揭秘量子世界：一份关于粒子的知识清单

光子盒研究院

古希腊人猜测它可能是空气、火或水；一个世纪前，物理学家确信它就是原子......今天，我们相信，现实的最深层是由各种基本粒子组成的，它们都受量子理论的支配。
量子力学归根结底只是一种物理理论，尽管它非常成功。它精确地描述了事物在最小尺度上的行为方式。然而，“量子”一词却令人回味无穷。量子力学所描述的亚原子粒子和力的无限小领域，以奇异著称：凡人不敢涉足，更不用说理解了。我们被告知，粒子是场，反之亦然，不确定性占主导地位，波函数坍缩了模糊的概率云，从而呈现出我们所熟知的精炼现实。面对这样的启示，我们很容易想到物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）那句“臭名昭著”的名言：“没有人理解量子力学”。

粒子可能是“坍塌波函数”、“场的量子激发”、“庞加莱群的不可约代表”、“振动弦”、“量子比特的变形”......对于任何其他物体，物体的属性取决于它的物理构成：归根结底，取决于它的组成粒子。但这些微粒的特性并非来自其自身的组成成分，而是来自数学模式。作为数学与现实的接触点，粒子以不确定的立足点横跨两个世界

从某种意义上说，所有这些都是对的。但如果因此就得出亚原子世界是禁区的结论，那就大错特错了：恰恰相反，亚原子世界与生俱来的奇异性和其中蕴含的难题恰恰是它令人兴奋的地方。
正是本着“只要放弃直觉，量子世界并没有你想象的那么令人困惑”的探索精神，我们整理、并列出了这份量子领域清单。
——这一次，我们将探寻最小的微观世界。你可以把它想象成一次亚原子野生动物园之旅，或者至少是一本微观世界居民的野外指南。这样，读者们将不仅能发现我们所知道的粒子和力，还能了解它们的奇特行为和支配它们的定律；将见到物理学家认为可以解开宇宙学最大谜团的、令人眼花缭乱的假想粒子，以及他们认为可能在更深层次的现实中发现的一些奇异事物。
我们希望，这会是一次令人兴奋的旅程。

首先，我们知道物质由原子组成，原子的中心是质子和中子。但即便如此，它们也不是基本粒子，正如目前粒子物理学的“标准模型”所详细描述的那样，它是我们在最微小尺度上对现实的主要描述。因此，我们要从深层次入手，研究物质到底是由什么构成的。

标准模型。尽管还缺少一些“碎片”，但我们已经确定的粒子集合为所有可见物质和四种基本力中的三种提供了非常准确的描述
1）电子
电子的重量比质子或中子轻约1800倍，对原子整体质量的影响微乎其微。然而，如果没有电子，我们几乎无法感受到物质的存在。这是因为电子带有负电荷，存在于原子核周围的“轨道或云”中：当你触摸某物时，指尖的原子并没有直接与物体中的原子相碰撞。相反，你感受到的是手指中原子核周围的负电子与物体中的负电子之间通过电磁力产生的相互排斥力。
电子在日常生活的几乎所有其他方面也起着主导作用。大体上，当原子结合在固体、液体和气体中时，都是通过电子的转移或共享来平衡电荷并使事物稳定。
所有化学反应——从光合作用到燃烧、从分解到我们的味觉和嗅觉所涉及的微妙反应，都可以归结为电子的重新排列。电子也是电力的载体：电子在晶体管中的微妙操作控制着电流的流动，正是因为有了电子，计算机和许多其他现代技术才得以实现。
2）夸克（上、下）
对于物理学家默里·盖尔曼（Murray Gell-Mann）来说，“夸克”这个词描述的是他在20世纪60年代成功预言的基本粒子，以及结合在一起构成质子和中子的基本粒子。
在这里，夸克有两种类型：上夸克和下夸克，但不要从字面上理解这些标签。区别在于上夸克的分数电荷（即电子电荷的分数）为+⅔，而下夸克的分数电荷为-⅓，而且质量较小。中子包含两个下夸克和一个上夸克；质子包含两个上夸克和一个下夸克，它们都与另一种基本粒子——胶子，粘在一起。计算一下就会发现，这就是为什么质子比中子稍轻，并带有正电荷的原因：正是因为它将负电子束缚在原子核周围的轨道上。
3）中微子
在粒子物理学的标准模型中，电子和中微子被归类为轻子（leptons），这个词来源于希腊语，意为“小”。虽然相对于质子、中子和夸克，电子的质量很小，但与中微子的质量相比，它简直就是一头猛兽：据说中微子的质量要小一百万倍。更重要的是，中微子是电中性的，因此不受电磁力的影响，它是最微弱的物质粒子，在物体中穿行几乎完全不被发现。
你是否注意到，在阅读这篇文章时，数十亿中微子通过太阳核聚变产生，正穿过你的眼球？我们也没有。
不过，中微子确实偶尔会通过弱作用力与物质发生相互作用，这种作用力参与了各种类型的核衰变。但在这些事件中，我们并不总能看到我们所期望的东西。这是因为量子定律允许中微子在不同的味道之间摆动：“电子中微子”可以转化为“μ介子中微子”或“τ中微子（tau neutrino）”。因此，中微子是了解粒子物理学家所说的物质分三代这一奇怪事实的窗口。
4）其他夸克和轻子
对于四种原始或“第一代”基本物质粒子中的每一种，物理学家都发现了不是一种而是两种复制品，它们与原始粒子的区别仅仅在于质量更大。
例如，对于上夸克，较重的复制品是粲夸克和顶夸克；对于下夸克，有奇异夸克和底夸克；对于电子，我们有μ介子和τ介子；对于电子中微子，有μ介子中微子和τ中微子。
1936年发现μ介子时，诺贝尔物理学奖得主伊西多尔·拉比（Isidor Rabi）问道：“这是谁的命令？”物理学家们并没有忘记他的难以置信。这些第二代和第三代粒子中的一些确实很重：顶夸克甚至让强大的希格斯玻色子也相形见绌。
然而，据我们所知，它们在所有其他方面都与它们的前辈完全相同。事实上，它们在宇宙中似乎并没有扮演什么积极的角色；我们只能说，它们让事情变得更加复杂。
以六种不同的夸克为例，除了我们熟悉的质子和中子之外，自然界还存在着150多种复合粒子。我们已经发现了许多二夸克和三夸克的复合粒子，现在又发现了四夸克和五夸克的复合粒子——所有这一切听起来可能只不过是集邮而已。但我们希望，产生这些复合粒子的事件发生率的微小变化能够解释为什么自然界似乎更喜欢物质，而不是反物质。

