第一性原理：第15章 標準模型

第一性原理：21堂科學通識課

作者：[英]馬庫斯·喬恩

第15章　標準模型

世界的紛繁複雜都來自三種基本作用力結合在一起的，區區三種基本構件的排列組合。

當然，我想寫的是紅矮星和白矮星的故事，它們的記憶之鏡，它們的宇宙火箭（以反引力驅動），它們的乘務員強子、膠子、π介子、輕子和μ子，以及粲誇克和有色誇克。但我們不可能都是物理學家。

                    ——多麗絲·萊辛

標準模型是一種關於世界基本構件以及它們如何相互結合的理論。它描述了萬物——從星系、恆星到人——是如何由12種物質粒子組成的，它們通過三種非引力作用力產生相互作用，然後由一種稱為希格斯玻色子的特殊粒子將其在整體上綁定在一起。儘管“標準模型”這個名字聽上去平平無奇，但它是400年來物理學的巔峰，也是史上最成功的科學理論之一。以色列裔美國物理學家內森·塞伯格(Nathan Seiberg)說：“它為我們提供了高達10位小數的精度，這是之前在科學上從未取得過的成就。”

標準模型中的基本粒子分為兩種：費米子（物質的構件）和玻色子（物質之間作用力的介質）。以電子為代表的費米子的一個重要特性是它們必須遵守泡利不相容原理，即不允許兩個相同的費米子在空間中處於同一位置。美國物理學家理查德·費曼說：“事實上，電子不能彼此堆積在一起以維持桌子和其他所有東西的固體形狀。”與“社恐”的費米子不同，以光子為代表的玻色子都是“社牛”，它們不受泡利不相容原理的制約，可以無限地彼此堆積在一起，無數光子可以在一束激光中一起流動。

我們先講講物質粒子——費米子。不可思議的是，我們和世界萬物都是由區區三種費米子構成的：電子、上誇克和下誇克。誇克以三個為一組構成質子和中子，其中質子由兩個上誇克和一個下誇克構成，而中子由兩個下誇克和一個上誇克構成。[插圖]質子和中子進一步構成原子核，再加上電子就構成了原子。自然界中天然存在的原子共有92種：從最輕的氫，到最重的鈾。

儘管宇宙中的物質都可以解釋為電子、上誇克和下誇克的無盡排列組合，但實際上還存在第四種物質粒子，它的性質與其他三種物質粒子大相徑庭。中微子的質量只有電子的一百萬分之一，而且它也極度“社恐”，幾乎不會與物質產生任何相互作用。中微子是恆星發光核反應的副產物（參見第4章），在宇宙大爆炸的最初時刻也產生了大量的中微子。宇宙中充斥著這種幽靈般的粒子，事實上，中微子是宇宙中僅次於光子的數量第二多的亞原子粒子（參見第20章）。

於是，四種物質粒子構成了世界萬物。如果事情到此為止的話那就太簡單了，但事實並非如此。出於未知原因，大自然決定將這四種基本構件複製三份，於是便額外多出兩“代”物質粒子，它們之間的區別主要在於質量大小。因此，電子、上誇克、下誇克和中微子都屬於第一代物質粒子，除此之外，還有第二代物質粒子：μ子、奇誇克、粲誇克和μ中微子，以及第三代物質粒子：τ子、頂誇克、底誇克和τ中微子（見圖15-1）。μ子具有和電子相同的性質，但其質量是電子的207倍，而τ子的質量是電子的3000倍。所有的非誇克物質粒子統稱輕子。

三生萬物：通常的物質是由僅僅三種粒子的排列組合構成的：上誇克、下誇克和電子（再加上電中微子）。但出於某些神秘的原因，大自然將其基本構件複製了三份。

為什麼會有三代物質粒子呢？物理學家們對此感到十分不解。美國物理學家伊西多·艾薩克·拉比(Isidor Isaac Rabi)在1936年發現μ子時說：“這是誰定的？”更重版本的粒子是不穩定的，它們很快就會衰變為常見的第一代粒子。由於它們太重，需要很大的能量才能產生，因此如今我們只能在粒子加速器以及高能宇宙射線中見到它們。不過，它們也會在宇宙大爆炸的高能條件下產生，因此我們有理由相信它們在如今的宇宙形成的過程中扮演了重要的角色。

