是什麼構成了我們的世界？——粒子物理標準模型簡介

這是3P1M專區的第一篇正式文章，是物理學領域的。如果有不了解3P1M專區的新的讀者，可以點擊下方圖片，查看專區簡介。

這是我第一次寫較為學術的物理學科普，相關領域是粒子物理學/高能物理學/近代物理學。具體的分支叫做粒子物理標準模型，是量子力學和統計力學等物理學分支的物理學基礎模型。我盡量用通俗的語言來代入到物理學的「元素周期表」。下面就開始正式的文章。

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最簡單的問題往往是最難回答的

比如：事物是什麼？

萬物是如何運行的？

我們的世界是由什麼構成的？

這些都是物理學家和哲學家一直在思考的

在許多有關物理學的文章中

都會見到一些從未見過的粒子名稱

比如費米子、玻色子

或者是中微子、膠子

它們到底是什麼，是怎樣運行的？

而這些，在現代物理學來看

都可以用「粒子物理標準模型」來解釋

粒子物理標準模型的英文

我們從一個物理學的基礎概念說起：

場

讓我們空間中的把一切物質、反物質、能量等

全部都拿走，什麼都沒有

這，就是真空

真空如同一片徹底平靜的海洋

而這種海洋，就是場。

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真空如同一片平靜的海洋

場是物質，而場產生粒子

每種粒子也有其對應的場

這種思想就是量子場論概念的簡化版

用學術用語來說：

「粒子物理標準模型是微觀現象的物理學基本理論，而量子場論就是粒子物理標準模型的數學基礎。」

人類目前一共發現了17種味基本粒子。

（味：指粒子種類）

按照粒子在高密度或低溫度時集體行為的不同分成兩大類：

來自物質場的費米子，

與來自力場的玻色子。

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物質場與力場的「海洋」和其中的粒子

但這些還遠遠不夠，為了進一步說明基本粒子分類的依據，我們需要引入兩個重要的量子力學概念：

?量子屬性/量子數

指所有粒子都具有的標定各自基本特性的四種量子屬性：

①質量mass：由質能方程推導單位變為電子伏特每光速平方。單位符號：eV/c^2（換算：1 eV/c^2 = 1.783×10^-36 kg）

③磁矩magnetic moment：在量子力學中具體指內稟磁矩，與粒子自旋相關。普遍公式為粒子磁矩g乘粒子自旋s等於1（g=1/s），其中自旋為零的粒子磁矩也為零。

④自旋spin：指粒子所具有的內稟性質，其運算規則類似於經典力學的角動量（可以理解為半徑與動量的乘積），但是自旋是量子化的，自旋數只能是1/2的整數倍，且沒有負數自旋，自旋可為。

?泡利不相容原理

在費米子組成的系統中，不能有兩個或兩個以上的粒子處於完全相同的量子態（即由一套量子數所確定的微觀狀態）。

人類目前發現的17種味基本粒子表英文版

「基本粒子」一詞的英語是Elementary-Particle，詞根是Element，意為元素。也因此，「基本粒子」就是人類所能發現的最小的構成我們世界的元素。粒子物理標準模型就是微觀物理學的「元素周期表」。

現在就可以來具體說說費米子和玻色子的屬性與分類了。

費米子Fermions

可以理解為是來自物質場的粒子。費米子自旋為半奇數（1/2，3/2...）且遵循泡利不相容原理，依隨費米-狄拉克統計。費米子在一組由全同粒子組成的體系中的一個量子態上只容許容納一個粒子，因此沒有任何兩個費米子是完全相同的。根據粒子是否受強相互作用將費米子進一步分類成夸克和輕子，共有12種味已知基本粒子屬於費米子。

夸克Quarks

上夸克up quark；下夸克down quark

奇夸克strangequark；粲夸克charm quark

底夸克bottomquark；頂夸克top quark

夸克共有6種味基本粒子與6種味對應基本粒子的反粒子。所有夸克自旋均為1/2。夸克是唯一一種參與強相互作用的物質粒子，屬於強子的一種。夸克被強力相連，三個夸克組成與輕子對應的重子。質子和中子就是經典的重子，它們進一步組成原子核。一個夸克和一個反夸克還可以組成介子，由於介子的量子屬性，介子也是一種玻色子（並非基本玻色子）。

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夸克三三形成質子和中子

輕子Leptons

電子electron；電子中微子e-neutrino

μ子muon；μ子中微子muon neutrino

τ子tau；τ子中微子tau neutrino

輕子與夸克一樣，共有6種味基本粒子與6種味對應基本粒子的反粒子。所有輕子自旋均為1/2。輕子只參與弱相互作用，電磁相互作用和引力相互作用。電子、μ子和τ子均帶負電荷，與其各自對應的反粒子則帶正電荷；而3種味中微子以及相對應的3種味反中微子均為電中性。因為不帶電，中微子不參與電磁相互作用。輕子與重子進一步組成了原子分子乃至所有的常見物質元素。

