【標準模型與大統一理論：上篇】

現代物理學天空還有很多烏云，要解決這些烏云最有效的方式，就是利用現有的理論，不斷填補漏洞 。

理論越先進，就越接近突破烏云的邊緣。

(資料圖片僅供參考)

在往期的物理學烏云系列中，我只是陳述問題，不提出解決這些烏云的思路。

目前最有可能突破的烏云就是統一電磁力，弱力和強力的大統一理論。

而這期視頻則是用目前最前沿的量子場論，提供物理學家利用標準模型構建大統一理論的思路。

文章涉及的知識量極大，涉及量子電動力學，楊·米爾斯理論，量子色動力學，希格斯機制，對稱性，凝聚態超導理論，大爆炸理論，文案已經最大程度通俗化了，邏輯性也早已串聯到位，適合反復閱讀。（文章字數太長，分三篇文章發布）

這是一張粒子物理的標準模型圖，也可以說是人類目前為止掌握到最接近萬有理論的模型了。

想象一下，宇宙中的自然現象包羅萬象，千變萬化，有超新星爆發釋放的高能射線，又有黑洞合并產生的引力波，還有DNA合成的氨基酸。但從微觀層面來看，宇宙中所有的現象本質上都是千篇一律的，所有的自然現象都是由物質作為載體而開展的。

而物質有兩個最基本的屬性， 一個是變化屬性（力），另一個是質量屬性 。

所以宇宙中所有現象都可以歸納成物質，質量，力這三個維度來解釋。

這時候你再看標準模型，剛好就是解釋這三個維度的理論。

截止2023年，人類已經發現了61種基本粒子，這61種基本粒子都在標準模型中，在常見的標準模型表中，只呈現了17種基本粒子，剩下的粒子主要是這些粒子的反物質，以及夸克和膠子的色荷粒子。

所以其他44種基本粒子沒有在這張圖上，主要是它們都可以通過圖中這17種基本粒子延伸出來。就相當一個家庭只出一個代表就行。

比如夸克一共有36種，但是圖中只有6種，這主要是因為夸克有兩種屬性，一種是“味”，一種是“色”。當然，這里的味道和顏色和生活中說的那種完全不同，這兩種屬性對應的是兩種量子數。

夸克一共有6種“味”，對應的名字分布是上，下，粲，奇，頂，底。每一種味又有3種色荷，所以夸克在“味”和色荷上的區分，就變成了18種。而每一種夸克還有自己的反物質，加一起剛好就有36種夸克。

在這張圖中，每個粒子標注了三個量，分別是質量，電荷和自旋。

先看看這些粒子的自旋，就會發現，這些粒子的自旋無非就是0 ，1/2，和1(絕對值)，而這三個自旋值又可以分為整數和半整數兩大分類。

左邊這12種基本粒子也叫費米子，是遵守費米-狄拉克統計的粒子，說直白一點，費米子的共同特點就是它們的自旋都為半整數。它們的同一作用，就是負責形成物質結構。

而后邊這五種基本粒子的共同點就是自旋都為整數。

這些自旋為整數倍的粒子就是玻色子，他們遵守玻色－愛因斯坦統計。

在五種玻色子中，其中又有四種的自旋為1，這些自旋為1的玻色子又叫規范玻色子，當然還有一種尚未發現的引力子，其自旋為2，也屬于規范玻色子。

規范玻色子的作用就只有一個，它們不參與物質的構成，只負責費米子之間力的傳導。所以規范玻色子也叫傳播子。

這時候再看一下這幅圖，左邊這12種費米子負責構成物質，而右邊這四種玻色子負責力的傳遞。費米子和規范玻色子相互打配合，共同造就了物質運動現象。

在標準模型圖的最上面，是用希臘數字標注的一二三，這些表示一代，二代，三代。“代”指的是這些基本粒子的發現時間，最早發現的費米子就叫一代，依次類推。

你會發現，后一代的粒子除了質量會比前一代高很多，電荷和自旋都是一樣的。所以費米子的代差，只是質量上的差別。

而粒子的質量越大，越容易衰變，存在的時間也就越短。所以只有第一代費米子的質量最小，最穩定，存在時間最長，也最易發現。

而第二代和第三代費米子由于質量較大，所以從產生到衰變只是一瞬間的事，目前只能在加速器中找到，所以很難發現，找到它們的時間也就比較晚。

而下面這兩行費米子統稱為輕子，上面是電子家族，下面是中微子家族，最明顯的區別就是帶不帶電荷。帶電荷就是電子家族，不帶電荷就是中微子家族。

它們之所以叫輕子，并不是因為他們質量輕，而是因為它們都不參與強力。

而在標準模型圖的右上面只有一種粒子，也是最晚發現的，這就是希格斯粒子，它于2013年最終被確認，希格斯粒子的自旋為0，是目前唯一發現的標量玻色子。它的主要作用就是賦予其他基本粒子以質量。

希格斯玻色子會給wz玻色子，電子家族以及所有夸克賦予質量

而中微子質量來源目前還是另一朵烏云。

明天更新第二篇！