尋找萬物的本源6：粒子物理學標準模型到底是幹嘛的？

如果你要問物理學是做什麼的？可能有人會這麼回答你，

物理學是一門研究物質和作用於物質之間的力，以此來理解自然現象的學科。

如果你是個喜歡問「為什麼」的人，那很有可能接下來就會問「力是什麼？」

其實這在經典物理學是一個很終極的問題，最早給出關於「力」的定義的是牛頓。

他在《自然哲學的數學原理》當中，做了大量的定義，第一個是定義了質量，而第二個定義的就是「力」。他認為：

力是改變物體運動狀態的原因。

如果沒有力的作用，物體原來啥樣，之後還啥樣。如果有力的作用，物體的運動狀態就有可能會發生改變。

這其實看起來並沒有什麼問題，但隨著時代的發展，科學的進步。科學家逐漸發現，這樣的定義並不完整。我們來舉個例子，比如：銫-137在弱力的作用下，發生衰變，原子核內一個中子轉變為一個質子，並且釋放出β射線。

在這個過程中，力只是改變了粒子的運動狀態，直接把粒子的種類都給改了。也就是說，科學家發現了之前關於「力」有局限性，尤其用在微觀世界當中。

場

所以，科學家就在思考，

力到底是如何在物質之間發揮作用的呢？

其實，他們當時就有了一個很好的備選答案：場。

我們也領教過這個東西，如果我們拿一些鐵屑撒在磁鐵附近，然後就會出現下面這樣的場景：

這種現象你一定很熟悉，我們親切地叫它：磁場。它不見，也摸不著，但我們能確認它是存在的。磁鐵說白了就是通過磁場來傳遞磁力。其實，電學也是這樣的，電學中的那些現象說白了都是通過電場來實現的。

麥克斯韋還提出過麥克斯韋方程，統一了「電」和「磁」，他發現這兩樣東西其實是一回事，並預言了電磁波。

而在電磁學中就和牛頓的理論有很大的不同，在套理論，「力」和「場」是有關係的，說白了就是電磁場在傳播電磁力。

那到底是什麼是「場」呢？其實，我們也很難說得清楚，但我們知道一點，那就是電磁場的等勢面很像地理里的等高線，在不同的等勢面上，作用的效果是不同的。

所以，「場」被定義為：

特殊數值的各處的集合。

這裡的特殊數值的各處其實就是一層層的等勢面，也就是說「場」的定義就是等勢面的集合。

粒子物理標準模型

對於現代物理而言，「場」這個概念實用性更廣，更能解釋各種物理現象。在上個世紀，科學家通過轟擊微觀粒子的方法，找到了100多種粒子。

當時擺在他們面前的是四大作用，也就是引力，電磁相互作用，強相互作用，弱相互作用。那它們和粒子有什麼關係呢？是不是跟「場」存在什麼關係呢？

這要從「光的波粒二象性」說起，在上個世紀初，科學家發現光子具有波的特點，也具有粒子的特點。這兩個特質本來是相互矛盾的，結果沒想到在同一個東西上體現了出來。而光的波粒二象性的大戰，其實從牛頓時期就開打了，到了二十世紀初已經是第三場巔峰對決了。

在這第三場巔峰對決中，普朗克提出了「量子」的概念。他假設了光的能量中存在最小的單位（量子），也就是說能量不是連續的，能量的變化是離散的，這也就體現出了光具有粒子性的特點。

後來，愛因斯坦就是利用普朗克的理論解決了光電效應。但我們也知道，作為波，光是具備有波長的，每粒光子的能量完全取決於光的波長，波長越長，光子的能量也就越小。進一步，我們可以推出，光子數量特別多的時候，光是可以表現出具有連續性的波的特點，反之，光子的數量很少時，則表現出離散的粒子的特性。

我們也知道光其實是一種電磁波。於是，科學家就提出，

電磁場發生變化時產生的電磁波，說白了就是光子在傳播。

也就是說，傳遞電磁作用（力）的其實是光子的往來運動。

所以，電磁場的變化說白了就是大量光子聚集在一起引發的現象。從這個思路出發，科學家結合了量子力學和狹義相對論，提出了量子場論，並構建了粒子物理標準模型。

在這套理論中，他們粒子分為了兩種，一種叫做費米子，比如：夸克，電子。還有一種叫做玻色子，比如：光子，膠子。那它們的區別是什麼呢？

費米子，我們可以理解成構成物質的粒子。

玻色子，我們可以理解成影響場變化的粒子。

也就是說，如果我們有一把神砍刀，然後把一樣東西無限砍下去，最後得到的其實是一坨費米子。然後這個時候你想把它們再粘起來，那你就要用玻色子來幫忙了。

因此，其實強相互作用，弱相互作用的傳遞也是依靠玻色子。

強相互作用是用來把夸克束縛在一起的作用，傳遞強相互作用的是膠子。但其實存在一種介子，它們是用來把質子和中子束縛在原子核內的，這種力也叫做核力，也是強力的一種。所以，我們也可以認為強相互作用保證了能夠構成原子核。

弱相互作用和衰變有關，也就是原子核內的粒子的變化。由於它的存在，才使得電子和質子不會發生反應變成中子。

而中子變成質子和電子需要弱相互作用的。傳遞弱力的是W玻色子和Z玻色子。我們可以認為，弱相互作用是保證了電子不會進入到原子核的原因。

至於電磁力，傳播電磁力就是光子，它也是一種玻色子。由於電磁力的存在，使得原子得以保全，這是因為原子核和電子就是依靠電磁力來維持的，而兩個原子不會合併到一起，其實也是依靠電磁力來實現的。所以，我們也可以認為，電磁力保證了原子的存在。

所以，實際上傳播強相互作用，弱相互作用，電磁相互作用的玻色子就像粘合劑一樣，構造出了整個微觀世界。

至於引力，很遺憾，科學家現在還沒有辦法把引力納入到粒子物理標準模型的體系中。主要有兩個原因。第一，廣義相對論對於引力的解釋力實在太強，太精準了。第二，科學家並沒有找到傳遞引力的「引力子」。

也就是說，粒子物理標準模型實際上是統一了四大作用中的三個作用，分別是強相互作用，弱相互作用，電磁相互作用，而利用的就是「場」和「粒子」來實現的。

那強相互作用，弱相互作用，電磁相互作用具體是如何通過玻色子來實現傳遞呢？

我們之後再詳細介紹。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！