魂，它的存在可以錦上添花。不懂的大家先跳過就好了。
這兒的公式看起來也很簡潔漂亮，事實上這就是公式的魅力所在：一個小小的公式竟然可以描述宇宙中多不可數(shù)的事件和過程。它是人類知識的濃縮與升華。公式的簡潔性關(guān)鍵在其中物理量的可擴展性，我們可以用一個字母來代替一類物理量。比如F=ma中的F可以包含拉力，推力，重力、摩擦力等。因此標(biāo)準(zhǔn)模型還可以寫成包含更多信息的形式（如圖三）和更復(fù)雜的形式（如圖四）。
拉格朗日量包含粒子的動能和勢能，由最小作用量原理可以得到其運動方程，也就是說知道了系統(tǒng)的拉格朗日量就知道了系統(tǒng)的運動方程，就近乎知道了一切。所以這兒的標(biāo)準(zhǔn)模型是用其拉格朗日量來表示的。
最小作用量原理也是一個很神奇的原理。作用量等于拉格朗日量對時間的積分，最小作用量原理說這個作用量總是取最小值（其實是極值）。它在物理上的應(yīng)用非常廣，比如還可以用來解釋為什么光是直線傳播的：光總是走費時最短的路程，兩點之間直線最短，所以光走直線。當(dāng)然這兒討論的是平直時空，但即使是在彎曲時空，你也會發(fā)現(xiàn)：雖然光的路線是彎的，但它依然滿足最小作用量原理。
圖三
上圖中式子的第一行代表規(guī)范玻色子的動能和自相互作用項，第二行代表費米子的動能及電弱相互作用項，第三行代表希格斯玻色子的動能和勢能項，最后一行分別代表夸克和膠子的相互作用以及費米子和希格斯玻色子的耦合（湯川耦合）。
由此我們看到了標(biāo)準(zhǔn)模型的公式版是定量地描述了目前所已知的所有基本粒子。它是現(xiàn)代物理的頂峰，頂峰之外顯然還有更高的山峰，但是它們都被迷霧籠罩著。
仔細(xì)研究標(biāo)準(zhǔn)模型，我們自然能從公式中看出豐富的物理來。比如圖一所示的標(biāo)準(zhǔn)模型中所有粒子都是沒有質(zhì)量的，但是可以通過希格斯機制給它們賦予質(zhì)量。希格斯玻色子在電弱破缺時會獲得真空期望值，同時產(chǎn)生無質(zhì)量的哥德斯通粒子。其中WZ玻色子通過吃掉無質(zhì)量的哥德斯通粒子獲得質(zhì)量，而帶電輕子通過湯川耦合獲得質(zhì)量。
關(guān)于粒子如何獲得質(zhì)量是一個有意思的話題，而這個話題的主角希格斯玻色子也被稱為“上帝粒子”。上帝粒子這個名字來源于一個書名。但是據(jù)說最開始作者是想把它叫作被詛咒的粒子（The Goddam Particle），但是編輯覺得這個名字不好，于是把它改成了上帝粒子（The God Particle）。上帝粒子為什么這么重要呢？因為如果粒子沒有質(zhì)量，那么它就會以光速運動，就像光一樣。如果沒有希格斯粒子，那么全部的粒子以光速運動，則夸克根本不可能形成質(zhì)子和中子，進而也沒有原子核、原子、分子等，這樣我們的宇宙會一直是一鍋粒子湯。沒有星球，更沒有人類。那希格斯粒子是如何給其它質(zhì)量的呢？有一種形象的理解是：希格斯場在獲得真空期望值后變得“粘稠”了，把一些粒子給“膠”住了。就像魚在水里游得快，水變粘稠了，它就游得慢了。
從公式中我們也可以看出粒子間的相互作用由規(guī)范玻色子傳播。這讓我們進一步了解到了力的本質(zhì)是什么。量子場論是學(xué)習(xí)和理解標(biāo)準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)，而在用在學(xué)習(xí)量子場論的同時，我們也會知道粒子的本質(zhì)是什么。下面就讓我來好好說這兩種新觀點吧。
圖四
力是什么？
