萬物由啥構成？這一問，問出史上最成功的科學理論！

假如我們能夠把一個蘋果，或者此時此刻你身邊的任何東西，一直分割下去，那么最終會得到什么呢？

早在2000 多年前，古希臘哲學家就已經在思考這個問題了。他們曾認為水、火、土和氣，這四種元素是構成這個世界的基本單元。但隨著物理學家能夠探索越來越小的距離尺度，他們在上個世紀 70 年代最終發(fā)展出了一個有史以來最成功的科學理論，叫做標準模型。這個聽起來很平平無奇的名字很可能是對標準模型做出巨大貢獻的史蒂芬·溫伯格在50年前的一場講座中首次提到的。

簡而言之，標準模型描述了構成萬物的基本粒子的屬性（比如質量、電荷和自旋），以及它們之間的相互作用。這里所說的基本粒子也就是指那些不可再進一步分割的粒子。那么，標準模型包含了哪些基本粒子呢？

我們知道，所有的東西其實都是由非常小的原子構成的。原子是大多數(shù)人都比較熟悉的，它的中心是一個原子核，周圍有繞其旋轉的電子。電子是第一個被發(fā)現(xiàn)的基本粒子，它在電、磁、導熱等物理現(xiàn)象中都起到了至關重要的作用。但原子核卻不是基本的，它是由質子和中子組成的，它們的質量大約是電子的 1800 倍。

萬物都是由原子構成的，而原子則是由電子和原子核構成。（圖/原理）

但后來物理學家發(fā)現(xiàn)，質子和中子也不是基本粒子，它們實際上是由上夸克（u）和下夸克（d）組成的。質子包含了兩個上夸克和一個下夸克，中子則包含了一個上夸克和兩個下夸克。

質子和中子都是由夸克組成的。但這其實是一副簡化的圖景，事實上它們的內部異常復雜。（圖/原理）

一個令人驚訝的事實是，無論是生活在地球上的你、我、貓咪，或者是遙遠的行星、恒星、星際氣體，都是由上夸克、下夸克和電子組成的。這三種基本粒子以各種方式混合在一起，形成了我們今天看到的一切。

今天我們看到的所有東西都是由上夸克（u）、下夸克（d）和電子（e）構成的。（圖/原理）

在這三種粒子中，電子屬于輕子。除了電子外，還有一種非常輕且不帶電的輕子，叫做中微子。你可能對這種粒子不是很熟悉，甚至覺得它好像與我們無關，但實際上，每秒鐘就有數(shù)萬億個中微子在穿過我們的身體，只是我們無法感受到它們。它們也常常被稱為幽靈粒子，因為它們幾乎不與物質相互作用。從太陽釋放出的中微子可以輕易地穿過地球，因此想要捕捉這些粒子是非常困難的。

電子和中微子（ν）都屬于輕子。（圖/原理）

現(xiàn)在，我們已經有了四個基本粒子，而且看起來我們的宇宙似乎也只需要這四個粒子就夠了。但物理學家卻發(fā)現(xiàn)，這四種粒子，僅僅只是三代物質粒子中的第一代！

三代物質粒子。（圖/原理）

在標準模型中，還包含了第二代和第三代的物質粒子。每一代物質粒子都比前一代更加的重。例如，我們看μ子和τ子，它們和電子完全一樣，除了更重！μ子的質量是電子的約206倍，而τ子比電子重3000多倍。

除了質量更大，μ子和τ子看起來和電子完全一樣。（圖/原理）

但問題是，在日常生活中，我們沒有看到由第二代和第三代粒子形成的奇花異草。這些更重的粒子可以被創(chuàng)造，但非常不穩(wěn)定，會快速衰變成第一代的粒子。看起來，就算宇宙沒有更重的兩代粒子似乎也能夠很好的運作，但為什么會有三代？這是物理學中的一個重大謎題。

