超炫漫话：标准模型中的误解与挑战

有人说，“点粒子”理论遭遇的种种窘态都是点粒子的错！将点粒子替换成标准模型的理论就万事大吉了。非也！这是没有真正理解标准模型理论而造成的误解。其实，标准模型中同样将基本粒子看作“点”。现在就说说“标准模型”吧！

“标准”就是规范，就是榜样，即规定的范本。人，无论做什么，都要有规范。例如，走路要有规范，行人一律走右边；作息要有规范，白天工作，晚上睡觉；维修家用电器要有规范，先断开电路，再用万用表检查线路；盖一幢大楼，先设计图纸，再购置建筑材料，然后施工；要登陆火星，先进行理论论证，再确定实施方案，最后发射航天器。如果没有规范，就犹如在大沙漠中寻找绿洲，即使付出十倍的努力也难得一伤成效。

标准模型理论是关于粒子物理学的规范理论，属于量子场论。其主要内容是描述强力、弱力和电磁力的作用方式，以及研究组成所有物质的基本粒子。它与量子力学和狭义相对论兼容，但是与广义相对论矛盾。该理论统一描述了强相互作用的量子色动力学和电弱统一理论，既包含费米子，又包含玻色子，是超弦理论出现之前的最完美的物理理论。

费米子是遵守泡利不相容原理、自旋为半整数的粒子。泡利不相容原理告诉我们，一个量子态上只能有一个粒子，犹如一把椅子上只能坐一个人。量子态指量子所处的状态，具体是指量子数。例如，原子核外的电子具有四个量子数，分别是主量子数n、角量子数l、磁量子数m、自旋量子数sm，这四个量子数就具体表明某个电子的状态；如果每个电子的状态都确定了，整个原子的量子态就确定了。虽然电子是全同粒子，但是具有不同的量子态的电子，其能量不同。

费米子包括重子和轻子；重子又包括强子和介子，强子包括质子和中子，二者皆由三个夸克构成；而介子由两个夸克构成。轻子就是质量较轻的基本粒子，包括电子、中微子，共有12 种。所以，重子归根结底是由夸克组成的。存在六种味夸克：上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、顶夸克、底夸克；每一种味夸克又都由红、蓝、绿三种色；如此计算，便有18 种夸克；而每一种夸克都有反夸克，因此总计有36 种夸克。轻子何以有12 种呢？电子e，电子中微子eν ；τ 子，eτ 中微子；μ 子，eμ 中微子；6 种了，再考虑它们的反粒子，因此总计12种。所以，费米子总计48 种。

玻色子共有14 种：传播强相互作用的是胶子，有8 种；传播电磁相互作用的是光子，有1 种；传播弱相互作用的是W±、Z0粒子，有3种；传播引力相互作用的是引力子（尚未发现），有1 种。还有2012年发现的希格斯粒子，负责激发粒子的惯性质量。(www.xing528.com)

谈到希格斯粒子，还有一段佳话。Higgs 粒子是自旋为零的玻色子，该粒子是英国科学家Higgs 于1964年发表的一篇学术论文中预言的一种玻色子，它能吸引其他粒子进而产生惯性质量，是电子和夸克的质量之源。我读初中物理时，老师告诉我，空气、水、石块等都是物质，质量是物质的基本属性，测量质量用天平。50 多年已逝，不知道质量里面还有这么深的理论！2014年Higgs 终于走上诺贝尔奖的颁奖台，这时Higgs 已经80 多岁。

因此，我们的宇宙中共有62 种基本粒子。费米子的自旋皆为半整数，1/2，3/2，5/2，n/n，服从费米-狄拉克统计，是构成地球、太阳、星系的基本砖块。玻色子的自旋为正整数，质量为零，服从玻色-爱因斯坦统计，专司传递各种相互作用力。其中，8 种胶子负责传递夸克之间的强相互作用力，光子传递带电体之间的电磁相互作用力，W±、Z0粒子传递弱相互作用力，引力子尽管还没有发现，但是理论指出其自旋为2，质量为零，负责传递引力相互作用。

玻色子可以变换，按照一定规则变换的玻色子叫作规范玻色子。而按照一定规则变换的群叫作规范群。强相互作用的规范群记作SU（3）群，弱电作用的规范群记作群记作SU（2）XU（1）群，因此标准模型的规范群是SU（3）XSU（2）X U（1）。

标准模型理论并非尽善尽美，人类对未知世界的探索也许永无止境！物理学家发现，标准模型至少存在两个难以自圆其说的难题。其一是，该理论无法包容广义相对论。如今，除了当年的三大天文观测证据之外，引力波发现了，黑洞发现了，爱因斯坦的引力理论无可辩驳地摆在世人面前，一个充分自洽的物理理论怎么能够舍弃广义相对论而不顾呢？其二是，标准模型理论中有19 个未知参数必须由实验测定，而不能由理论本身给出。一个完美的理论应该给出理论值，然后通过实验来验证。还有，标准模型对宇宙膨胀的机制没有给出任何解释；既然物质与反物质是对称的，为什么我们看到的都是正物质呢？反物质在哪里呢？