粒子物理學的發展，促進了標準模型的完善

導讀：本章摘自獨立學者靈遁者量子力學科普書籍《見微知著》。此文旨在幫助大家認識我們身處的世界。世界是確定的，但世界的確定性不是我們能把我的。

粒子物理學是原子物理和原子核物理在高能領域的一個重要分支，相對於偏重於實驗觀測的原子核物理學，粒子物理更注重對基本粒子的物理本性的研究。就實驗方面而言，研究粒子物理所需的能量往往要比原子核物理所需的高得多，在回旋加速器發明以前，很多新粒子都是在宇宙射線中發現的，如正電子。

1935年，日本物理學家湯川秀樹提出了第一個重要的核子間強相互作用的理論，從而解釋了原子核內的質子和中子如何束縛在一起的。在湯川的理論中，核子間的作用力是靠一種虛粒子——介子來完成的。介子所傳遞的強相互作用能夠解釋原子核為何不在質子間相對較弱的電磁斥力下崩塌，而介子本身具有的兩百多倍電子靜止質量也能解釋為什麼強相互作用相比於電磁相互作用具有短很多的作用範圍。

1937年，安德森等人在宇宙射線中發現了質量約為電子靜止質量207倍的新粒子——μ子，人們起初以為μ子正是湯川預言的介子，從而稱之為μ介子。然而隨著研究發現，μ子和原子核的相互作用非常微弱，事實證明它只是一種輕子。

1947年，英國布里斯托爾大學的物理學家塞西爾·鮑威爾等人通過對宇宙射線照相發現了質量約為電子靜止質量273倍的π介子，從而證實了湯川的預言。

1914年詹姆斯·查德威克發現β衰變的譜線是連續譜，這表明在β衰變中存在一部分未知的能量損失。為此，沃爾夫岡·泡利於1930年提出中微子假說：在β衰變過程中，伴隨每一個電子有一個輕的中性粒子一起被發射出來，泡利當時將這種粒子稱作中子。但隨後查德威克於1932年發現了「真正」的大質量中子後，這種中性粒子後來被費米改成了現在具有義大利文風格的名字，稱作（反）中微子。

1934年，費米在此基礎上將產生電子和中微子的過程和產生光子的過程進行了類比，提出中子和質子只是核子的兩種狀態，β衰變即這兩種狀態之間的躍遷過程，從中會釋放出電子和中微子；而相對於電磁相互作用釋放的光子，釋放電子和中微子的相互作用被稱作弱相互作用。

義大利物理學家維克和漢斯·貝特後來用費米的衰變理論預言了第三種β衰變的形式：電子俘獲，這一預言後來也被實驗證實。

1953年，洛斯阿拉莫斯國家實驗室的克萊德·科溫和弗雷德里克·萊因斯等人利用核反應堆的β衰變產生的反中微子對質子進行散射，通過測量得到的中子和正電子的散射截面直接證實了反中微子的存在。相關論文《自由中微子的探測：一個證實》於1956年發表在《科學》雜誌上，這一結果獲得了1995年的諾貝爾物理學獎。

左圖為：默里·蓋爾曼

如前所述，夸克模型是由蓋爾曼和喬治·茨威格在1964年分別獨立提出的，在他們的模型中，強子由三種味的夸克：上夸克、下夸克和奇夸克組成，這三種夸克決定了強子具有的電荷和自旋等屬性。

物理學界對這個模型最初的意見是具有爭議的，包括爭論夸克是否是一種物理實在，還是只是為了解釋當時無法解釋的一些現象而提出的抽象概念。

不到一年之後，美國物理學家謝爾登·格拉肖和詹姆斯·比約肯擴展了夸克模型，他們預言還有第四種味的夸克：粲夸克存在。這個預言能夠更好地解釋弱相互作用，使夸克數和當時已知的輕子數相等，並暗示了一個能夠給出已知介子的質量的質量公式。