費米子，也就是物質粒子，包含了夸克和輕子。（圖/原理）

好，我們現(xiàn)在已經知道構成萬物的這些基本粒子，那么它們究竟是如何相互作用的？現(xiàn)在， 我們就要提到標準模型中的另一類粒子，規(guī)范玻色子，也就是載力粒子。自然界中，已知的基本力有四種，分別是引力、電磁力、強力和弱力。標準模型描述了除引力之外的其他三種力，這三種力就是通過載力粒子的交換來實現(xiàn)的。

例如，兩個帶負電的電子相遇時會相互排斥，這是因為電磁力在發(fā)揮作用。實際上，它們是在交換光子，其中一個電子發(fā)射光子，另一個則吸收光子。也就是說，光子是電磁力的載力粒子。

光子（??）是電磁力的載力粒子。（圖/原理）

剛才我們也提到，質子和中子是由三個夸克構成的，那么是什么樣的力使夸克緊緊地束縛在一起而不被拆分呢？答案是強力，而正如電磁力是由光子傳遞的一樣，強力則是由一種被稱為膠子的載力粒子傳遞的。膠子攜帶有“色荷”，因此能夠與同樣帶有色荷的夸克彼此發(fā)生相互作用。

膠子（g）于 1979 年被發(fā)現(xiàn)，是強力的載力粒子。（圖/原理）

弱力和強力一樣，都是在非常小的尺度下發(fā)揮作用。在質子或中子的內部，弱力可以轉換夸克的類型。比如弱力可以將中子內的下夸克變成上夸克，就會使中子變成質子。如果中子是在原子核中，這種轉變會使原子變成另一種元素。與弱力有關的載力粒子被稱為W和Z玻色子。

1983年，物理學家發(fā)現(xiàn)W和Z玻色子，它們是弱力的載力粒子。W玻色子是唯一帶電的規(guī)范玻色子。（圖/原理）

現(xiàn)在，標準模型中我們還沒有提到的一個基本粒子，也是于2012年最后一個被發(fā)現(xiàn)的粒子，叫希格斯玻色子。它非常特別，因為它能夠賦予粒子質量。如果沒有它，電子和夸克就會像光子一樣，沒有質量。

12種物質粒子，4種規(guī)范玻色子，以及希格斯玻色子，這17種基本粒子構成了標準模型。

希格斯玻色子是標準模型中最后一個被發(fā)現(xiàn)的粒子。（圖/原理）

我們需要記住的是，盡管我剛才都是在用粒子的語言來介紹標準模型的，但它實際上是由非常復雜的量子場論書寫的。在量子場論中，比粒子更加基本的是聽起來更抽象的“場”。每種粒子都有對應的場，比如夸克場、電子場、希格斯場等等，這些場充斥在整個空間之中。而粒子之間的相互作用，其實就是各種量子場之間的相互作用。比如電子通過與希格斯場相互作用，從而獲得了質量。

標準模型的拉格朗日量，它描述了標準模型中的所有基本粒子和它們之間的相互作用。（圖/THOMAS GUTIERREZ）

標準模型可以說是有史以來最成功的科學理論。在一些情況下，它做出的預測與實驗結果可以驚人地吻合到小數(shù)點后12位。這在其他領域是無法想象的。

雖然標準模型獲得了巨大的成功，但仍有許多問題是它無法回答的。例如，它只解釋了三種基本力，而沒有囊括引力；它也無法解釋什么是暗物質和暗能量；它也沒有回答為什么我們生活的宇宙是由物質主導的，而不是反物質。因此，尋找超越標準模型的實驗證據(jù)，也成為了許多物理學家的首要任務。但這絕非是一件容易的事情，我們現(xiàn)在能夠做的就是繼續(xù)保持好奇，在黑暗中摸索前行。

本文為科普中國·星空計劃扶持作品

團隊：原理

審核：張雙南 中國科學院高能物理研究所研究員

出品：中國科協(xié)科普部

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