来源：网络
粒子物理通常研究的是不可进一步划分的最小可观测粒子。这些粒子既不是理论力学中的质点模型，也不是什么小球，而是按照量子力学的设定，将一个粒子描述为一个场分布（即波函数）。现在的主流观点认为，这些粒子是掌控它们相互作用的量子场的激发。
在 Philip W. Anderson（菲利普·安德森）发表了他那篇大名鼎鼎的More is different（原文标题：“不同之处更多：破碎的对称性和科学的层次结构的本质”）之后，我们不能再从还原论的角度不假思索地去说粒子物理中的某一概念是物理学乃至世界本质的这样的话了，但至少我们还可以说，物理学最本质的概念就是物质与相互作用。目前，用于解释这些粒子和掌控它们相互作用的量子场激发及其动力学的主要理论被称为标准模型（standard model），现代粒子物理学的主要工作就是进一步研究标准模型及其所有延伸拓展的可能性。
迄今为止，我们所观察到的各种物理现象，都可以统一在四大基本相互作用框架下做出描述或解释。标准模型是描述强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用以及组成所有物质的基本粒子的理论，到目前为止，所有关于强、弱、电相互作用的实验结果都与该理论的预测相吻合。
（一）
按照标准模型，构成宇宙物质的基本粒子（fundamental particles）共有61种，被分类为四个部分（sector）：夸克（quark）；轻子（lepton）；规范玻色子；标量玻色子。其中夸克和轻子依据参与相互作用的形式又被分为三个世代（generation）。这三个世代的夸克或轻子，它们除了质量（质量与稳定性相联系）不同，在物理性质方面没有什么差异。从物理直觉上，夸克、轻子的第一世代应该是最轻、最稳定的，因为由基本粒子复合而成的重子或超重子（强子）发生衰变，只会是重的衰变成轻的。所以，在自然界中，几乎所有的稳定物质都是由第一代的夸克与轻子所构成的。
夸克 （与反夸克）共有 36 种。如上图所示，夸克有上夸克、下夸克、粲夸克、奇夸克、顶夸克和底夸克六类，分别记作 u、d、c、s、t、b ，称之为夸克的六种风味。每种风味的夸克又可以带有红、绿、蓝三种颜色之一，所以一共有18种夸克。这些夸克都有对应的反夸克，总共就是36种正、反夸克。
夸克属于费米子，其自旋都是1/2。由于重子（重子数均为 +1 的粒子）都是由三个夸克构成，所以每个夸克的重子数都被规定为 +1/3。在六种风味中， u、c、t 带有+2e/3的电荷，d、s、b带有-1e/3的电荷（e > 0 表示元电荷）。所谓它们带有红、绿、蓝三种颜色，并不是指实验观测到的夸克的颜色，而是因为夸克具有如同电荷一样的性质，称之为色荷。但电荷只有正电荷、负电荷之分，而夸克的色荷有三种类型，需要用三种颜色来表示。色荷在QCD（量子色动力学）的构架下与强相互作用有关。
反夸克（antiquark）与其对应的夸克的质量、总角动量（自旋）相同，电荷数、味量子数只有正、负符号区别，所带有的色荷分别为反红、反绿或反蓝。各种夸克风味的性质可归纳如下表。
夸克之间通过媒介（玻色子，即胶子）发生强相互作用形成复合粒子，叫强子。质子、中子等重子以及π介子、K介子等介子都是强子。
轻子 （反轻子）共有12种，它们是一种不参与强相互作用的基本粒子。轻子也都属于费米子，自旋为 1/2。轻子同样被分为六种风味，三个世代。第一代是电子和电中微子（统称电轻子）；第二代是μ子与μ中微子（统称μ轻子）；第三代是τ子和τ中微子（统称τ轻子）。与夸克具有正反对称性一样，这六种风味的轻子同样分别都有对应的反轻子。在不考虑轻子数的情况下，轻子与反轻子唯一只有带电荷的正负号区别。
轻子数被定义为轻子的数目减去反轻子的数目。这样一来，所有轻子的轻子数均为+1，反轻子的轻子数均为-1。由于标准模型依赖于轻子数描述守恒，所以在相互作用过程中，轻子数是不变的。
按照标准模型的“分工”，带负电的电子、μ子、τ子参与电磁相互作用，但它们分别对应的三个中微子既不参与电磁相互作用，也不参与强相互作用。
规范玻色子 是负责传递相互作用的基本粒子，共有4类（胶子、光子、W玻色子、Z玻色子）12种，它们的自旋量子数均为整数1。其中胶子（gluon）8种，W玻色子2种，再加上光子和Z玻色子就是12种。
