探索量子奥秘：粒子知识概览-明大装潢网

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古希腊人推测它可能是空气、火或水；一个世纪前，物理学家确信它是原子……今天，我们相信现实的最深层是由各种基本粒子组成的，所有这些粒子都受到量子理论的控制。

量子力学虽然非常成功，但归根结底只是一种物理理论。它准确地描述了事物在最小尺度上的行为方式。然而，“量子”这个词却很令人回味。量子力学所描述的亚原子粒子和力的无穷小领域是出了名的奇怪：凡人不敢冒险进入，更不用说理解了。我们被告知，粒子是场，反之亦然，不确定性占主导地位，波函数瓦解模糊的概率云，揭示我们所知道的精致现实。面对这样的启示，人们很容易想到物理学家理查德·费曼的那句臭名昭著的名言：“没有人理解量子力学。”

对于任何其他对象，粒子可以是“坍缩波函数”、“场的量子激发”、“庞加莱群的不可约代表”、“振动弦”、“量子位的变形”…… ，物体a 的属性取决于它的物理构成：最终取决于它的组成粒子。但这些粒子的特性并非来自它们自身的组成，而是来自数学模式。作为数学与现实之间的接触点，粒子以不确定的立足点横跨两个世界。

从某种意义上说，这一切都是真的。但如果得出亚原子世界是禁区的结论那就大错特错了：相反，亚原子世界固有的陌生性和它所蕴含的困难恰恰使它令人兴奋。

正是本着“只要放弃直觉，量子世界并不像你想象的那么混乱”的探索精神，我们整理并列出了这份量子领域清单。

——这一次，我们将探索最小的微观世界。您可以将其视为一次亚原子之旅，或者至少是对微观世界居民的实地指南。这样，读者不仅会发现我们所知道的粒子和力，还会了解它们的奇怪行为以及支配它们的定律；他们将遇到物理学家认为可以解决宇宙学最大谜团的令人眼花缭乱的假设。粒子，以及他们认为可能在更深层次的现实中发现的一些奇怪的东西。

我们希望这将是一次激动人心的旅程。

首先，我们知道物质是由原子组成，质子和中子位于原子的中心。但即便如此，它们也不是粒子物理学“标准模型”目前详细描述的基本粒子，这是我们对最小尺度现实的主要描述。因此，我们需要从深层次入手，研究物质是由什么构成的。

标准型号。尽管缺少一些“碎片”，但我们识别出的粒子集合提供了对所有可见物质以及四种基本力中的三种的非常准确的描述

1) 电子产品

电子的重量比质子或中子轻约1,800 倍，并且对原子总质量的影响最小。然而，如果没有电子，我们几乎就没有物质感。这是因为电子带有负电荷，并生活在原子核周围的“轨道或云”中：当你触摸某物时，指尖的原子不会直接与物体中的原子碰撞。相反，你感受到的是手指中原子核周围的负电子与物体中的负电子之间的电磁力产生的相互排斥力。

电子产品在日常生活的几乎所有其他方面也发挥着主导作用。从广义上讲，当原子在固体、液体和气体中结合时，通过电子的转移或共享来平衡电荷并稳定物体。

所有化学反应，从光合作用到燃烧，从分解到涉及我们味觉和嗅觉的微妙反应，都可以归结为电子的重新排列。电子也是电力的载体：它们对晶体管的微妙操纵控制着电流的流动，正是因为它们，计算机和许多其他现代技术才成为可能。

2）夸克（上、下）

对于物理学家穆雷·盖尔曼(Murray Gell-Mann) 来说，“夸克”这个词描述了他在20 世纪60 年代成功预测的基本粒子，这是构成质子和中子的基本构件。粒子。

这里，夸克有两种类型：上夸克和下夸克，但不要从字面上理解这些标签。不同之处在于，上夸克的分数电荷（即电子电荷的分数）为+，而下夸克的分数电荷为-，并且质量较小。中子包含两个下夸克和一个上夸克；质子包含两个上夸克和一个下夸克，这两个夸克都与另一种基本粒子—— 个胶子粘在一起。计算表明，这就是质子比中子稍轻并带有正电荷的原因：正是因为它在围绕原子核的轨道上结合了负电子。

