你还以为世界是由原子堆起来的？

假如由于某种大灾难，所有的科学知识都丢失了，只有一句话传给下一代，那么怎样才能用最少的词汇来表达最多的信息呢？我相信这句话是原子假设：所有的物体都是用原子构成的——这些原子是一些小小的粒子，它们一直不停地运动着。当彼此略微离开地时互相吸引，当彼此过于挤紧时又相互排斥。——《费曼物理学讲义》

生活在这个科普遍地成翔的时代，我想没有几个人（深表怀疑？其实我也不信）不知道“物质是由原子组成的”这个最最基本的常识了吧。但这个一百年前都已经是常识的常识实在不能让我等研究物理的人有任何智力上的优越感，我们得潜下去，切开原子往下走，看看基本的基本的基本的基本到底是什么鬼。于是……咱们拉开序幕，上演一场原子之下的精彩大片。哦，对了，这大片叫做《粒子物理》。

先来从我们的起点开始……

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原子（atom）

图1:原子——原子核和围绕原子核的电子。

我们可能都知道，原子是由原子核以及围绕着原子核的电子云组成。我们也知道有很多不同的原子，它们排列在一张元素周期表上。原子核带正电 Ze（其中e是一个电子所带的电荷量，而Z是原子序数／质子数）。Z决定了原子核的电子的数目，也决定了一类原子（具有相同原子数但中子数不同的原子，同位素）在元素周期表上的排列位置。

编辑特别提醒

在元素周期表上，元素从左到右，从上到下，其原子数逐渐增大。这个顺序一般也与原子质量的增加是一致的。周期表中的周期性，我们可以很漂亮地用量子力学的守恒规则来解释。在这个尺度上的研究属于原子物理……当然或者还有化学物理。

我们可以根据不同原子的性质来构造出一个周期表，这在给我们什么暗示？原子（核）它肯定不是最基本的粒子，它下面还有东西。

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质子和中子（Protons &Neotrons）

当然，我们也知道——原子核是由质子和中子构成。质子带正电荷，其质量为1.673×10^-27kg；而中子不带电荷，其质量为1.675×10^-27kg，只比质子重一点点。（还有没有人认为中子之所以比质子重那么一点点，是因为它是由质子吸收了个电子变成的？反正我高中时就是这么天真的认为的。）质子和中子的半径都只有10^-15米。它们由强核力结合在一起。

图2：左图为质子结构，由两个上夸克（电荷为： 2/3e×2）和一个下夸克（电荷为：-1/3e）构成；右图为中子结构，由一个上夸克（电荷为： 2/3e）和两个下夸克（电荷为：-1/3e×2）构成。

在这个层次上的研究，我们叫做核物理。作为物理学的另一个分支，它主要就是研究原子核。核物理学家考虑的主要问题就是，如何由其成分（一堆的质子和中子）来解释原子核的性质。所以我们看，原子核也不是这部大片的主角。

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夸克（Quarks）

质子和中子不是最基本的，它们都是由称为夸克的点状粒子构成，而夸克通过交换媒介粒子胶子（gluons）结合在一起。质子（中子）的质量主要就是来源于把它们聚合在一起的胶子，而不是夸克。

图3:原子、电子、质子、中子和夸克图解。原子由原子核和电子构成；原子核由质子和中子构成；质子和中子则由夸克构成；那么夸克由什么构成呢？我们并不知道。

目前的理解认为夸克和胶子没有内部结构。科学家们认为夸克、电子以及其他一些粒子（参见下面的标准模型）是目前来说最最基本的粒子。粒子物理这场大戏，就是在诉说这些粒子及由它们所构成的粒子之间的恩恩怨怨。别说，物理学家这群编导们还真给整出个虽有bug，但还让观众满意的大片来——《标准模型》。下面严肃说……

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粒子动物园（Particle Zoo）

在过去一百年里，我们发现的粒子（原子之下的粒子）种类要比原子多得多。我们简单捋

1897年汤姆森发现电子（e^-）；

1932年查德维克发现中子（n）；

1932年安德森发现正电子（e ）；

1937年在宇宙线中发现了轻子μ及与之相伴的μ中微子（ν_μ）；

1947年在宇宙线中发现π^±介子、K介子；

1950年在宇宙线中发现π⁰介子；

50年代不得了了，粒子加速器以及各种探测器有很大发展。硬件跟上了，于是一发不可收拾，各种新粒子不断被发现，什么Δ粒子、Θ粒子、Σ粒子、Ω粒子、ρ粒子、η粒子等等等等……人们开了个粒子动物园，成员200多，其中大多数为强子。