1968年，在斯坦福直線加速器中心進行的非彈性電子散射實驗表明質子具有更小的點粒子結構，不是一種基本粒子。當時的物理學家並不傾向於將這些更小的粒子稱為夸克，而是按費曼的習慣稱之為部分子parton。後來這個實驗的產物被判斷為上夸克和下夸克，但部分子這一名稱仍被沿用至今，它被用於強子的組成部分的統稱（夸克、反夸克和膠子）。

深度非彈性散射實驗還間接證實了奇夸克的存在，奇夸克的證實為1947年在宇宙射線中發現的K介子和π介子提供了解釋。1970年，格拉肖等人再次撰文論證了粲夸克的存在性。

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1973年，夸克的味增加到六種，這是由日本物理學家小林誠和益川敏英在實驗上觀察到CP破壞並認為這一對夸克可以對此加以解釋而提出的。這兩種新夸克被稱作頂夸克和底夸克。

1974年11月，兩組團隊幾乎在同一時間觀測到了粲夸克，他們是伯頓·里克特領導的斯坦福直線加速器中心和丁肇中領導的布魯克海文國家實驗室。實驗中觀測到的粲夸克是和反粲夸克一起束縛在介子中的，而這兩個研究小組分別給了這種介子不同的符號標記：J和ψ，從而這種介子後來被稱作J/ψ介子。這個發現終於使夸克模型得到了物理學界的普遍公認。

1977年，費米實驗室的利昂·萊德曼領導的研究小組發現了底夸克，這為頂夸克的存在提供了強烈暗示。但直到1995年頂夸克才被費米實驗室的另一組研究團隊發現。

二十世紀五十年代人們在加速器實驗中觀測到為數眾多的「奇異粒子」，它們具有協同產生，非協同衰變的特性。蓋爾曼為此引入了一個新的量子數：奇異數，來解釋這一特性，即在強相互作用下奇異數守恆，而在弱相互作用下奇異數不守恆。

其中在K介子的衰變過程中，人們發現有兩種質量、壽命和電荷都相同的粒子：θ介子和τ介子，它們唯一的區別是衰變後產物不同：一個衰變為兩個π介子，另一個衰變為三個π介子。其中π介子具有負的宇稱，從而衰變為兩個π介子意味著這種粒子具有正的宇稱，而衰變為三個則意味著有負的宇稱。如果宇稱守恆定律成立，則表明這兩種粒子雖然其他性質都相同卻不是同一種粒子，果真如此為何θ介子和τ介子的性質如此相同？這一難題當時被稱作θ-τ之謎。

1956年，當時在美國的物理學者李政道和楊振寧發表了著名論文《弱相互作用中的宇稱守恆質疑》，在這篇文章中他們認為，θ-τ之謎所帶來的宇稱不守恆問題不是一個孤立事件，宇稱不守恆很可能就是一個普遍性的基礎科學原理。

在電磁相互作用及強相互作用中，宇稱確實守恆，因此在那時期的科學家猜想在弱相互作用中宇稱也守恆，但這一點尚未得到實驗驗證。李楊二人的理論研究結果顯示出，在弱相互作用中，宇稱並不守恆。他們提出了一個在實驗室中驗證宇稱守恆性的實驗方案。

李政道隨即請求吳健雄對於這一點進行實驗驗證。吳健雄選擇了具有放射性的鈷-60樣品進行該實驗，成功證實了宇稱在弱相互作用中確實不守恆。Θ+和τ+後來被證明是同一種粒子，也就是K介子，K+。

吳健雄女士

宇稱不守恆是粒子物理學領域一項重要發現，其對於標準模型的建立非常重要。為了表彰李楊二人做出的理論貢獻，他們於1957年被授以諾貝爾物理學獎。

左圖為：史蒂文·溫伯格

按美國物理學家史蒂文·溫伯格的說法，在五六十年代粒子物理學產生了三個「出色的想法」：蓋爾曼的夸克模型、1954年楊振寧和羅伯特·米爾斯將規範對稱性推廣至非阿貝爾群（楊-米爾斯理論）來解釋強相互作用和弱相互作用、自發對稱性破缺（希格斯機制）。