3）中微子

您是否注意到，当您阅读本文时，太阳核聚变产生的数十亿中微子正在穿过您的眼球？我们也没有。

然而，中微子偶尔会通过弱力与物质相互作用，弱力涉及各种类型的核衰变。但在这些事件中，我们并不总是能看到我们所期望的。这是因为量子定律允许中微子在不同的味道之间振荡：“电子中微子”可以转化为“子中微子”或“中微子”。因此，中微子是了解粒子物理学家所说的物质具有三代这一奇怪事实的一个窗口。

4）其他夸克和轻子

1936年，当介子被发现时，诺贝尔奖获得者伊西多·拉比问道：“这是谁的命令？”物理学家没有忘记他的怀疑。其中一些第二代和第三代粒子确实很重：顶夸克甚至使强大的希格斯玻色子都相形见绌。

然而，据我们所知，它们在所有其他方面与其前辈相同。事实上，它们似乎在宇宙中并没有扮演积极的角色；我们只能说它们让事情变得更加复杂。

以六种不同的夸克为例，除了我们熟悉的质子和中子之外，自然界中还有一百五十多种复合粒子。我们已经发现了很多二夸克和三夸克复合粒子，现在又发现了四夸克和五夸克复合粒子。 —— 所有这些听起来可能只不过是集邮而已。但我们希望，创造这些复合粒子的事件发生率的微小变化可以解释为什么大自然似乎更青睐物质而不是反物质。

物质本身是极其无聊的，是“力”让宇宙运转起来。但我们对力的现代理解并不像一物作用于另一物的经典概念。相反，我们知道有四种基本力，它们本身由物质不断发射和吸收的粒子组成。

力如何发挥作用？从根本上讲，力通过承载力粒子的交换来起作用

1）光子和电磁力

电子是日常物理中与电磁力——光子的载体配合的物质粒子。当两个电子相互排斥时，它们会向相反的方向反冲，一个电子发射光子，另一个电子吸收光子。

原子电子的排列赋予材料颜色，材料吸收和重新发射光子将其颜色传输到我们眼睛的视网膜。光子还可以在化学反应中重新排列电子，因为它们可以放入或带走能量。有时我们看到的光子是可见光，例如燃烧反应过程中火焰中产生的光子。较低能量的光子构成了辐射波，而极高能量的光子则构成了同样不可见但危险的紫外线、X 射线和伽马射线。

2）胶子和强核力

强大的核力将质子和中子内部的夸克结合在一起。它通过胶子传递。 —— 无需猜测它的名字从何而来。

胶子通过夸克独有的颜色（一种特殊的量子属性）发挥作用。在相互作用中，一个胶子可以改变一个夸克的色荷，但如果它改变，另一个胶子也会改变相邻夸克的色荷，因此白色仍然是它们的整体混合色。例如，质子的三个夸克可能同时是红、蓝、绿；在另一个时刻，它们可能是绿色、蓝色和红色。没有人说粒子物理学是容易的。胶子具有如此强大的控制力，以至于夸克从未被单独观察到。

这也意味着胶子含有巨大的能量，通过爱因斯坦的质能等效理论，能量转化为巨大的质量。事实上，原子的大部分质量不是来自夸克和电子，而是来自胶子。

3）W、Z玻色子和弱核力

W玻色子和Z玻色子不同于光子和胶子。光子和胶子没有质量并以光速飞行。然而，W 玻色子和Z 玻色子即使在与铁原子对抗时也非常慢。将会处于劣势。然而，与光子和胶子相比，W和Z玻色子对其他粒子的影响要弱数千亿倍。这是因为，在量子物理学中，质量并不等同于强度，而是等同于范围，或者说缺乏范围：弱力的范围小于十亿分之四毫米（10-15毫米）。

尽管如此，它们仍然可以产生强大的影响。在太阳中氢聚变成氦的过程中，氢质子中的一个上夸克变成了下夸克，将质子变成中子：这是一个必要的步骤，因为氦与氢不同，只是它需要一个中性子还需要质子。就这样，不起眼的W玻色子让太阳继续发光，也让地球上的生命和你我成为可能。