物质本身是无比枯燥乏味的，是“力”让宇宙运转起来。但是，我们对力的现代理解并不像经典概念中的一坨东西对另一坨东西施加作用；相反，我们知道有四种基本力，它们本身由不断被物质发射和吸收的粒子组成。

力如何起作用？从根本上说，力是通过载力粒子的交换而起作用的
1）光子和电磁力
电子是日常物理学中的一种物质粒子，它与电磁力的载体——光子，合作。当两个电子相互排斥时，它们会向相反的方向反冲，其中一个电子发射光子，另一个电子吸收光子。
原子电子的排列赋予了材料颜色，而材料对光子的吸收和再发射则将其颜色传递给我们眼睛的视网膜。光子还可以在化学反应中使电子的重新排列成为可能，因为光子可以输入能量或带走能量。有时，我们看到的光子是可见光，例如燃烧反应中产生的火焰。能量更低的光子构成了辐射波，而能量极高的光子则构成了同样看不见但却危险的紫外线、X射线和伽马射线。
2）胶子和强核力
强核力将质子和中子内部的夸克维系在一起，它是由胶子传递的——不用猜也知道它的名字是怎么来的。
胶子通过夸克特有的一种被称为“色荷”（colour）的东西起作用，这是一种特殊的量子特性。在相互作用中，一个胶子可以改变一个夸克的色荷，但如果它改变了，另一个胶子也会改变相邻夸克的色荷，因此白色仍然是它们的总体混合色。例如，质子的三个夸克在某一时刻可能是红色、蓝色和绿色；而在另一时刻，它们可能是绿色、蓝色和红色。没人说粒子物理学很简单。胶子有如此强大的控制力，以至于夸克从未被单独观测到。
这也意味着胶子蕴藏着巨大的能量，通过爱因斯坦的质能等效理论，能量转化为巨大的质量。事实上，原子的绝大部分质量不是来自夸克和电子，而是来自胶子。
3）W、Z玻色子和弱核力
W玻色子和Z玻色子与光子和胶子不同，光子和胶子没有质量，以光速飞行；而W玻色子和Z玻色子速度很慢，甚至在与铁原子的对抗中也会处于下风。然而，与光子和胶子相比，W玻色子和Z玻色子对其他粒子的影响要微弱千亿倍。这是因为，在量子物理学中，质量并不等同于强度，而是等同于范围，或者说是缺乏范围：弱力的范围大约为10^-17到10^-16 m。
尽管如此，它们仍然可以产生强大的后果。在太阳中将氢聚变成氦的过程中，氢的质子中的一个上夸克变成了下夸克，将质子转变成了中子：这是必要的一步，因为氦与氢不同，除了需要中子，还需要质子。就这样，不起眼的W玻色子让太阳继续发光，也让地球上的生命和你我成为可能。
4）希格斯玻色子
质量不是一个简单的概念。我们倾向于把它等同于重量，但它实际上是引力吸引力的度量，尽管重量和质量这两个词经常被交替使用。质量的正确定义与惯性有关，惯性是指物体在受到给定力时抵抗加速度的程度。自行车有一定的惯性质量，而50辆货运列车的惯性质量更大。
希格斯场以理论家彼得·希格斯（Peter Higgs）的名字命名，希格斯场是赋予粒子惯性质量的原因。希格斯场既不是物质力，在量子场中也是独一无二的，它在空间的所有点都具有有限的强度，即使在真空中，当没有足够的能量让它的粒子表现形式——希格斯玻色子，出现时也是如此。物质粒子以及弱相互作用中的W玻色子和Z玻色子，都在不同程度上被希格斯场有效地捕获，从而获得惯性质量。否则，它们将是无质量的，也不会移动、 就像光子和胶子一样，以光速运动。
围绕着希格斯粒子还有许多问题：它能否与自身发生相互作用，从而获得自身的质量？是否只有一种希格斯玻色子，还是存在更多的希格斯玻色子，也许它们构成了暗物质，这种神秘的东西使得星系不会飞散？如果它的质量再大几倍，原子核就会失去平衡，氢就会成为唯一稳定的元素，宇宙就会变得非常平淡无奇。
更糟糕的是，根据理论计算，希格斯场并不一定处于它最脆弱的状态。在某一时刻，它可能滑入一个更稳定的配置，其强度不是几倍，而是数十亿倍，瞬间就会把我们这个有序的宇宙搅乱。
这将是一个纯粹的随机事件，它基于一种被称为量子机械隧穿的现象，在这种现象中，粒子可以跨越一个似乎无法逾越的能量障碍。幸运的是，据预测，这样的事件每五戈尔（10^100）年左右才会发生一次。

