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极简量子力学:一张图看懂什么是玻色子、费米子、希格斯子

大家都知道,量子力学是现代物理学的核心,物理学家对宇宙中“极小构成”的探索一直延续至今。从分子、原子,到组成原子的质子、中子、电子,可能都是很多人所熟知的。

然而,随着各种名称怪异的夸克(上夸克,下夸克、顶夸克、奇夸克等),到中微子、玻色子的发现,还有2012年发现的希格斯玻色子,普通大众就开始云里雾里了,这都是些啥……

如果用非常简单的语言解释,可以概括为:这些粒子的分类和作用,其实是在解释微观量子是如何相互作用、如何黏在一起构成我们所看到的宏观世界的。

基本粒子

简单来说,基本粒子分为两大类,玻色子和费米子。

费米子是构成物质的基本粒子,遵循不相容原理。

玻色子(如光子)作为交换粒子,在粒子之间传来传去,负责产生相互作用力。

自然界中有12种费米子以及对应的反粒子,它们每四种为一代,一共分为三代:

基本粒子分类,左边费米子,右边玻色子

为什么要这么分类,搞这么复杂呢?

要理解这些,需要了解粒子间的相互作用力,而现代物理学就是在统一这些力,完成“大一统”。

四种作用力

万有引力:几乎可以忽略不计粒子交换引力子产生引力。

电磁力:就是带电粒子间的相互作用,把原子约束在一起;是化学反应的基础。

量子电动力学(Quantum Electrodynamics,QED)是解释粒子间电磁作用的理论——粒子通过相互传递光子,来产生作用力。量子电动力学是20世纪40年代由费曼等物理学家创立的,费曼还发明了著名的“费曼图”把粒子间的这种相互作用力画了出来。

费曼的汽车,上面画着费曼图

强相互作用力:束缚着原子核,也就是有质子和中子的部分,使原子核不至于因为电磁力互斥的作用四分五裂;

量子色动力学(Quantum Chromodynamics,QCD)解释了强相互作用力——当夸克互相交换胶子,就会产生强相互作用力。(这些粒子叫做胶子,也是因为他们把夸克黏在了一起)

弱相互作用力:一些放射现象的起因,也是在恒星内部发生原子合成的作用力之一。

弱相互作用力通过交换三种玻色子发挥作用,这个理论预言了希格斯玻色子的存在。

(2017年7月4日,欧洲和研究组织宣布发现了希格斯玻色子。这是继法拉第和麦克斯韦在150年前统一电磁力后,最重大的一次力的统一。)

总结

如果说费米子构成物质,那么玻色子则负责产生它们之间的力:强相互作用力、电磁力和弱相互用力。这也就是基本粒子的标准模型。

图片来自《宇宙观:一场跨越时空的宇宙探秘之旅》

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