胶子是强相互作用的媒介，称色八重态，要用 Gell-Mann 矩阵表示。每一种胶子都带有一个色荷与一个反色荷，这是因为胶子不仅传递强相互作用，而且还以弱作用力接参与强相互作用。
描述色八重态的Gell-Mann矩阵
光子是作为电磁相互作用而存在的媒介粒子。胶子与光子的反粒子都是其自身。W玻色子分为带电荷+e的W+与带电荷-e的W-，它们互为正反粒子。Z玻色子是电中性的，与胶子、光子一样，属同为正反粒子。
标量玻色子 指的是自旋为0的玻色子。希格斯玻色子（Higgs boson）是唯一的标量玻色子，它不带电、不带色荷，且极不稳定。希格斯玻色子粒子要在“希格斯工厂”生产，且产生之后会立即衰变。它是在历经了40年，终于在2012年7月4日的粒子碰撞过程中被发现的。找到了希格斯玻色子，意味着存在希格斯场机制，它是赋予基本粒子质量的物理机制。
由于在“希格斯工厂”冒出希格斯粒子被称为希格斯场的量子激发，所以投资浩大的粒子碰撞机就是在实验室构建“希格斯场”——好比是建足球场，只有建了足球场，甲乙双方才能开展足球比赛。当比赛出现精彩时——破门进球，才相当是看到了希格斯粒子。如果仅仅是运动员来来往往拼抢或者是无效射门——还不能被认为是发现了希格斯粒子。又若两个球队的比赛踢成平局，那么寻找希格斯粒子就等于是一场空。由此可想而知，要发现希格斯粒子是相当困难的。
如前所述，标准模型共有61种基本粒子，宇宙中所有可观测的物质就是由这些基本粒子组成的。如果把物质世界比作一座大厦，夸克和轻子就是构成大厦的“砖瓦”材料；而负责传递相互作用的规范玻色子，充当的就是象石灰、水泥那样固定砖瓦的角色。例如胶子传递强相互作用，可以让三个夸克固定在一起形成一个质子或中子，而光子传递电磁相互作用则可以将电子与质子结合在一起形成一个氢原子。至于W±玻色子、Z玻色子，它们是传递弱相互作用的，标准模型之所以这样设计，是为了允许第二、三代的基本粒子衰变到第一代，使之同样成为构成物质大厦的材料。
所谓强子，是指由夸克或反夸克通过强作用结合在一起形成的复合粒子。之所以称为强子，是因为这些复合粒子能“感受到强相互作用”。
强子被分为重子和介子两大类。强子的激发态称为“共振”，每一个基态的强子都可能对应于多个激发态。通过强相互作用，强子会在大约10-24s内衰变。
由于胶子引导的强相互作用具有色禁闭性质，这就要求由正反夸克组成的强子（不论是重子还是介子）必须是“无色”的。因此，由三个不同色的夸克、反夸克组成的重子（或反重子）的总色荷必须为0，或者是由两个互为反色的夸克组成的介子的总色荷为0。
重子 都由三个夸克组成，自旋为 1/2。因为夸克的重子数均规定为 1/3 ，所以重子的重子数均为1。与夸克有对应的反夸克一样，每个重子都对应着由三个反夸克构成的反重子，其重子数就是-1。这是守恒定律的体现——重子数守恒实际上就是夸克数守恒。它的一个精彩推论就是：重子和反重子总是同时产生或湮灭。当然，还不能肯定不存在反例，比如物理学家预言了质子衰变，但至今还没有实际观测到质子衰变的现象，或者说截至目前还没有那一个实验现象可以被理解是质子衰变。
最常见的重子就是组成我们生活中各种物质的质子和中子（统称为核子）。除了核子之外，还有一大家的重子家族——统称为超子。例如Δ粒子就是超子，它有四种存在形式，即Δ-、Δ0、Δ+ 和 Δ++，其夸克结构分别为ddd、udd、uud、uuu，所携带的电荷分别是-1e、0e、+1e、+2e（e为单位元电荷）。
介子 是由一个夸克与一个反夸克组成的重子数为0而自旋为整数（0或1）的强子。在量子场论（QFT）中，自旋为0的介子用标量波函数描述，其中宇称为-1的称作赝标介子，宇称为+1的称作标量介子；而自旋为1的介子用矢量波函数描述，其中宇称为-1的称作矢量介子，宇称为+1的称作轴矢介子。例如π介子是赝标介子（即JP=0的介子），它的存在形式有三种（即π+、π- 和 π0）。π介子是最重要的介子之一，它在揭示核力（nuclear force）的低能区特性上起重要作用。
（二）
建立标准模型的理论架构主要是依赖于Yang-Mills理论。该理论是基于SU(N) 群的规范场论，也就是G= U(1)×SU(2)×SU(3) 的Yang-Mills规范场论。强相互作用的规范群是SU(3)，电、弱相互作用的规范群是SU(2)×U(1)，其中U(1)是电磁场的规范群，对应维度dim U(1)=1，电磁场量子化后得到的规范玻色子是光子；而弱相互作用的规范群是SU(2)，其维度dim SU(2)=3，对应的规范玻色子就应该有3种，但在建立标准模型的起步阶段一无所有。