講完了構成我們的基本物質粒子，下面來講講將它們結合起來的基本作用力。非引力作用力分為三種：電磁力、強力和弱力，每種力都有一種對應的粒子，即承載作用力的玻色子。想象一下有兩名網球運動員在來回擊打網球，力通過網球撞擊球拍的方式在兩名運動員之間傳遞，而載力粒子也是以這種方式在物質粒子之間傳遞作用力的。[插圖]

電磁力是最常見的基本作用力。它不僅將物質中的原子綁在一起，還建立了我們這個緊密連接的電力世界（參見第2章）。電磁力會作用於所有帶電荷的物體，所以它會作用於電子類的粒子和誇克，但不會作用於呈電中性的中微子。對於一個靜止不動的電子來說，其電磁場會向各個方向傳播，但如果湊近了看，會發現它是由電磁場的粒子——光子構成的。

第二種基本作用力是強力。它體現了輕子和誇克的主要區別，因為強力只作用於誇克而不作用於輕子，所以它會作用於由誇克構成的質子和中子。強力負責維持原子核的結構，也是核裂變和原子彈爆炸所釋放的能量的來源。正如光子對應著電磁力，也有一個粒子對應著強力，它就是膠子（實際上，膠子不是只有一種類型，而是有八種類型）。此外，正如電子是電磁場的發生源，誇克則是膠子場的發生源。但這裡有一個主要且顯著的不同點。電子所產生的電磁場是輻射狀傳播的，其強度會隨傳播距離而衰減，但誇克會產生一條細長的“通量管”，就像一根絲線一樣，它只能連接到另一種不同類型的誇克，因此強力不會隨距離衰減，而且其強度很高。

因為誇克是由通量管相連的，所以它們無法被分開，我們也不可能見到一個單獨的誇克。[插圖]誇克總是在質子、中子這樣的復合粒子內部以相互結合的方式存在。

第三種基本作用力是弱力。和強力一樣，它也只作用在亞原子尺度。弱力是唯一一種作用於所有粒子的力（實際上，弱力是唯一能作用於中微子的非引力作用力）。不過，弱力並不能讓粒子相互結合，而是會產生一種特別的卻很顯著的作用：它能改變誇克的身份。例如，在放射性β衰變過程中，原子核中的一個中子會變成一個質子，此時弱力會將中子的一個下誇克變成上誇克。

弱力負責參與太陽產生熱量的核聚變反應以及地球內部的放射性衰變，這一過程可以維持地球內部溫度，從而讓生命的誕生成為可能（參見第4章）。同時，它也是較重的第二、三代物質粒子會快速衰變為構成常見物質的穩定費米子的原因。

正如電磁力對應著光子，強力對應著膠子，弱力也對應著一種載力玻色子，實際上應該是三種：W-、Z0和W+玻色子。

標準模型的最後一塊拼圖是希格斯玻色子，它負責維繫所有這一切（參見第18章）。它之所以如此重要，是因為它修正了標準模型中一個引發問題的屬性：所有的物質粒子都沒有質量！希格斯玻色子為所有費米子賦予了質量。實際上，完成這一任務的並不是希格斯玻色子，而是希格斯場。我們可以將希格斯場想象成充滿整個空間的黏稠糖漿，它會阻礙費米子的運動，從而使之產生對運動的阻抗，我們將這一阻抗稱為慣性或者質量。這一類比並不完美，因為費米子在相對於希格斯場靜止時依然具有質量。