4）希格斯玻色子

质量不是一个简单的概念。我们倾向于将其等同于重量，但它实际上是万有引力的衡量标准，尽管“重量”和“质量”这两个术语经常互换使用。质量的正确定义与惯性有关，惯性是物体在给定力的作用下抵抗加速度的程度。自行车有一定的惯性质量，50辆编组的货运列车有更大的惯性质量。

希格斯场以理论家彼得·希格斯的名字命名，它赋予粒子惯性质量。希格斯场既不是物质力，也不是量子场中唯一的，因为它在空间中的所有点上都具有有限的强度，即使在真空中，当没有足够的能量使其表现为粒子时也是如此。 —— 希格斯场同样适用当骰子出现时。物质粒子，以及弱相互作用的W玻色子和Z玻色子，都不同程度地被希格斯场有效捕获，从而获得惯性质量。否则，它们将没有质量且静止，像光子和胶子一样以光速移动。

围绕希格斯粒子有许多问题：它能否与自身相互作用并获得自己的质量？希格斯玻色子是否只有一种，还是还有更多，也许是暗物质，一种阻止星系飞散的神秘物质？如果它的质量再大几倍，原子核就会失去平衡，氢将成为唯一稳定的元素，宇宙就会变得非常平淡。

更糟糕的是，根据理论计算，希格斯场并不一定处于最脆弱的状态。在某个时刻，它可能会陷入更稳定的配置，强度不是几倍而是数十亿倍，立即扰乱我们有序的宇宙。

这将是一个纯粹的随机事件，基于一种被称为量子力学隧道效应的现象，在这种现象中，粒子可以跨越看似不可逾越的能量障碍。幸运的是，预计此类事件每五年(10^100) 年左右才会发生一次。

已知大约有30 种粒子类型，具体取决于它们的计算方式。但现在我们必须进入未知领域：这个领域包括假设粒子团，这些粒子团被提出来解决我们尚未完全理解的问题，从引力和大爆炸到暗物质和暗能量的神秘存在。

1）引力子

重力本身不是问题：它是第四种基本力，也是唯一一种众所周知的力。但它的力载体，—— 个引力子，仍然是假设的。部分原因是没有人确定重力可以量化，部分原因是即使重力可以量化，它的量子粒子也很难检测到。

这是因为重力非常弱。地球产生的引力场足够强大，足以让我们的脚在大部分时间都保持在地面上，但即使是孩子，每次跳跃时也能暂时逃脱它的引力。这个引力场必须非常强才能显现出引力子。

有多强？嗯，物理学家设想了一个具有木星质量的引力子探测器。中子星的密度非常大，因此可能是除了太阳黑子之外最大的引力源。他们预测探测器每十年可以记录一个引力子。

2）暴胀子

我们观察到的宇宙出奇地均匀。在最大的尺度上，一片天空看起来与另一片天空非常相似：恒星和星系形成了一个连续的图案，几乎就像它们在大爆炸膨胀期间均匀分布一样。但根据爱因斯坦的狭义相对论，这是不可能的，因为它需要信息的传播速度超过光速。

也许我们看到的宇宙只是原始超宇宙中的一个小点，它在短时间内膨胀得比正常情况快得多。就好像我们的宇宙被数字图像的单个像素炸毁，填满了同样平淡的空间。在这个想法中，宇宙的膨胀是由一种称为“暴胀子”的粒子驱动的。它具有一些与希格斯玻色子相同的特征。

事实上，一些理论家认为希格斯玻色子可能就是“暴胀子”，尽管它在早期宇宙中的行为会有很大不同。

138亿年前，宇宙中所有物质和能量形成

3）第五元素（Quintessence）

20世纪中叶之前流行的“稳态理论”认为空间本质上是不变的。所有观测结果都表明宇宙曾经发生过一次大爆炸，并且从那时起空间就一直在膨胀。

许多物理学家认为，早期膨胀速度特别快，被称为宇宙膨胀。现在，由于一种名为—— 暗能量的神秘实体，空间膨胀似乎再次加速，尽管速度比早期宇宙的膨胀速度慢得多。

没有人知道暗能量是什么，物理学家正在努力弄清楚它的确切行为，因为它的影响需要数十亿年的时间。尽管如此，还是有几种可能性：首先，除了已知的四种基本力之外，还存在第五种力，或“第五元素”。