规范场论严格要求规范场量子化后得到的规范玻色子的内禀质量必须为0，但早在1954年刚提出Yang-Mills理论时，能观测到的不带有质量的粒子只有光子和中微子。光子被钦定为电磁相互作用中的规范玻色子，而中微子的自旋为 1/2，它不是玻色子（而且后来人们还发现中微子有静质量）。至于弱相互作用对应的三个无质量规范玻色子究竟是什么，当时谁也不知道。这就使得Yang-Mills 理论被搁置了整整十年。直到1964年，Peter、Higgs 等六位物理学者提出了希格斯机制，才打破僵局，Yang-Mills理论再次回到台前。
根据新提出的希格斯机制，特定的基本粒子可以与遍布宇宙的希格斯场相互作用而获得质量。明确了质量来源就好办了，于是Steven Weinberg、Sheldon Glashow、Abdus Salam 等人在1967年提出了电弱统一模型，最后的结论就是：在希格斯机制下，弱相互作用的规范群是SU(2)×U(1)，对应的规范玻色子是W±玻色子、Z玻色子与光子。
完成电弱统一之后如何进一步实现强电弱三者的统一，物理学家们又开辟了一片疆土——量子色动力学（QCD）。QCD是描述夸克、胶子之间强相互作用的标准动力学理论，其本质仍然是Yang-Mills理论的一个应用，对应的规范群是SU(3)群。而前面提到的色荷——红、绿、蓝三色对应着SU(3)群的基本表示，也就是三种色荷作为一种内部自由度被严格禁闭在SU(3)群内（即色禁闭）。Gell-Mann模型所示意的就是传递强相互作用的8种胶子对应着SU(3)群的伴随表示——不会出现色荷“外泄”。
基于规范场论建立的夸克-胶子模型，需要阐明相互作用（色动力）的基本特性。最基本的特性就是渐近自由（asymptotic freedom）、色禁闭（color confinement）与手征对称自发破缺。
所谓渐近自由，意思是说在能量尺度趋于无穷时，或者等效地说在距离尺度趋于0时，粒子之间的相互作用在低能区会趋于0。这是场的基本特性——既然以场为本描述相互作用，那就当然有这样的性质。这意味着在高能反应中，夸克和胶子之间存在弱的相互作用。科学家们通过对“渐近自由”的研究，意识到夸克和胶子之间的极弱相互作用具有微扰效应，可以导致夸克-胶子形成等离子体。这一理论见解被称之为“微扰论”。很遗憾，后来发现在低能区的相互作用也呈现出很强的非微扰特性，表明微扰论在低能区不再适用。
所谓色禁闭已如前所述。这是一种基于唯象理论的唯象理论，虽然能化解夸克与外部世界无联系的矛盾，但“色禁闭”与我们能直接看到的客观世界到底有什么联系，恐怕仍然是一个迷。
所谓手征对称自发破缺，是相对于无质量粒子模型而言——无质量粒子模型的作用量的手征对称在变换中是保持不变的。但夸克有质量，它会因为具有质量而导致作用量的手征变换不再是保持不变。也就是说，具有质量的夸克会破坏手征对称性。事实上，在凝聚态领域对手征对称自发破缺的研究更广泛、更深入。
（三）
在高能核物理领域有一个所谓的QCD相图。但它既不是按理论模型计算的结果，也不是对实验现象的抽象，而是科学家们的一种“想象图”——大概的意思。
一般认为，通过理论分析和实验研究，相图中左侧部分和中间下部的红圈处应该是可以被确定的。从理论角度看，虽然最好的办法是根据量子色动力学直接计算，但存在数学上的困难，相图中左侧红圈里的数据其实是利用计算机模拟计算所得到的，是否可信还需要讨论，或者说目前还说不清楚；从实验上看，主要是通过重离子对撞，把重原子核（比如金核）加速到特定能量进行对撞。“RHIC-STAR”（大型国际合作组）利用美国布鲁克海文国家实验室相对论重离子对撞机（RHIC）开展STAR实验，所获得的数据已在相图中示出。但是，RHIC实验主要是搜寻相图的高温低密部分，对撞的核子平均能量高，但化学势（可以理解为重子数密度）小，在这部分没有观察到科学家们想寻找的相变临界点。至于STAR实验的数据在“想象图”中到底是什么物理意义，作为旁观者当然不知道；而当事者是否知道，对于旁观者来说，也不知道。
在重离子对撞中，核子碰撞后系统的演化图