已知的粒子大约有30种，这取决于如何计算它们。但现在我们必须进入未知领域：这一领域包括那些被提出来、以解决我们尚未完全理解的问题的假想粒子丛，从万有引力和宇宙大爆炸，到神秘的暗物质和暗能量的存在。
1）引力子（Graviton）
引力本身并不是问题：它是第四种基本力，也是唯一一种家喻户晓的力。但它的力载体——引力子，仍然是假想的。这一方面是因为没有人确信引力可以被量化，另一方面是因为，即使引力可以被量化，它的量子粒子也很难被探测到。
这是因为引力微弱得令人痛苦。地球产生的引力场强大到足以让我们的双脚在大部分时间里都站在地面上，但即使是儿童，每次跳跃时也能瞬间摆脱它的牵引。这个引力场必须非常强大，才能显示出一个引力子。
有多强？那么，物理学家们已经设想过将一个具有木星质量的引力子探测器。中子星的密度是出了名的大，因此，它可能是除黑子之外最大的引力源。他们预测，这个探测器可以每10年记录一个引力子。
3）膨胀子（inflaton）
我们观测到的宇宙出奇地均匀。在最宏大的尺度上，一片天空看起来与另一片天空非常相似：恒星和星系形成了一个连续的图案，几乎就像它们在大爆炸的膨胀过程中均匀分布一样。但根据爱因斯坦的特殊相对论，这是不可能的，因为这需要信息的传播速度超过光速。
也许我们看到的宇宙只是 一个原始超级宇宙的小点，一个 这个小点在短暂的瞬间膨胀得比一般的膨胀速度快得多。我们的宇宙就像被数字图像的一个像素炸开一样，充满了一个同样平淡无奇的空间。在这种想法中，这种宇宙膨胀是由一种被称为“膨胀子”的粒子驱动的。它具有与希格斯玻色子相同的一些特征。
事实上，一些理论家认为希格斯玻色子可能就是“膨胀子”，尽管它在早期宇宙中的表现会非常不同。