相关的粒子没有名字。我们所知道的是，第五种元素必然弱于引力，因此很难看出如何检测其中一种粒子。

4）弱相互作用大质量粒子（WIMP）

人、行星、恒星……这些只是宇宙物质的一小部分。事实上，宇宙中的物质数量至少是我们能看到的五倍，否则星系就不会产生足够的引力来阻止它们飞散。暗物质是不可见的，因为它既不吸收也不反射光。它与可见物质的相互作用一定非常弱，否则我们就会检测到它。

可见物质只占宇宙总能量的一小部分，剩下的就是暗物质和暗能量

弱相互作用大质量粒子（WIMP）似乎符合所有条件。长期以来，它们一直被认为是暗物质的候选者，但尽管有这么多诱人的暗示，它们却从未被发现。

5) 轴子

也许暗物质根本不是由物质粒子组成的，而是力量的载体。

根据这些标准，投注者最喜欢的是轴子。轴子以一种清洁剂品牌命名，最初是为了解决一个不同的问题而开发的：当基本理论允许夸克和反夸克具有不同的质量时，为什么强力会以完全相同的方式影响夸克和反夸克？

这种负离子场会加强强力中的平衡，就像手指放在秤上一样。如果粒子也能解决暗物质问题那就更好了。

6）惰性中微子（sterile neutrino）

可以说，暗物质最简单的候选者是中微子，它只会增强星系和其他大型结构的引力。与已知的对应物（电子、子和头中微子）不同，惰性中微子对弱力漠不关心，或者说“惰性”。

它将通过重力相互作用，并且仅通过重力相互作用，安静但坚定地保持星系完好无损。那么，大量的惰性中微子很容易变成暗物质，这也可能解决一些其他问题。它们的磁场可能与已知中微子的磁场混合，这解释了为什么这些中微子质量虽小但很弱。

由于惰性中微子衰变产生的物质多于反物质，因此它们可以解释为什么我们的宇宙是由物质主导的。

7）暗光子

如果黑暗宇宙和我们的宇宙一样复杂怎么办？没有证据证明这一点，但我们仍然试图认为暗物质不仅仅是一些无用的球体。这将使暗物质粒子在封闭的群体中相互作用。

如果暗物质粒子存在，暗光子的后果将非常诱人，因为普通光子可以产生令人难以置信的各种现象。例如，它可以将暗物质粒子合并到原子中或形成暗化学的基础。

至少有四种基本力，但为什么是四种呢？有充分的理由认为基本力量的差异仅存在于表现形式中。长期以来，电力和磁力一直被认为是两种不同的力，直到物理学家麦克斯韦在1860 年代证明了电磁力。

然后，从20 世纪50 年代开始，电磁力和弱力开始被认为是一种现象，尽管这种现象仅在大爆炸后十亿分之一秒的自然能量中聚集在一起。计算表明，在更大的能量下，更接近大爆炸，电弱力和强力的强度是相同的。

因此，理论家怀疑这两种力量也可以合并成一种力量，由大统一理论描述。这些理论中的大多数都产生所谓的“超粒子”。那么重力呢？第四种力在量子理论中很难被接受，因为它与空间和时间密切相关，而空间和时间是粒子运行的舞台。

事实上，物理学家希望它们成为一个单一的、统一的力的各个方面：一组描述宇宙中一切事物行为的通用方程组。成功将取决于重新统一20 世纪两个最伟大的物理理论：量子理论和爱因斯坦的引力理论。是时候冒险进入最深处的未知世界了。

包括万有引力在内的“万有理论”通常认为粒子是实体的外壳，实体是万有引力的核心。为更基本、更令人费解的实体披上斗篷为更基本、更令人费解的实体披上斗篷，例如字符串或戒指。

1) X玻色子和轻夸克

电磁力和弱力的结合为我们预测希格斯玻色子的存在提供了理论基础。这种转换必须通过新的载力粒子——、X 玻色子和轻夸克来实现。

2) 粒子

从粒子物理学的角度来看，物质和力的区别很简单，就是物质粒子占据空间，而力粒子不占据空间。然而，几十年来，物理学家一直致力于研究更深入的“超对称”理论，该理论将物质和力视为同一枚硬币的两面。该理论认为，每个已知的物质粒子都有一个相应的、更重的力粒子，反之亦然。例如，夸克的力伙伴是重“夸克”，胶子的物质伙伴是重“胶子”，等等。