我們每天都生活在希格斯場中，卻從未察覺到它的存在，這看上去有些難以置信。不過，如果向希格斯場中的一個位置注入足夠的能量，就會在場中激起漣漪，這就是希格斯玻色子。研究瑞士日內瓦附近的大型強子對撞機(LHC)的物理學家於2012年7月4日宣佈發現了希格斯玻色子。2013年，彼得·希格斯(Peter Higgs)被授予諾貝爾物理學獎，以表彰其在1964年就預言了希格斯玻色子的存在。

於是，我們便得到了完整的標準模型。它包含12種物質粒子，即費米子，以及12種載力粒子，即玻色子，再加上希格斯玻色子，它是唯一不傳遞力的玻色子，但它顯然扮演著更加與眾不同的角色。

實際上，希格斯玻色子是希格斯場的漣漪，就像麥田中的麥浪一樣，這一點也揭開了標準模型中所有基本粒子的真相：它們都是在充滿空間的量子場中蕩漾的漣漪（參見第7章）。電磁場的漣漪是光子，電子場的漣漪是電子，以此類推。歸根結底，一切都是由場構成的。這些場在物理定律的支配下邁著錯綜複雜的舞步，它們之間的相互作用造就了整個粒子物理世界。儘管物質從根本上是由場構成的，而且標準模型在本質上是一種量子場論，但它依然可以用粒子的語言來解讀。

標準模型獲得了巨大的成功，它以超凡的精度預言了我們所見到的一切。實際上，它有些過於成功了。我們知道它並不正確，但它並沒有露出任何裂縫讓我們能看到下面還藏著什麼更深入更接近真理的理論。我們知道它並不正確，是因為它沒有預言粒子作用力的相對強度以及質量。例如，為什麼頂誇克的質量是電子的100萬倍？為什麼大自然要將其基本構件複製三份？為什麼中微子的質量如此微小？物理學家們沒有答案。

標準模型的另一個嚴重問題在於，它沒有包含我們日常生活中最常見的一種基本作用力：引力。我們從粒子實驗中得不到解決這一問題的線索，因為引力在微觀尺度上太弱了，它基本上不會對單個亞原子粒子產生任何作用。不過，我們確實有一個成功的引力理論，這要感謝愛因斯坦。但他的廣義相對論認為引力是由時空彎曲產生的，而不像其他三種力一樣可以描述為載力粒子的量子交換，後者已被證明是一種成果豐碩的理論（參見第12章）。我們不知道如何將愛因斯坦的理論“量子化”，以便一窺量子引力效應支配下的黑洞核心。美國物理學家麗莎·蘭道爾(Lisa Randall)說：“粒子物理學標準模型很好地解釋了力和粒子，但當你把引力扔進方程時，它就會瞬間崩塌，你需要捏造數值才能讓它成立。”

然而，和最近數十年來標準模型中一個愈發顯著的問題相比，上面這些問題都顯得沒有那麼重要了。物理學家們發現標準模型只描述了整個宇宙中5%的質能。天文學家們發現，宇宙中大約25%的質能是以一種神秘物質的形式存在的，這些物質不會發出任何可探測的光，它們的存在只能通過與可見的恆星和星系發生引力作用才能被察覺。沒有人知道這些“暗物質”到底是什麼，有人說它們是宇宙大爆炸的熾熱火球形成的黑洞，也有人說是至今尚未被發現的亞原子粒子。如果暗物質是後者，那麼就意味著還存在一整個“暗區”的粒子以及在它們之間發生相互作用的“暗力”，這些我們統統都沒有發現。

這還不是最糟糕的，整個宇宙中高達70%的質能都以“暗能量”的形式存在。它具有負引力，從而加速宇宙的膨脹（參見第21章）。當使用標準模型預測真空能量密度（暗能量）時，它的計算結果是我們實際觀測數值的1後面120個零那麼多倍，這強烈預示著我們忽略了某些非常重要的東西。美國天文學家史塔西·麥高(Stacy McGaugh)說：“可能我們現代宇宙學中最尷尬的一點就在於那些佔大部分卻看不見的成分。暗物質和暗能量佔據了宇宙95%的質能，但我們除了它們的名字之外對它們一無所知。”