138亿年前，所有的物质和能量都是在宇宙中形成的
4）第五元素（Quintessence）
20 世纪中叶之前流行的“稳态理论”认为空间本质上是不变的。所有观测结果都表明，宇宙曾经发生过大爆炸，从那时起，空间一直在膨胀。
许多物理学家认为，早期曾有过一次特别快速的膨胀，被称为宇宙暴胀。现在，空间膨胀似乎又在加速，尽管比早期宇宙膨胀的速度要慢得多，这都归功于一个神秘的实体——暗能量。
没有人知道暗能量是什么，物理学家们也在努力准确地找出它的行为方式，因为它的影响需要数十亿年的时间。尽管如此，还是有几个可能性：一是除了已知的四种基本力之外，还有第五种力，或称“第五元素”。
相关粒子没有名字。我们所知道的是，从必然性上讲，第五元素必须比万有引力更弱，所以我们很难看出如何能探测到其中一种粒子。
5）弱相互作用大质量粒子（WIMP）
人、行星、恒星......这些只是宇宙物质的一小部分。事实上，宇宙中的物质一定比我们所能看到的多至少五倍，否则星系就不会产生足够的引力来阻止自己飞散。暗物质是看不见的，因为它不吸收也不反射光线。它与可见物质的相互作用一定很微弱、 否则我们早就探测到它了。

可见物质只占宇宙总能量的一小部分，其余的都是暗物质和暗能量
弱相互作用大质量粒子（WIMPs）似乎符合所有条件，长期以来，它们一直是被看好的暗物质候选者，但是，尽管有这么多挑逗性的暗示，它们却从未被发现过。
6）轴子
也许暗物质根本就不是由物质粒子组成的，而是力的载体。
根据这些标准，赌徒们最看好的是轴子。轴子以一种洗涤剂的品牌命名，最初是为了解决一个不同的问题：为什么强力会以完全相同的方式影响夸克和反夸克，而基本理论却允许它们有不同的质量？
这个负离子场将在强力中加强平衡，就像天平上的一根手指。如果粒子也能解决暗物质问题，那就更好了。
7）不育中微子（sterile neutrino）
可以说，暗物质最简单的候选物质就是只会增强星系和其他大型结构引力的中微子。与已知的同类（电子、μ介子和头中微子）不同，不育中微子对弱作用力无动于衷，或者说“不育”。
它将通过引力相互作用，而且仅仅是引力，悄无声息却又坚定地使星系保持完整。那么，大量的不育中微子就很容易成为暗物质，或许还能解决其他一些问题。它们的磁场可能与已知的中微子的磁场混合，从而解释了为什么这些中微子的质量很小，但却很微弱。
由于不育中微子会衰变产生比反物质更多的物质，它们可以解释为什么我们的宇宙以物质为主。
8）暗光子
如果暗宇宙和我们的宇宙一样复杂呢？这些都没有证据，但我们还是试图去想，暗物质并不只是一些无用的圆球。这将使暗物质粒子在一个封闭的群体中相互影响。
如果暗物质粒子存在，那么暗光子的后果将是非常诱人的，因为正常光子可以产生令人难以置信的多种现象。例如，它可以把暗物质粒子结合到原子中，或者成为暗化学的基础。

至少有四种基本力，但为什么是四种呢？有充分理由认为基本力的差异只存在表现上。长期以来，电和磁被认为是两种不同的力，直到物理学家麦克斯韦在19世纪60年代证明了电磁学。
然后，从1950年代开始，电磁力和弱作用力开始被视为一种现象，尽管只有在大爆炸后10亿分之一秒的自然界能量中才能结合在一起。计算表明，在更大的能量下、也就是更接近大爆炸的能量下，电弱力和强力的强度是相同的。
因此，理论家们怀疑这两种力也可以结合成单一的力，用一种大统一理论来描述。这些理论大多产生所谓的“超粒子”（Sparticles）。那么引力呢？第四种力在量子理论中很难被接受，因为它与时空紧密相连，而时空正是粒子开展活动的舞台。
事实上，物理学家们希望它们将成为单一的、统一的力的一个方面：一套描述宇宙万物行为的通用方程。成功与否取决于能否将20世纪最伟大的两大物理理论：量子理论和爱因斯坦的万有引力理论重新统一起来。是时候冒险进入最深的未知世界了。
包含万有引力的“万有理论”通常认为，粒子是实体的外衣，而实体则是万有引力的内核。更基本、更令人费解的实体的外衣 更基本、更令人费解的实体的外衣、 比如弦或环。