超对称长期以来一直被认为是一种潜在的大统一理论。问题在于，世界上最大的粒子粉碎机——日内瓦附近欧洲核子研究中心的大型强子对撞机没有发现超对称的证据。

3）磁单极子

每个磁铁都有两个磁极：北极和南极。仔细想想，这也很奇怪。电极通常也是成对的：正极和负极，但是，也可以通过将电子集中在一个地方或将它们带走来单独创建负极或正极。磁与电相关，它们都受磁场控制；那么为什么我们不能创造一个磁单极子呢？

物理学家保罗·狄拉克是最早提出磁单极子可能存在的人之一，几十年后物理学家才带着信念重新审视它们。如果我们要将所有自然力纳入一个单一的万物理论中，它们就必须存在；我们只是还没有找到它们。

4) 字符串

万物理论最著名的竞争者——弦理论认为，自然界最基本的东西不是点粒子，而是振动的弦。

所有这些弦都由相同的材料制成，但弦的振动模式决定了它的行为类型。就像钢琴弦可以表现出不同的音调一样，粒子弦可以像夸克、电子、光子或当前标准模型中的任何其他粒子一样“发出声音”。它甚至可以像最难以捉摸的力载体—— 引力子一样振动。问题是弦需要在11 个维度上振动。

支持者表示，这并不像听起来那么奇特，因为额外的维度可能会在弦周围稍微卷曲，使我们看不见它们。尽管如此，弦理论近年来还是受到了一些怀疑，因为它是超对称及其许多衍生理论的“主理论”，但这些理论都尚未被发现。

5）圈量子引力理论

另一种理论称为圈量子引力，它的出发点是第四种力不能像其他三种力一样对待：从某种意义上说，它更为基本。

因此，该理论纯粹专注于协调量子物理与引力。时空本身具有类似原子的结构。具体来说，它认为时空存在于一个有限的环形结构中，该结构紧密相连，创造了现实的新阶段。

圈量子引力还有很长的路要走，我们在粒子物理标准模型中所知道和描述的一切在做出可测试的预测方面并不比弦理论更好。

6) 扭转理论

Twistor理论可以追溯到20世纪60年代，是一切事物的“弱”理论。这是诺贝尔奖获得者罗杰·彭罗斯的创意，更不用说其他领域和粒子了，而是由因果链组成的更深层次现实的出现。

虽然因果链本身永远不会被打破，但其中事件的明显位置和时间是可变的，因此，对它们的完整描述是广泛和扭曲的。

如果这听起来令人困惑，那么你就大错特错了。扭曲理论在概念上是如此困难，甚至彭罗斯也在采访中避免谈论它。尽管它已经失宠了几十年，但近年来它经历了复兴：理论学家发现了与弦理论的有趣联系。

量子力学因一些奇怪的主张而闻名，例如猫既死又活，电子和质子以及亚原子世界中的其他生物既是粒子又是波。这些说法令人困惑。然而，利用关于量子世界的现代观念，我们仍然可以想象正在发生的事情。

量子力学提出了这样的观点：电子和光子等亚原子实体同时具有波和粒子特性。传统的量子力学使用波函数（一种数学结构）来计算粒子彼此相互作用的概率。然而，现代量子场论认为，空间充满了每个已知亚原子粒子的场，粒子被可视化为这些场中的局部振动。然而，当使用更现代的量子力学思想时，情况变得更加物理化。描述粒子的现代理论的名称是“量子场论”。现代量子场论假设空间充满了一系列场。每个已知的亚原子粒子都有一个场。比如有电子场、光子场等等，甚至还有夸克场。

根据这个理论，电子只不过是电子场中的波包。波包的含义与传统量子力学中的含义相同：即对波函数（代表波包）进行平方，结果就是在该位置检测到电子的概率。

—— 毫无疑问，现代物理理论可能复杂得难以想象。

然而，一旦你接受粒子只不过是几个相互作用场中的局部振动，你就会对量子世界如何运作有一个相当准确的了解。这种对粒子理解的真正天才之处在于，它让我们对粒子在量子水平上如何运作有了更深入的心理了解。

参考链接：

不代表中国科学院物理研究所立场

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