世界的砖块--走近粒子物理标准模型无论是古希腊哲学家还是先秦诸子们

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无论是古希腊哲学家还是先秦诸子们，都有关于世界是由粒子组成的猜想。而粒子物理正式作为一门学科建立起来，则是在千年之后的1895年。德国物理学家伦琴在研究气体放电和阴极射线时候，发现了X射线。这一年堪称粒子物理元年。

现在看来，粒子物理堪称是一门正确的学科，诞生在了正确的时间点上。二十世纪初，经典物理大厦在量子革命中轰然倒塌，量子力学席卷了整个物理学界。另一方面，狭义相对论的建立也让人们对因果律的认识更加深刻。粒子物理获得了发展必备的两件工具。上世纪30年代，泡利和费米等人先后提出了中微子猜想和弱相互作用的费米理论。尽管费米理论只是一个不可重整化的理论，但是它在物理学史上依然有着很深厚的影响。1956年，杨振宁和李政道提出了宇称不守恒理论。而事实上，在此之前，杨振宁先生的更重要的一项工作已经在1954年初步完成，这项工作在经典场论的基础上将Abelian规范场推广到non-Abelian规范场，即杨-米尔斯理论。在杨先生的工作的基础上，科学家们逐渐预言了传递弱相互作用的W正负和Z等规范玻色子和希格斯玻色子。1967年，格拉肖、温伯格和萨拉姆分别独立提出了电弱统一理论。随着1971年，特霍夫特等人证明了电弱统一理论的重整性，至此，标准模型建立成功。

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丰富多彩的粒子物理

标准模型巧妙的将自然界的三种基本作用整理到一起，即电磁相互作用、弱相互作、强相互作用等。由于引力子尚未发现，因此标准模型并没有引力子。事实上，一部分科学家认为，一定会找到引力子，并且引力是可以量子化的;而另一部分科学家则坚信一切都是几何，并没有所谓的引力子。目前引力子尚是开放性问题。

施温格原理告诉我们，由微观因果性的要求，经典场只有两种量子化条件，分别对应玻色子和费米子。而标准模型中的基本粒子，也可以分为这样两类。所谓的费米子指的是自旋为半整数的粒子，而玻色子自旋则为整数。自旋是一种内禀属性，并不是粒子真正在转圈圈。目前，自旋的本质也是开放性问题。

标准模型中，玻色子可分为规范玻色子和希格斯玻色子它们的自旋都是1。规范玻色子传递基本相互作用，而希格斯玻色子通过希格斯机制赋予其他粒子质量。

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基本粒子标准模型，图片来自中山大学张宏浩教授的ppt

而标准模型的费米子可分为轻子和夸克，它们的自旋都是1/2。其中，轻子包括电子、μ子、τ子及其对应的中微子;夸克包括上夸克、下夸克、粲夸克、奇夸克、顶夸克、底夸克。其中质量最小的是上夸克，仅有2.3MeV，下夸克次之，为4.8MeV。显然，轻子和夸克包括三代和六种味道。

标准模型并非最终理论。它具有太多自由度，这对于一个基本理论来说，显得太过依赖于实验。另外，它中间缺少能够作为暗物质的粒子(最接近的中微子太轻了)。而两次获得诺贝尔奖的中微子振荡问题则告诉我们，中微子一定具有质量，这也是标准模型困难之一。

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了不起的杨先生

由于标准模型只包含基本粒子，因此质子等并不在其中。由于渐进自由和色禁闭，目前尚未观测到自由夸克，更多的观测到的是3个夸克或者反夸克(重子)，或者一对夸克和反夸克(介子)。其中，质子是最轻的重子，由两个上夸克和一个下夸克组成，记作uud，中子次之，由一个上夸克和两个下夸克组成，记作udd。但是，泡利不相容原理告诉我们，不可能存在三个上夸克组成的重子。质子和夸克的相对大小十分夸张，如果将质子和中子放大到直径为1米的球体，那么夸克和电子的直径还不到1毫米，整个原子的直径则将超过100公里。

当今科学界最前沿的问题，正是生命的本质，宇宙的起源，万物的基本结构。显然，这些都是粒子物理扮演着举足轻重的角色的交叉学科。粒子物理，无论是理论还是实验，都将大有可为!

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作者:刘丹宁王纪尧

『天文湿刻』牧夫出品

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