萬物由什么組成？世界怎樣運(yùn)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(tuán),。

基本粒子簡(jiǎn)介

如果把一個(gè)物體不斷的分下去，最后我們會(huì)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(gè)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(shí)上在量子場(chǎng)論中這些基本粒子的體積被認(rèn)為是零，而實(shí)驗(yàn)上的觀測(cè)也與理論是符合的,。著名實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家諾貝爾獎(jiǎng)獲得者丁肇中先生,，花了四十年的時(shí)間測(cè)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(shí)驗(yàn)科學(xué),，理論總是需要實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的結(jié)果相符合我們才會(huì)認(rèn)為它是正確的,。但事實(shí)上所有理論只可能被證偽,，而不能被證明。這是因?yàn)槿绻粋€(gè)理論是錯(cuò)的,，你只需要一個(gè)反例就可以推翻它,。而理論如果是正確的，你找到一個(gè)例子是不足以證明它的,，一千個(gè)一萬個(gè)也不行,，因?yàn)楸２粶?zhǔn)下一個(gè)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(shí)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(shí)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(gè)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(jiǎn)稱為標(biāo)準(zhǔn)模型）。

圖一

先來簡(jiǎn)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(fèi)米子,，右邊的藍(lán)色的粒子是玻色子。費(fèi)米子可以進(jìn)一步分為夸克和輕子,，玻色子也可以進(jìn)一步分為希格斯玻色子和規(guī)范玻色子,。夸克和輕子組成物質(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(fèi)米子和玻色子有什么區(qū)別呢,？費(fèi)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(fèi)米子,。自旋是一奇妙的量，它沒有經(jīng)典的對(duì)應(yīng),。它是由粒子在洛倫茲變換下導(dǎo)出來量,，類似于角動(dòng)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(gè)球和一個(gè)普通物理,。但是一個(gè)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(gè)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(jiǎn)潔、漂亮就認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)模型很簡(jiǎn)單,，事實(shí)上其中蘊(yùn)含著豐富的物理呢,！比如費(fèi)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?yàn)槲⒂^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(zhǎng)成下面圖二這個(gè)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(jiǎn)潔漂亮,，事實(shí)上這就是公式的魅力所在：一個(gè)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(shí)的濃縮與升華,。公式的簡(jiǎn)潔性關(guān)鍵在其中物理量的可擴(kuò)展性,，我們可以用一個(gè)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(dòng)能和勢(shì)能，由最小作用量原理可以得到其運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(gè)很神奇的原理,。作用量等于拉格朗日量對(duì)時(shí)間的積分,，最小作用量原理說這個(gè)作用量總是取最小值（其實(shí)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(fèi)時(shí)最短的路程,，兩點(diǎn)之間直線最短,，所以光走直線,。當(dāng)然這兒討論的是平直時(shí)空,，但即使是在彎曲時(shí)空,，你也會(huì)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(dòng)能和自相互作用項(xiàng),，第二行代表費(fèi)米子的動(dòng)能及電弱相互作用項(xiàng),，第三行代表希格斯玻色子的動(dòng)能和勢(shì)能項(xiàng)，最后一行分別代表夸克和膠子的相互作用以及費(fèi)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(jī)制給它們賦予質(zhì)量。希格斯玻色子在電弱破缺時(shí)會(huì)獲得真空期望值,，同時(shí)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(gè)有意思的話題,，而這個(gè)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(gè)名字來源于一個(gè)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(gè)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?yàn)槿绻Ｗ記]有質(zhì)量,，那么它就會(huì)以光速運(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)，則夸克根本不可能形成質(zhì)子和中子,，進(jìn)而也沒有原子核、原子,、分子等,，這樣我們的宇宙會(huì)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(chǎng)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(jìn)一步了解到了力的本質(zhì)是什么,。量子場(chǎng)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(chǎng)論的同時(shí)，我們也會(huì)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(diǎn)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(shí)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(duì)這個(gè)“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(jìn)去就會(huì)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(jià)于力,。這樣我們就不難理解為什么兩塊磁鐵不接觸也會(huì)產(chǎn)生力，因?yàn)樗鼈冎g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(fèi)米子,，規(guī)范玻色子由對(duì)費(fèi)米子做規(guī)范變換引入。即為了保證費(fèi)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(jìn)一步引入希格斯玻色子,。在費(fèi)米子的散射過程中，規(guī)范場(chǎng)會(huì)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(shí)上費(fèi)米子和希格斯玻色子也可以收縮掉,，也就是說事實(shí)上它們也可以傳遞相互作用,。只是為了與宏觀的強(qiáng)相互作用、電磁相互作用和弱相互作用對(duì)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(gè)人面對(duì)面站在兩條船上,，當(dāng)一個(gè)人把一個(gè)球扔給對(duì)方時(shí),，由于動(dòng)量守恒，他自己會(huì)往后退,，對(duì)方接住球后也會(huì)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(huì)，但是再看一看下面這張圖六你就會(huì)發(fā)現(xiàn)這是可行的,。當(dāng)然,，這圖六中回旋鏢之所以會(huì)拐彎是由于與空氣產(chǎn)生了摩擦,。而交換粒子的同時(shí)也交換了能量和動(dòng)量，只要交換的動(dòng)量和相斥過程中的動(dòng)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(gè)重要的問題,。關(guān)于光是波還是粒子的問題，科學(xué)家們爭(zhēng)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(jìn)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。現(xiàn)在關(guān)于這個(gè)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(gè)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(jiǎn)略,。我們且把光當(dāng)作一粒一粒的光微粒：光子,。物體會(huì)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(shí),，就會(huì)產(chǎn)生電信號(hào)傳到我們的大腦,，這時(shí)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(huì)拐彎呢,？