二十世紀六十年代，人們對這些發展之間的聯繫有了更深刻的理解，謝爾登·格拉肖開始了將電磁理論和弱相互作用理論統一起來的嘗試。1967年，溫伯格和巴基斯坦物理學家阿卜杜勒·薩拉姆試圖在楊-米爾斯理論的基礎上將規範場論應用到強相互作用，但仍然遇到了楊-米爾斯理論無法解釋粒子的靜止質量在規範理論中為零及不可重整化等問題。

後來溫伯格在反思中發現可以將規範場論應用到格拉肖的電弱理論中，因為在那裡可以引入自發對稱性破缺的希格斯機制，希格斯機制能夠為所有的基本粒子賦予非零靜止質量。結果證明這一理論非常之成功，它不僅能夠給出規範玻色子的質量，還能給出電子及其他輕子的質量。特別地，電弱理論還預言了一種可觀測的實標量粒子——希格斯玻色子。而希格斯玻色子現在已經觀測到了！

溫伯格和薩拉姆都認為這個理論應當是可重整化的，但他們沒有證明這一點。1973年歐洲核子研究組織（CERN）發現了中性流，後來斯坦福直線加速中心於1978年在電子-核子散射中觀測到了中性流的宇稱破缺，至此電弱理論被物理學界完全接受了。

電弱理論的成功重新喚起了人們對規範場論的研究興趣，1973年，美國物理學家戴維·格婁斯和他的學生弗朗克·韋爾切克，以及美國物理學家休·波利策發現了非阿貝爾規範場中的漸近自由性質。而他們也給出了對於觀察不到靜止質量為零的膠子的解釋：膠子如同夸克一樣，由於色荷的存在而受到色禁閉的約束從而無法獨立存在。

在統合了電弱理論和量子色動力學的基礎上，粒子物理學建立了一個能夠描述除引力以外的三種基本相互作用及所有基本粒子（夸克、輕子、規範玻色子、希格斯玻色子）的規範理論——標準模型，二十世紀中葉以來高能物理的所有實驗成果都符合標準模型的預言。

然而，標準模型不但無法將引力，以及近年來提出的暗物質與暗能量包含在內，它也沒有解釋中微子振蕩中的非零質量問題。但2008年起在歐洲核子研究組織開始運行的大型強子對撞機的主要實驗目的之一，就是對希格斯玻色子的存在性進行驗證；2013年3月14日，歐洲核子研究組織發表新聞稿正式宣布探測到希格斯玻色子。這是標準模型的一大勝利。

至此整個「量子」物理學的標準模型建立，並取得一系列驗證。如果你堅持看到了這裡，一定會被那麼的人名，那麼多專有名詞搞糊塗，所以你就可以想像那些研究者也是這樣過來，而且他們的腦中非常的清晰，他們的問題是什麼？他要去的方向在哪裡？？

如果你以為量子物理學就再無發展，那就錯了。 很多量子學分支，依然取得很多的研究成果。凝聚體物理學就是其中之一。

凝聚體物理學成為了目前物理學最為活躍的領域之一。僅在美國，該領域的研究者就佔到該國物理學者整體的近三分之一，凝聚體物理學部也是美國物理學會最大的部門。

早期的凝聚態物理是基於經典或半經典理論的，例如在金屬電子論中服從玻爾茲曼統計的自由電子氣體模型，後來泡利在此基礎上引入了由費米和狄拉克各自獨立建立的費米-狄拉克統計使之成為一種半經典理論，建立了金屬電子的費米能級等概念；以及彼得·德拜改進了固體比熱容的愛因斯坦模型，建立了更符合實際情形的德拜模型。