力的本質(zhì)是什么？它看不見摸不著，卻又無處不在。中學(xué)里我們第一次學(xué)物理時知道力定義為物體間的相互作用。雖然我們可以很清楚地感受到力的存在，但是對這個“相互作用”卻總是有一種說不清道不明的感覺。比如我問你：物體間通過什么來發(fā)生相互作用呢？答：通過力來發(fā)生相互作用。那么你再把力的定義帶進去就會覺得怪怪的：通過力來發(fā)生力。
那么標(biāo)準(zhǔn)模型怎么說呢？標(biāo)準(zhǔn)模型告訴我們力是不存在的，粒子間通過交換玻色子來發(fā)生相互作用。我們不需要力就可以描述世界。當(dāng)然，由于力的存在已經(jīng)深入人心，而且它在經(jīng)典力學(xué)中有重要的作用，我們可以把力作為一種有用的宏觀低能近似。就是說把交換粒子的效果等價于力。這樣我們就不難理解為什么兩塊磁鐵不接觸也會產(chǎn)生力，因為它們之間在不停地交換著看不見的虛光子。
標(biāo)準(zhǔn)模型中一開始只需要引入費米子，規(guī)范玻色子由對費米子做規(guī)范變換引入。即為了保證費米子的規(guī)范不變性，必須引入規(guī)范玻色子。這樣引入的規(guī)范玻色子是沒有質(zhì)量的，于是為了給規(guī)范玻色子質(zhì)量，需要進一步引入希格斯玻色子。在費米子的散射過程中，規(guī)范場會收縮掉，規(guī)范玻色子以虛粒子的形式出現(xiàn)。所以我們說通過規(guī)范玻色子傳遞相互作用。事實上費米子和希格斯玻色子也可以收縮掉，也就是說事實上它們也可以傳遞相互作用。只是為了與宏觀的強相互作用、電磁相互作用和弱相互作用對應(yīng)，一般只說規(guī)范玻色子傳遞相互作用。
圖五
那么通過粒子傳遞相互作用應(yīng)該怎么樣理解好呢？交換粒子傳遞相互作用的話正負(fù)電子還能相吸嗎？答案是可以的。我們先來看相斥的情況，想象兩個人面對面站在兩條船上，當(dāng)一個人把一個球扔給對方時，由于動量守恒，他自己會往后退，對方接住球后也會往后退（如圖五）。這就相當(dāng)于交換粒子使他們之間產(chǎn)生了相斥的效果。那么相吸呢？乍一看，似乎不會，但是再看一看下面這張圖六你就會發(fā)現(xiàn)這是可行的。當(dāng)然，這圖六中回旋鏢之所以會拐彎是由于與空氣產(chǎn)生了摩擦。而交換粒子的同時也交換了能量和動量，只要交換的動量和相斥過程中的動量方向相反的話，自然就相吸了。
圖六
粒子還是波？
波還是粒子？這是一個重要的問題。關(guān)于光是波還是粒子的問題，科學(xué)家們爭論了好幾百年，最終發(fā)現(xiàn)光既是波又是粒子。這就是著名的波粒二象性。德布羅意進一步將光的波粒二象性推廣到所有的粒子。由此引出了后續(xù)的一系列有趣問題，其中最有名的自然是薛定諤那只又死又活的貓?，F(xiàn)在關(guān)于這個問題的正統(tǒng)解釋是哥本哈根學(xué)派的看法：粒子還是粒子，波只是一種概率波。就是說粒子是有各種概率出現(xiàn)在各處的，而這個概率可以由波函數(shù)算出。
光是什么？以上的回答也許太過簡略。我們且把光當(dāng)作一粒一粒的光微粒：光子。物體會發(fā)光或反光，當(dāng)光子穿透我們的眼睛打到視網(wǎng)膜上的感光細(xì)胞時，就會產(chǎn)生電信號傳到我們的大腦，這時我們就看到了該物體。這沒有什么好難理解的，但是如果你看到光會拐彎呢？
看過09年日食的朋友會發(fā)現(xiàn)，日食剛開始時直接用眼睛瞄一眼太陽（這種方式對眼睛有傷害不推薦，推薦用小鏡子將缺口太陽照在地上），或者直接用手機拍日食是行不通的，看到的還是一個圓的太陽（如圖七）。那被月亮擋住的那一部分太陽發(fā)出的光是怎么過來的呢？如果把光當(dāng)成子彈一樣的粒子的話，那肯定是過不來的，除非把月亮打穿了。所以這個過程必須用光的波動性來解釋，光波可以繞過物體繼續(xù)前進。
