【標(biāo)準(zhǔn)模型與大統(tǒng)一理論：上篇】

現(xiàn)代物理學(xué)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(xiàn)有的理論，不斷填補(bǔ)漏洞 。

理論越先進(jìn)，就越接近突破烏云的邊緣。

在往期的物理學(xué)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(tǒng)一電磁力，弱力和強(qiáng)力的大統(tǒng)一理論。

而這期視頻則是用目前最前沿的量子場(chǎng)論，提供物理學(xué)家利用標(biāo)準(zhǔn)模型構(gòu)建大統(tǒng)一理論的思路。

文章涉及的知識(shí)量極大，涉及量子電動(dòng)力學(xué)，楊·米爾斯理論，量子色動(dòng)力學(xué)，希格斯機(jī)制，對(duì)稱性，凝聚態(tài)超導(dǎo)理論，大爆炸理論，文案已經(jīng)最大程度通俗化了，邏輯性也早已串聯(lián)到位，適合反復(fù)閱讀。（文章字?jǐn)?shù)太長，分三篇文章發(fā)布）

這是一張粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)象包羅萬象，千變?nèi)f化，有超新星爆發(fā)釋放的高能射線，又有黑洞合并產(chǎn)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(xiàn)象本質(zhì)上都是千篇一律的，所有的自然現(xiàn)象都是由物質(zhì)作為載體而開展的。

而物質(zhì)有兩個(gè)最基本的屬性，一個(gè)是變化屬性（力），另一個(gè)是質(zhì)量屬性。

所以宇宙中所有現(xiàn)象都可以歸納成物質(zhì)，質(zhì)量，力這三個(gè)維度來解釋。

這時(shí)候你再看標(biāo)準(zhǔn)模型，剛好就是解釋這三個(gè)維度的理論。

截止2023年，人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了61種基本粒子，這61種基本粒子都在標(biāo)準(zhǔn)模型中，在常見的標(biāo)準(zhǔn)模型表中，只呈現(xiàn)了17種基本粒子，剩下的粒子主要是這些粒子的反物質(zhì)，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(dāng)一個(gè)家庭只出一個(gè)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?yàn)榭淇擞袃煞N屬性，一種是“味”，一種是“色”。當(dāng)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(duì)應(yīng)的是兩種量子數(shù)。

夸克一共有6種“味”，對(duì)應(yīng)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(qū)分，就變成了18種。而每一種夸克還有自己的反物質(zhì)，加一起剛好就有36種夸克。

在這張圖中，每個(gè)粒子標(biāo)注了三個(gè)量，分別是質(zhì)量，電荷和自旋。

先看看這些粒子的自旋，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，這些粒子的自旋無非就是0 ，1/2，和1(絕對(duì)值)，而這三個(gè)自旋值又可以分為整數(shù)和半整數(shù)兩大分類。

左邊這12種基本粒子也叫費(fèi)米子，是遵守費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)的粒子，說直白一點(diǎn)，費(fèi)米子的共同特點(diǎn)就是它們的自旋都為半整數(shù)。它們的同一作用，就是負(fù)責(zé)形成物質(zhì)結(jié)構(gòu)。

而后邊這五種基本粒子的共同點(diǎn)就是自旋都為整數(shù)。

這些自旋為整數(shù)倍的粒子就是玻色子，他們遵守玻色－愛因斯坦統(tǒng)計(jì)。

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(guī)范玻色子，當(dāng)然還有一種尚未發(fā)現(xiàn)的引力子，其自旋為2，也屬于規(guī)范玻色子。

規(guī)范玻色子的作用就只有一個(gè)，它們不參與物質(zhì)的構(gòu)成，只負(fù)責(zé)費(fèi)米子之間力的傳導(dǎo)。所以規(guī)范玻色子也叫傳播子。

這時(shí)候再看一下這幅圖，左邊這12種費(fèi)米子負(fù)責(zé)構(gòu)成物質(zhì)，而右邊這四種玻色子負(fù)責(zé)力的傳遞。費(fèi)米子和規(guī)范玻色子相互打配合，共同造就了物質(zhì)運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象。

在標(biāo)準(zhǔn)模型圖的最上面，是用希臘數(shù)字標(biāo)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(fā)現(xiàn)時(shí)間，最早發(fā)現(xiàn)的費(fèi)米子就叫一代，依次類推。

你會(huì)發(fā)現(xiàn)，后一代的粒子除了質(zhì)量會(huì)比前一代高很多，電荷和自旋都是一樣的。所以費(fèi)米子的代差，只是質(zhì)量上的差別。

而粒子的質(zhì)量越大，越容易衰變，存在的時(shí)間也就越短。所以只有第一代費(fèi)米子的質(zhì)量最小，最穩(wěn)定，存在時(shí)間最長，也最易發(fā)現(xiàn)。

而第二代和第三代費(fèi)米子由于質(zhì)量較大，所以從產(chǎn)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(fā)現(xiàn)，找到它們的時(shí)間也就比較晚。

而下面這兩行費(fèi)米子統(tǒng)稱為輕子，上面是電子家族，下面是中微子家族，最明顯的區(qū)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?yàn)樗麄冑|(zhì)量輕，而是因?yàn)樗鼈兌疾粎⑴c強(qiáng)力。

而在標(biāo)準(zhǔn)模型圖的右上面只有一種粒子，也是最晚發(fā)現(xiàn)的，這就是希格斯粒子，它于2013年最終被確認(rèn)，希格斯粒子的自旋為0，是目前唯一發(fā)現(xiàn)的標(biāo)量玻色子。它的主要作用就是賦予其他基本粒子以質(zhì)量。

希格斯玻色子會(huì)給wz玻色子，電子家族以及所有夸克賦予質(zhì)量

而中微子質(zhì)量來源目前還是另一朵烏云。

明天更新第二篇！