1912年，勞厄、威廉·亨利·布拉格爵士和其子威廉·勞倫斯·布拉格爵士從晶體的X射線衍射提出了晶格理論，這成為了晶格結構分析的基礎，也標誌著近代固體物理學的開端。

二十世紀二十年代量子力學的誕生使凝聚態物理學具有了堅實的理論基礎，其立竿見影的成果是海森堡在1928年建立了鐵磁性的量子理論，不過對固體物理學界更有影響力的是同年他的學生、美籍瑞士裔物理學家費利克斯·布洛赫建立的能帶理論。

雖然布洛赫是海森堡的學生，他建立能帶理論的基礎卻是薛定諤方程。他從薛定諤方程的解得到啟發，推導出在周期勢場中運動電子的波函數是一個調幅平面波，調幅因子（布洛赫波包）具有和晶格勢場相同的周期性，這一定理後來被稱作布洛赫定理。

布洛赫的能帶理論解釋了很多以往固體物理學無法解釋的現象，如金屬電阻率、正霍爾係數等，後來在英國物理學家A.H.威爾遜、法國物理學家萊昂·布里淵等人的完善下，能帶理論還進一步解釋了金屬的導電性、提出了費米面的概念，它對二十世紀三十年代的凝聚態物理學影響非常深遠。第二次世界大戰後，能帶理論在實際應用中發揮了重要作用，貝爾實驗室的威廉·肖克利、約翰·巴丁等人於1947年12月23日製造出世界上第一隻晶體管。

凝聚態物理學發展的另一個活躍領域是低溫方向：1911年，荷蘭物理學家卡末林·昂內斯發現水銀在4.2K的低溫時電阻率消失為零，這被稱作超導電性。

對超導電性本質的解釋始終是物理學家難以解決的一個問題，即使是在布洛赫建立能帶理論之後。1933年，德國物理學家瓦爾特·邁斯納在實驗中發現超導體內部的磁場總保持為零，這被稱作邁斯納效應。

人們從中發現，超導體的這種完全抗磁性實際來自固體本身的一種熱力學態，這種熱力學態正是具有超導電性和完全抗磁性這兩種屬性。為了進一步解釋超導電性，人們曾提出過一系列唯象理論，如二流體模型（戈特、亨德里克·卡西米爾，1934年）、倫敦方程（屬於經典電動力學理論，倫敦兄弟，1935年）、金茲堡-朗道方程（金茲堡、朗道，1950年）。直到1956年，美國物理學家利昂·庫珀利用量子場論方法建立了庫珀對的概念，當電子能量低於費米能時，庫珀對由兩個動量和自旋都大小相等方向相反的電子結合而形成。

1957年，庫珀和巴丁、約翰·施里弗三人在此基礎上共同提出了超導的微觀理論，又稱作BCS理論，至此在微觀上解釋了超導電性。1962年，劍橋大學的布賴恩·約瑟夫森應用BCS理論計算出基於量子隧道效應的約瑟夫森效應。

卡爾·史瓦西

萬有理論

從伽利略的時代算起，物理學發展的四百多年歷史中已經經歷了幾次大的統一：牛頓統一了「天上的」和「地上的」力學，麥克斯韋統一了電磁理論，格拉肖等人統一了弱相互作用和電磁相互作用。而嘗試將弱電相互作用和強相互作用統一起來的理論統稱為大統一理論，大統一理論將統一標準模型中的四種規範玻色子和傳遞強相互作用的八種膠子規範玻色子。

當前被建議的大統一理論有很多，一般來說這些理論都做出了如下的關鍵性預言：磁單極子、宇宙弦、質子衰變等，時至今日還沒有上述的任何一種現象得到實驗的證實。如要通過實驗驗證大統一理論，粒子所需的能量要達到～1016GeV，這已經遠遠超過現有的任何粒子加速器所能達到的範圍。

摘自獨立學者量子力學科普書籍《見微知著》

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