圖七
那么反過來直接把光當(dāng)作波可以嗎？也不行。因為有一個光電效應(yīng)，解釋這個現(xiàn)象要引入光量子的概念，即光是一個一個的光的組成的。唉，那么把光看成和水一樣，水是由水分子組成，它也形成水波，同樣，光由光子由成，大量的光子組成光波。這個解釋初看起來很完美，但是也是錯的，因為光的波動性是單個光子也有波動性的，不是大量光子才有的。
驗證單個粒子具有波動性的實驗如圖八。一個電子發(fā)射器，發(fā)射電子通過兩條狹縫，打在后面的屏幕上。如果是經(jīng)典的粒子的話，最多只在屏幕上留下兩條亮條紋，但是可以看到最終屏幕上有好幾條亮條紋，由此可以證明粒子具有波動性。為了排除波動性由大量粒子相互作用而產(chǎn)生。我們可以一個一個地發(fā)射電子，使得這一個電子已經(jīng)打到屏幕上了下一個粒子才發(fā)出來，前后粒子之間沒有關(guān)系了，但是可以看到隨著打出的粒子的增多，屏幕上最終還是形成了多條亮條紋，這就證明了單個粒子依然有波動性。
圖八
所以光既有粒子性又有波動性，這在經(jīng)典世界是無法理解的，比如我們無法理解子彈穿過兩條縫打出多條條紋來。所以量子世界和經(jīng)典世界是很不同的。光究竟是粒子還是波？這也許是無解的，我們暫且認(rèn)為它是粒子，但是具有波動的特性。
那么粒子又是什么呢？根據(jù)量子場論，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)粒子是場的激發(fā)。真空并不是空的，它由彌漫整個宇宙的費米場和玻色場組成。所有的粒子由這些場激發(fā)產(chǎn)生。真空是場的基態(tài)，當(dāng)它被激發(fā)到激發(fā)態(tài)時就會產(chǎn)生粒子。不同的場激發(fā)出不同的粒子，不同的激發(fā)態(tài)模式對應(yīng)不同的動量，不同的激發(fā)態(tài)對應(yīng)不同的粒子數(shù)。
粒子由場激發(fā)這個圖像也不太好想象，下面這兩張動態(tài)圖也許可以給出一點直觀的印象。不過這似乎又有一點回到波來的樣子了……
未解之謎
如果我接著上面的模式來問的話，自然會得到下一個問題：場是什么？不過現(xiàn)階段還有很多問題等著物理學(xué)家來回答，他們還沒有時間和精力去想這么玄之又玄的問題。雖然標(biāo)準(zhǔn)模型已經(jīng)取得巨大的成功，但是它并不萬能的，物理學(xué)中還有很多未解之謎是標(biāo)準(zhǔn)模型所不能解釋的。比如現(xiàn)實中中微子是有質(zhì)量的，但是標(biāo)準(zhǔn)模型中它沒有，還有標(biāo)準(zhǔn)模型不能解釋暗物質(zhì)和暗能量。更重要的是標(biāo)準(zhǔn)模型中沒有包括引力。雖然所有的這些問題，理論物理學(xué)家都給出了各種各樣的理論模型，但是它們都沒有得到實驗的驗證。物理學(xué)雖然還遠沒有看到盡頭，但是已呈現(xiàn)的精彩仍值得人類為之傾倒，為之探索不息。
注[1]：
關(guān)于太陽從東邊升起，有人可能會辯說不是太陽圍著地球轉(zhuǎn)而是地球圍著太陽轉(zhuǎn)。其實這取決于觀察者的角度，原則上說太陽圍著地球轉(zhuǎn)也是沒有問題的，只是日心說的模型在處理天體運動問題時要簡單方便多了。當(dāng)然它破除封建迷信的過程中也起了重要作用。
作者：曾珺行
