粒子物理标准模型(粒子物理的标准模型包含哪些基本粒子)

导语：寻找万物的本源：粒子物理学标准模型到底是干嘛的？

力

如果你要问物理学是做什么的？可能有人会这么回答你，

物理学是一门研究物质和作用于物质之间的力，以此来理解自然现象的学科。

如果你是个喜欢问“为什么”的人，那很有可能接下来就会问“力是什么？”

其实这在经典物理学是一个很终极的问题，最早给出关于“力”的定义的是牛顿。

他在《自然哲学的数学原理》当中，做了大量的定义，第一个是定义了质量，而第二个定义的就是“力”。他认为：

力是改变物体运动状态的原因。

如果没有力的作用，物体原来啥样，之后还啥样。如果有力的作用，物体的运动状态就有可能会发生改变。

这其实看起来并没有什么问题，但随着时代的发展战，科学的进步。科学家逐渐发现，这样的定义并不完整。我们来举个例子，比如：铯-137在弱力的作用下，发生衰变，原子核内一个中子转变为一个质子，并且释放出β射线。

在这个过程中，力哪只是改变了粒子的运动状态，直接把粒子的种类都给改了。也就是说，科学家发现了之前关于“力”是有局限性，尤其用在微观世界当中。

场

所以，科学家就在思考，

力到底是如何在物质之间发挥作用的呢？

其实，他们当时就有了一个很好的备选答案：场。

我们也领教过这个东西，如果我们拿一些铁屑撒在磁铁附近，然后就会出现下面这样的场景：

这种现象你一定很熟悉，我们亲切地叫它：磁场。它不见，也摸不着，但我们能确认它是存在的。磁铁说白了就是通过磁场来传递磁力。其实，电学也是这样的，电学中的那些现象说白了都是通过电场来实现的。

麦克斯韦还提出过麦克斯韦方程，统一了“电”和“磁”，他发现这两样东西其实是一回事，并预言了电磁波。

而在电磁学中就和牛顿的理论有很大的不同，在套理论，“力”和“场”是有关系的，说白了就是电磁场在传播电磁力。

那到底是什么是“场”呢？其实，我们也很难说得清楚，但我们知道一点，那就是电磁场的等势面很像地理里的等高线，在不同的等势面上，作用的效果是不同的。

所以，“场”被定义为：

特殊数值的各处的集合。

这里的特殊数值的各处其实就是一层层的等势面，也就是说“场”的定义就是等势面的集合。

粒子物理标准模型

对于现代物理而言，“场”这个概念实用性更广，更能解释各种物理现象。在上个世纪，科学家通过轰击微观粒子的方法，找到了100多种粒子。

当时摆在他们面前的是四大作用，也就是引力，电磁相互作用，强相互作用，弱相互作用。那它们和粒子有什么关系呢？是不是跟“场”也存在什么关系呢？

这要从“光的波粒二象性”说起，在上个世纪初，科学家发现光子具有波的特点，也具有粒子的特点。这两个特质本来是相互矛盾的，结果没想到在同一个东西上体现了出来。而光的波粒二象性的大战，其实从牛顿时期就开打了，到了二十世纪初已经是第三场巅峰对决了。

在这第三场巅峰对决中，普朗克提出了“量子”的概念。他假设了光的能量中存在最小的单位（量子），也就是说能量不是连续的，能量的变化是离散的，这也就体现出了光具有粒子性的特点。

后来，爱因斯坦就是利用普朗克的理论解决了光电效应。但我们也知道，作为波，光是具备有波长的，每粒光子的能量完全取决于光的波长，波长越长，光子的能量也就越小。进一步，我们可以推出，光子数量特别多的时候，光是可以表现出具有连续性的波的特点，反之，光子的数量很少时，则表现出离散的粒子的特性。

我们也知道光其实是一种电磁波。于是，科学家就提出，

电磁场发生变化时产生的电磁波，说白了就是光子在传播。

也就是说，传递电磁作用（力）的其实是光子的往来运动。

所以，电磁场的变化说白了就是大量光子聚集在一起引发的现象。从这个思路出发，科学家结合了量子力学和狭义相对论，提出了量子场论，并构建了粒子物理标准模型。

在这套理论中，他们粒子分为了两种，一种叫做费米子，比如：夸克，电子。还有一种叫做玻色子，比如：光子，胶子。那它们的区别是什么呢？

费米子，我们可以理解成构成物质的粒子。

玻色子，我们可以理解成影响场变化的粒子。

也就是说，如果我们有一把神砍刀，然后把一样东西无限砍下去，最后得到的其实是一坨费米子。然后这个时候你想把它们再粘起来，那你就要用玻色子来帮忙了。

因此，其实强相互作用，弱相互作用的传递也是依靠玻色子。

强相互作用是用来把夸克束缚在一起的作用，传递强相互作用的是胶子。但其实存在一种介子，它们是用来把质子和中子束缚在原子核内的，这种力也叫做核力，也是强力的一种。所以，我们也可以认为强相互作用保证了能够构成原子核。

弱相互作用和衰变有关，也就是原子核内的粒子的变化。由于它的存在，才使得电子和质子不会发生反应变成中子。

而中子变成质子和电子需要弱相互作用的。传递弱力的是W玻色子和Z玻色子。我们可以认为，弱相互作用是保证了电子不会进入到原子核的原因。

至于电磁力，传播电磁力就是光子，它也是一种玻色子。由于电磁力的存在，使得原子得以保全，这是因为原子核和电子就是依靠电磁力来维持的，而两个原子不会合并到一起，其实也是依靠电磁力来实现的。所以，我们也可以认为，电磁力保证了原子的存在。

所以，实际上传播强相互作用，弱相互作用，电磁相互作用的玻色子就像粘合剂一样，构造出了整个微观世界。

至于引力，很遗憾，科学家现在还没有办法把引力纳入到粒子物理标准模型的体系中。主要有两个原因。第一，广义相对论对于引力的解释力实在太强，太精准了。第二，科学家并没有找到传递引力的“引力子”。

也就是说，粒子物理标准模型实际上是统一了四大作用中的三个作用，分别是强相互作用，弱相互作用，电磁相互作用，而利用的就是“场”和“粒子”来实现的。

那强相互作用，弱相互作用，电磁相互作用具体是如何通过玻色子来实现传递呢？

我们之后再详细介绍。

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