看過09年日食的朋友會(huì)發(fā)現(xiàn)，日食剛開始時(shí)直接用眼睛瞄一眼太陽（這種方式對(duì)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(jī)拍日食是行不通的，看到的還是一個(gè)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(gè)過程必須用光的波動(dòng)性來解釋，光波可以繞過物體繼續(xù)前進(jìn),。

圖七

那么反過來直接把光當(dāng)作波可以嗎,？也不行,。因?yàn)橛幸粋€(gè)光電效應(yīng)，解釋這個(gè)現(xiàn)象要引入光量子的概念,，即光是一個(gè)一個(gè)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(gè)解釋初看起來很完美,，但是也是錯(cuò)的,，因?yàn)楣獾牟▌?dòng)性是單個(gè)光子也有波動(dòng)性的，不是大量光子才有的,。

驗(yàn)證單個(gè)粒子具有波動(dòng)性的實(shí)驗(yàn)如圖八,。一個(gè)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(dòng)性。為了排除波動(dòng)性由大量粒子相互作用而產(chǎn)生,。我們可以一個(gè)一個(gè)地發(fā)射電子,，使得這一個(gè)電子已經(jīng)打到屏幕上了下一個(gè)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(gè)粒子依然有波動(dòng)性,。

圖八

所以光既有粒子性又有波動(dòng)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(dòng)的特性。

那么粒子又是什么呢,？根據(jù)量子場(chǎng)論,，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)粒子是場(chǎng)的激發(fā),。真空并不是空的，它由彌漫整個(gè)宇宙的費(fèi)米場(chǎng)和玻色場(chǎng)組成,。所有的粒子由這些場(chǎng)激發(fā)產(chǎn)生,。真空是場(chǎng)的基態(tài)，當(dāng)它被激發(fā)到激發(fā)態(tài)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生粒子,。不同的場(chǎng)激發(fā)出不同的粒子,，不同的激發(fā)態(tài)模式對(duì)應(yīng)不同的動(dòng)量，不同的激發(fā)態(tài)對(duì)應(yīng)不同的粒子數(shù),。

粒子由場(chǎng)激發(fā)這個(gè)圖像也不太好想象,，下面這兩張動(dòng)態(tài)圖也許可以給出一點(diǎn)直觀的印象。不過這似乎又有一點(diǎn)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(huì)得到下一個(gè)問題：場(chǎng)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(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。物理學(xué)雖然還遠(yuǎn)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(huì)辯說不是太陽圍著地球轉(zhuǎn)而是地球圍著太陽轉(zhuǎn),。其實(shí)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(yùn)動(dòng)問題時(shí)要簡(jiǎn)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。