1）X玻色子和轻夸克
结合电磁力和弱力为我们预测希格斯玻色子的存在提供了理论基础，这种转换必须通过新的载力粒子——即X玻色子和轻夸克来实现。
2）超粒子（sparticle）
从粒子物理学的角度来看，物质和力的区别仅仅在于物质粒子占用空间，而力粒子不占用空间。然而，几十年来，物理学家们一直在研究一种更深层次的“超对称”理论，它把物质和力看成是同一枚硬币的两面。该理论认为，每个已知的物质粒子都有一个相应的、更重的力粒子，反之亦然。例如，夸克的力伙伴是重“夸克”，而胶子的物质伙伴是重“胶子”，以此类推。
长期以来，超对称一直被视为一种潜在的大统一理论。问题是，世界上最大的粒子粉碎机——位于日内瓦附近欧洲核子研究中心的大型强子对撞机，并没有发现超对称的证据。
3）磁单极
每块磁铁都有南北两个磁极。仔细想想，这也很奇怪。电极通常也是成对的：正极和负极，然而，通过把电子集中在一个地方或把它们带走，也有可能单独产生一个负极或正极。磁性与电有关，它们都受磁场的支配；那么，为什么我们不能产生磁单极？
物理学家保罗·迪拉克是第一个 是最早提出磁单极子可能存在的物理学家之一，几十年后，物理学家们才带着信念重新审视它们。如果我们要在单一的万物理论中囊括所有的自然力，它们就必须存在；只不过，我们尚未找到它们。
4）弦
最著名的万物理论竞争者——弦理论，认为自然界最基本的东西不是点状粒子，而是振动的弦。
所有这些弦都是由同一种物质构成的，但弦的振动模式决定了它表现为哪种粒子。就像琴弦可以表现出不同的音调一样，粒子弦可以“听”起来像夸克、电子、光子或当前标准模型中的任何其他粒子。它甚至可以像最难以捉摸的力载体——引力子，一样振动。问题在于，弦需要在11维空间中振动。
支持者说这并不像听起来那么天马行空，因为额外的维度可能在弦周围微微卷曲，以至于我们无法探测到。不过，弦理论在最近几年还是受到了一些质疑，因为它充当了超对称性及其众多后代的“主理论”，而这些后代都没有被发现。
5）圈量子引力论
另一种被称为圈量子引力的理论的出发点是，不能像对待其他三种力那样对待第四种力：从某种意义上说，它更为基本。
因此，这种理论纯粹侧重于调和量子物理学与万有引力。时空本身具有类似原子的结构，具体来说，它认为时空以有限的环形结构存在，这些环形结构紧紧连在一起，创造出一个新的现实舞台。
圈状量子引力还有很长的路要走，我们所知道和描述的粒子物理学标准模型中的所有知识在做出可检验的预测方面，并不比弦理论好多少。
6）扭量理论
扭量理论可追溯到20世纪60年代，是万物理论中的“弱者”。它是诺贝尔奖得主罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）的心血结晶，更不用说其他领域和粒子了，只是由因果链条构成的更深层次现实的表象。
虽然因果链本身永远不会被打破，但其中事件的表面位置和时间 事件发生的位置和时间是可变的，因此，对它们的完整描述是宽泛而扭曲的。
如果这听起来令人困惑，那你就大错特错了。扭量理论在概念上是如此困难，以至于连彭罗斯在接受采访时都避而不谈。不过，尽管几十年来它一直不受欢迎，近年来却经历了一次复兴：理论家们发现了它与弦理论之间耐人寻味的联系。

量子力学以一些令人匪夷所思的说法而闻名，比如猫既是死的又是活的，电子和质子以及亚原子世界的其他生物既是粒子又是波。这些说法令人困惑。不过，利用量子世界的现代理念，我们还是有办法设想出究竟发生了什么。
量子力学提出了亚原子实体（如电子和光子）同时具有波和粒子特性的观点。传统量子力学使用波函数（一种数学结构）来计算粒子可能相互作用的概率。然而，现代量子场论认为，空间中充满了每种已知亚原子粒子的场，粒子在这些场中可视化为局部振动。然而，当使用更现代的量子力学思想时，情况就变得更加物理化了。描述粒子的现代理论的名称是“量子场论”。现代量子场论假设空间充满了一系列场。每一种已知的亚原子粒子都有一个场。例如，有电子场、光子场等等，甚至还有夸克场。
根据这一理论，电子不过是电子场中的一个波包。波包的含义与传统量子力学中的波包含义相同：也就是说，如果对波函数（代表波包）进行平方，结果就是在该位置检测到电子的概率。
——毫无疑问，现代物理学理论可能复杂地难以想象。
然而，一旦你接受了粒子只不过是几个相互作用场中的局部振动这一观点，你就会对量子世界的运行方式有一个相当准确的认识。对粒子的这些理解的真正精妙之处在于，它让我们对粒子如何在量子水平上运作有了一个更为深刻的心理描绘。
参考链接：[1]https://www.quantamagazine.org/what-is-a-particle-20201112/[2]https://bigthink.com/hard-science/quantum-particle/[3]https://www.newscientist.com/article/2367423-the-quantum-world-a-concise-guide-to-the-particles-that-make-reality/

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