这么多粒子，不可能都是基本的。盖尔曼和尼埃曼两人（当然给他们搭台的英雄们在此就不提了）提出了一个SU(3)的理论，这个理论牛叉啊，直接把当时发现的所有强子都囊括进去了。盖尔曼和茨维格（都是物理界的大牛！）又更近一步提出夸克的概念，认为这些强子都是由u、d、s夸克组成的。实验随即就证实了这个理论，他们用高能的中微子撞击质子和中子（术语叫做“深度非弹性散射实验”）证明它们内部存在点状结构。

图4:强子的SU(3)对称性。左图：自选为0的重子八重态，它们由两个夸克组成；右图：自选为3/2的重子十重态，它们由三个夸克组成。

1974年丁肇中等人发现了J/ψ粒子（也就是两个粲夸克（c）结合体的基态）。

1979年发现底夸克（b）。

1994年发现顶夸克（t）。

对了，1975年发现了轻子τ（质量并不小，比一个质子的质量还要大）。迄今为止人们在实验中还没看到轻子（e、μ、τ、ν_e、νμ、ντ）和夸克（u、d、s、c、b、t）有内部结构。还有一条线。1954年杨振宁和米尔斯提出了非阿贝尔规范理论，格拉肖在此基础上提出电弱统一理论（SU(2)_L×U(1)_Y）统一了电磁作用和弱作用。按照这种模型，光子传递电磁作用W^±、Z⁰传递弱作用。1983年实验上发现了W^±粒子和Z⁰粒子。

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标准模型（The Standard Model）

描述粒子物理的模型有一箩筐，但真正能够让所有人信服的只有一个：标准模型。标准模型是基于电弱统一理论外加量子色动力学（QCD）的一个模型。用数学的语言来写就是SU(3)_L×SU(2)_L×U(1)_Y。当然，我们不用管这个奇怪的数学表示，细节只对某些人有意义，和我们没有毛线关系。我们只需要知道标准模型可以用6个夸克、6个轻子（以及它们的反粒子）和4种携带力的媒介粒子来解释所有其他的粒子。

这个模型有两个要素

（1）“基本构件”

有6个夸克和6个轻子。可以把整理为3族（称为“代”！）：

第一代	第二代	第三代
上夸克（u）	粲夸克（c）	顶夸克（t）
下夸克（d）	奇夸克（s）	底夸克（b）
电子（e）	μ介子	τ介子
电子中微子（νe）	μ中微子（νμ）	τ中微子（ντ）

（2）相互作用

有4种相互作用，每一种相互作用都有一种或几种携力粒子（媒介粒子），它们使得“基本构件”结合在一起：

注：引力相互作用在粒子物理中不是很重要，这里提到它只是为了完整性。人们认为在引力作用中存在一个交换粒子称为“引力子”，但现在并没有发现。

当然！我们还漏掉一个重要的人物——希格斯粒子。我们前面说了弱作用和电磁作用只是同一种作用——电弱相互作用——的不同表现。就像光子没有质量一样，理论上也要求W^±、Z⁰也应该是没有质量的。但显然实际情况并非如此。于是物理学家们就提出一个机制，认为W粒子和Z粒子本没有质量，我们在实验室看到的质量是和一个胖家伙——希格斯场（Higgs field）——相互作用而获得的。（Higgs他老人家给的一个解释是：一个名人在一群记者中间行走。）

检验一个理论对与否的方法只有一个，那就是由它预言一些新的现象，如果证实了这些现象，那么这个理论就极有可能是对的。希格斯场理论预言了存在有希格斯粒子（Higgs particles）。经过几十年的努力，终于2012年欧洲核子中心（CERN）在大型粒子对撞机上发现了这个粒子，证实了这个预言。不过，标准模型虽然漂亮，但bug仍然不少。像C/P破坏，暗物质，中微子质量等等等等，有待解释的疑点太多，续集更精彩。

审校：胡文启