除了研究QCD相变外，高能核物理还有一个试图对核子（质子和中子的统称）结构进行“重整化”的研究。比如质子究竟是由什么构成的，按照标准模型无非就是三个夸克（uud）——两个上夸克（up quark）、一个下夸克（down quark）。其实，质子的这一结构模型就是在SLAC(?)上最早发现质子不是点粒子之后才提出的。有了质子的基本图像，就需要解释质子的性质。电荷问题好说，可以将组成质子的三个夸克的电荷分别设计为两个2/3+ 和一个1/3-，但要解释质子自旋遇到了困难。质子自旋（即角动量）是1/2，起初都以为质子的角动量来自于两个自旋平行的夸克和一个自旋反平行的夸克，然而根据后来的电子与质子散射实验，表明构成质子的三个夸克仅对质子自旋的角动量贡献了一小部分。于是乎质子自旋的起源问题成了一个迷，也就是所谓的“自旋危机”。
主流理论当初相信质子的自旋来源于夸克的自旋，但随着研究的深入，人们发现电子与质子的高能对撞会产生各种各样粒子，这些粒子明显含有uud以外的其它种类夸克。这意味着真空的性质远不是那么简单，也许核子内部的真空宛如一锅汤，不断有正反夸克对的产生又湮灭以及胶子劈裂又重组。这一概念的形成使得科学家们不得不要考虑既有夸克模型的准确性、完备性问题。对于那些（被认为的）成对出现又湮灭的正反夸克，研究者将其命名为海夸克（sea quark）——拓展“狄拉克海”的命名，而对于在碰撞实验中能对外表现出来的夸克（即uud）则称之为价夸克（valance quark）。这就是在说，当初的加速器因受限于技术和能量水准，电子能量低，其德布罗意波波长没有达到让价夸克“露面”的尺度，现在的实验技术手段发展了，可以观察到“露面”的夸克（至于如何命名是一个学术流派问题，不属于概念性的本质问题），因而对核子结构有了新的认识和理解。下图形象地展示了这种认识的变化。
关于质子自旋来源的认知变迁：左边是1980年代时最初的认识，即质子自旋单纯来自三个夸克的自旋极化。右边的示意图表示了现代的物理图像。质子自旋来源复 杂：包 括价夸 克、海夸克和胶子的极化与轨道角动量贡献。
深度非弹性散射示意图
其实直到现在，人们对质子内部结构的了解还远不足以解释其自旋，因为要测量质子内部各种夸克、胶子的极化和轨道角动量十分困难。截至目前，研究得比较精确的仅有夸克的一维分布的概率密度，即质子中每种夸克所具有的动量占质子总动量（仅质子运动方向）的份数的密度分布（即PDF，称为部分子分部函数），而且，这仅仅是质子自旋没有极化情况下的结果。另一方面，因为虚光子（探针）动量不同，分辨率也会不同，PDF也会随着观测精度而变化。
至于夸克的极化部分子分布函数究竟如何？由于极化质子的实验数据相比非极化实验较少，科学家们目前还心中无数。因此，很多人冀望于建成电子离子对撞机，用电子和质子的对撞来研究可能达到的精度。
总之，标准模型也好，重整核子结构也好，这都如同要了解地球内部结构一样，我们不能遁地观察。
在教科书中有一个“地球内部构造示意图”，其实不过也是一个大概意思。你可以静下心来仔细想一想：地球内部有一个厚达2200千米、如同炼钢炉内的滚滚铁水的地曼圈层高温系统，难道你不感到惊恐吗？这一地曼圈层系统是在熵增还是在熵减，或者是熵不变（高温热平衡态）？系统的热传递是不是也被“禁闭”了？这些问题都有现成的理论模型，但实质上我们并不清楚！我们能够做到的，就是搜索我们所了解的所有客观现象或实验现象，看一看有无类似于教科“地球内部构造模型”的客观模型。
菲利普·安德森发表的那篇大名鼎鼎的文章，如果从认识论的角度看，该文的思考理念本身就是自相矛盾的。因为作者相信并坚持还原论，但其论点和论据说明的是物质世界的构成的多样性和复杂性。虽然这没有错，而且是非常有力量的论证。可是，按照还原论就是不可还原的了——因为“多即不同”，你怎样去还原？由此看来，作为科学领域，我们对于物质世界的理解在认识观上也许还存在着某种尚不清楚的缺陷。
因此，关键的关键在于模型理论的概念不能有本质性、方向性的问题。典理论的基础主要是凭“经验”，它可以直接运用于实用工程技术，而标准模型是现代科学前沿的基础理论，按理说它应该、也一定是可以引导或指导包刮物理、化学、生命科学的现代科研全局。如果标准模型在基本概念问题上存在错觉，而我们的认识观又存在缺陷，那么就必须重新洗牌。
（本文是学习笔记，未标注被引文或图片的作者）
联系客服
