物理学家|本文，高能！( 二 ) 相对论|中微子|对撞机

大约45亿年前我们脚的下星球在混乱中诞生了又过了几亿年生命悄然地在地球上孕育在30几亿年的演化进程中生命从最初的单细胞逐渐演化出了今天数以万亿计的物种其中包括人类
人类在统治这个星球后开始发明、创造甚至思考宇宙的本源2000多年前古希腊先哲开始思考构成万物的最基础单元究竟是什么？是水、气、土、火？是以太？还是原子？直到上个世纪物理学家在发明了“超级放大镜”后才揭开了关于物质的层层迷雾原来我们所熟悉的细胞、高山、彗星这些看似完全不同的物体实际上都由夸克和轻子组成的
夸克和轻子也被称为基本粒子意味着不可再分割是什么力将夸克结合在一起？什么是轻子？基本粒子之间是如何相互作用的？存在比已知基本粒子更基本的粒子吗？ ......
研究基本粒子以及它们是如何在最小和最大的尺度下运作的学科被称为高能物理学或粒子物理学高能物理学的研究对象 “小”且“高能” 前者意味着量子力学非常重要后者意味着狭义相对论非常重要1900年普朗克为了解释黑体辐射的问题大胆假设能量并非连续的而是只能以一份一份的“量子”形式被吸收或发射从而敲响了量子世界的大门根据量子力学粒子的行为并不总是像粒子有时也像波电子或其他物质粒子的波长由德布罗意公式给出
举个例子一个以10?m/s运动的电子其德波罗意波长约为10?1?米这大约是一个原子的大小1905年爱因斯坦提出了重写时空观的狭义相对论
爱因斯坦最著名的质能关系也源自于狭义相对论
20世纪20年代末狄拉克在描述高速运动的电子的行为时将狭义相对论和量子力学结合写下了相对论性的波动方程狄拉克方程该方程预言了反物质的存在比如夸克和电子都有其反物质版本它们质量相同但电荷相反
量子场论是与狭义相对论相容的量子理论框架
在量子场论中每种粒子都有与其对应的场如电子场、胶子场、希格斯场等这些场弥漫在宇宙中激发特定的场就会产生相应的粒子例如激发电磁场就会产生光子
当粒子间的相互作用较弱时量子场论可以通过费曼图来简化计算简单的线条、波浪线和顶点 “几乎革新了理论物理学的方方面面” 但当粒子间的相互作用很强时就需要发展新的工具和技术这对理解夸克被禁闭在质子中等现象非常必要
描述光和物质之间相互作用的量子场论被称为量子电动力学描述夸克和胶子之间相互作用的理论则被称为量子色动力学量子场论是现代物理学的基石之一无论是研究电子在固体中如何相互配合还是探索黑洞附近的弯曲时空都需要应用量子场论上个世纪70年代物理学家基于量子场论建立了粒子物理学的标准模型如果用一张图表总结标准模型看起来会非常简洁：
但需要记住的是简洁的背后实际上是大量复杂的数学比如描述物质如何参与弱相互作用和电磁相互作用的拉格朗日量看起来是这样的
标准模型的那张图表中显示了已知的所有基本粒子这些粒子可以分为两大类费米子和玻色子
夸克和轻子都属于费米子夸克有六种“味” 就好比冰淇淋有不同的口味一样夸克有上、下、奇、粲、底和顶除了拥有电荷的性质夸克还拥有色荷：红、绿、蓝这当然与生活中的颜色无关而是它们的一种量子性质1964年盖尔曼和茨威格写下了“食谱” 混合搭配三种不同“颜色”的夸克可以构成无色的重子（比如质子）夸克和反夸克则可以结合成介子理论上夸克和反夸克还可以组成四夸克态甚至是五夸克态近年来的实验似乎已经验证了这一点
同样地轻子也有六种味电子是我们最熟悉的轻子此外还有与电子性质完全一样但质量更大的μ子和τ子电子、 μ子和τ子都有对应的中微子中微子非常神秘它们几乎不与物质相互作用因此很难捕捉到它们太阳、超新星、地球上的粒子衰变都是中微子的制造厂在中微子的传播过程中中微子还会相互转变身份这一神奇的特性意味着它们是有质量但标准模型曾告诉我们它们跟光子一样没有质量所以研究中微子或许会带领我们找到超越标准模型的新物理