现代物理学发现的粒子标准模型理论

原子曾被认为是不可分割的最小粒子，但当电子被发现以后，这种认知就归入了历史，研究原子结构甚至更微小粒子结构的粒子物理学登上历史舞台。

电子作为第一种基本粒子于1897年被汤姆生发现，质子于1918年被卢瑟福^[9]发现，而中子也于1932年被发现。

质子与电子是非常稳定的粒子，而中子在当时被看作质子与电子的结合体。在这三种最重要的粒子被发现以后，有那么一瞬间，人类自以为弄清了粒子世界的一切秘密。

然而，在1937年对宇宙射线的研究中，人们发现了μ子，1947年又发现兀±介子，1950年发现π0介子……20世纪50年代以来，粒子加速器和各种粒子探测器有了长足发展，从而进入用加速器研究并大量发现新粒子的新时期。各种粒子的反粒子被证实，这些粒子大都寿命非常短暂，但拥有各自的物理状态。

二十世纪五六十年代，通过实验人们观测到200多种新粒子。人们需要找到办法为其归类，这些探索导致了夸克模型的提出。这个假设模型的实验基础来自高能电子对质子和中子的深度非弹性散射实验，实验显示，质子和中子内部存在坚硬的点状结构，它们被认为是比质子更微小的粒子存在的证据。

研究者命名这种坚硬的点状结构为夸克粒子，认为正是这样的基础粒子组成了更复杂的粒子比如质子，进而形成原子与整个物质世界。美中不足的是，人们无法在质子与中子外部单独地观测到夸克^[10]，但这并不妨碍大家在夸克模型的思路下继续研究，最终形成对粒子结构的现代认知。

现代物理学的研究者将粒子的结构模型、波粒二象性扩展到物质之间的交互影响，再引入狭义相对论中的四维时空结构，就有了量子场论，再进一步考虑规范场等前沿理论后，则有了粒子的标准模型理论。

粒子的标准模型理论是一个雄心勃勃的架构，它试图连接相对论与量子力学，描述除引力以外的三种基本力^[11]及组成所有物质的基本粒子，并试图通过被称为希格斯机制的方式使基本粒子获得质量。当然，它更希望成为可以解释宇宙内一切物理现象的终极答案。

必须承认，相对论、量子论是现代物理学的两个核心体系，在一些应用里它们是可以结合的，否则就不会出现量子场论甚至粒子的标准模型理论，但在另一些问题上两者存在难以弥合的分歧：

·相对论属于决定论，而量子论信奉随机性；

·相对论认为时空是连续而平滑的，但量子论下的时空是不断起伏的；

·它们都承认宇宙中有四种力，但相对论只能解释引力，而量子论只能解释引力以外的三种力。

所以有人说，相对论和量子论最多只能有一个是对的。既然它们在各自的领域都绝对正确，我们只能因地制宜各取所需，在不同的领域，采用不同的物理认知。

随着时间的推移，量子场论与粒子标准模型的出现曾试图将两者打通，通过对物质本质的研究找到突破口，找到物质与时空的关系、粒子与场的关系、微观粒子的底层构造，以及它们之间的交互规则。

可以说，20世纪初“电磁以太”落幕以后，这些便是理论物理学研究的核心。然而，研究人员在这三个方向各自遇到了难以解决的问题。

比如相对论在天文物理领域屡屡碰壁，为了维持理论的完整不得不提出暗能量和暗物质的猜测，但这两种物质从未被直接观测到；量子论中有令人费解的量子随机现象，对于世界的本质，并没有哪种诠释能让所有人接受；而标准模型更是一个发展中的理论集合，夸克毕竟只是一种推测出来的粒子，而理论预测有时会与实验结果不尽相同；更不用提相对论与量子论之间的分歧一直悬而未决……

相比研究人员遇到的实际问题，这方面的科普同样非常困难。相对于容易理解的牛顿时代经典物理学，以上这些研究远离生活，肉眼无法观测，对数学也要求颇高，不但支离破碎而且反直觉。

有人告诫霍金，（科普书）每多一个公式，就会吓跑一半读者，但如果是这个领域的数学公式，它应该会吓跑全部。(www.xing528.com)

受困于以太的不可观测，在牛顿经典物理学基础上萌生出以相对论、量子论为主体的现代物理学。一个世纪以后，现代物理学虽然根深叶茂，但离能回答终极问题还有一段距离，而粒子的标准模型似乎是物理学中最接近真理的领域。

以上便是当下物理学的概况，后面的章节会涉及更多细节与延展。本书将引领大家触碰一些重要的物理概念，比如时空、粒子、引力，并试图从经典物理学与现代物理学两个角度，或者说从假设以太存在与假设以太不存在两个角度，对它们进行解释。本书不仅希望让读者了解这些有趣的内容，更希望能引起思考。

那些“终极”的物理问题，会有一个容易理解的答案吗？

也许，历史能给我们提供一些破局的思路。

【注释】

[1]迈克尔逊—莫雷实验（Michelson-Morley Experiment）：该实验由迈克尔逊于1881年初次进行，而后与莫雷合作，于1887年进行更精细的实验。

[2]早在1783年，恒星天文学之父威廉·赫歇尔（Friedrich Wilhelm Herschel）就已宣称太阳正朝着武仙座的方向移动。

[3]这是斐索的测量值，与现代科学界的测量值299792458米每秒相当接近。

[4]爱尔兰物理学家菲茨杰拉德在1889年也提出了类似的观点。

[5]“场”这个概念是由自学成才的英国物理学家法拉第提出的，他是以太论的反对者，并不相信以太存在。

[6]认为时间与空间是一个整体，而相对速度可以影响对它的观测结果。

[7]认为时间和空间是两个独立的概念，彼此之间没有联系，分别具有绝对性。

[8]英国自然科学家，近代化学之父约翰·道尔顿在1803年提出原子模型，认为原子是微小的实心球体，不可再分，同种元素原子的各种性质和质量都相同。

[9]卢瑟福：英国物理学家，原子核物理学之父。他否认了汤姆生的原子核枣糕模型，提出行星模型，认为原子的大部分内部空间是空的，由电子按照一定轨道围绕着一个带正电荷的很小的原子核运转。

[10]人们猜测夸克无法单独存在，是出于一种叫做夸克禁闭的特性。

[11]强作用力、弱作用力、电磁力和引力是公认的四种基本力，前三者都可以用标准模型加以描述。