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電子和原子核組成原子

玻色子Bosons

可以理解為是來自力場的粒子。玻色子自旋為整數（0h，1h...）且不遵循泡利不相容原理，依隨玻色-愛因斯坦統計，在低溫時可以發生玻色-愛因斯坦凝聚。其中自旋為1h的被稱為矢量玻色子，自旋為0h的被稱為標量玻色子。玻色子的能量狀態只能取不連續的量子態，但允許多個玻色子佔有同一種狀態，即可以存在完全相同的兩個玻色子。共有5種味已知基本粒子屬於玻色子。

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宇宙法則：四種基本相互作用

其中傳遞相互作用的玻色子被稱為規範玻色子，包括膠子、光子、W玻色子和Z玻色子；而四種基本相互作用（簡稱為引力、電磁力、強力和弱力）就是組成事物的宇宙法則。如同積木一般，力場粒子連接物質場粒子，費米子之間交換規範玻色子產生力的效果，進而組成一切事物。

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基本粒子如同積木一般，玻色子將費米子相連

膠子gluon &光子photon

膠子和光子具有很多相同的量子屬性。膠子和光子的質量均為，電荷均為，自旋均為1。

膠子是強相互作用的媒介粒子，傳遞強力，共有8種。膠子具有非零色荷，在夸克之間傳遞強相互作用；膠子之間也有強相互作用，膠子本身可放出或吸收膠子。由於色禁閉，膠子還未被直接觀測到。膠子是量子色動力學的主要研究對象。

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夸克之間交換膠子產生強力形成質子和中子

光子是電磁相互作用的媒介粒子，傳遞電磁力，只有1種。光子是電磁輻射的載體，在原子內部原子核與電子交換光子產生電磁力，使得原子分子存在。光子實際上具有動質量，其靜止質量絕對為零，但光子不可能靜止。光子是量子電動力學的主要研究對象。

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質子與電子交換光子產生電磁力形成氫原子

W玻色子W boson & Z玻色子Z boson

W玻色子與Z玻色子均是弱相互作用的媒介粒子，傳遞弱力，共有3種，自旋均為1。其中W玻色子兩種，分別帶正負電荷且互為反粒子，其命名來源於「Weak」；Z玻色子一種，為電中性且為自身的反粒子，其命名來源於「Zero」。W&Z玻色子的質量是質子的80-90倍，因此它們也被稱為重矢量玻色子。玻色子的質量直接限制了其對應力場的相互作用範圍，使得弱力相用範圍較短。

希格斯玻色子Higgs boson

希格斯玻色子是一種非規範玻色子，其相互作用而賦予物質質量；希格斯玻色子本身具有質量，電荷為，自旋為。其核心理論希格斯機制最早在1964年由英國物理學家彼得·希格斯提出，而後在2013年3月14日，歐洲核子研究組織CERN公開確認探測到希格斯玻色子。

歐洲核子研究組織用計算機繪製出的希格斯玻色子產生的瞬間

在希格斯機制中，希格斯場引起自發對稱性破缺，並將質量予規範玻色子和費米子。希格斯粒子是希格斯場的場量子化激發，它通過自相互作用而獲得質量。換句話說，其它粒子在希格斯玻色子構成的海洋（希格斯場）中游弋，受其作用而產生慣性，最終才獲得質量。

粒子在希格斯場中游弋產生慣性獲得質量

現在最好的物理學模型表示宇宙在大爆炸膨脹之後很快就會坍縮，膨脹持續不超過1秒。而宇宙之所以沒有坍縮，部分原因在於膨脹過程中產生了希格斯玻色子。從某種意義上說，因為有了希格斯玻色子才會有可觀宇宙和物理學定律存在，其存在是我們以及我們所觀世界存在的關鍵，因此希格斯玻色子被稱為「上帝粒子」也不算太過分。

引力子graviton（尚未被發現）

引力子是引力相互作用的媒介粒子，傳遞引力，理論定義其質量為，電荷為，自旋為2，種類未知。引力子是仍未被發現、證實或被觀測到的理論玻色子，也被稱為虛引力子。從量子引力理論來看，引力子必定存在，否則宇宙將不會是人們看到的這個樣子。

這些就是人類目前發現的所有基本粒子

據人類現有的知識來看

這些粒子構成了我們宇宙的物質與法則

儘管如此

仍有眾多理論謎題仍未得到解答

對於探索世界真理的科學家們

前路依舊迷霧重重

而希望與知識將會成為照亮前路的燈塔

借用艾薩克·牛頓的一句話：

"The great ocean of truthlay before me...all undiscovered."

「對於浩瀚的真理之海，我仍一無所知。」

End

素材來源：

Videos from Kurzgesagt on YouTube: What is Something? & False Vacuum

Standard Model-Wikipedia

CMS Experiment at the LHC, CERN

本文的一部分靈感和大部分配圖都來源YouTube上優秀的視頻製作者Kurzgesagt的視頻，想要訪問原視頻，可複製以下鏈接：

https://www.youtube.com/watch?v=X9otDixAtFw

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