标准模型

从一滴直径大约一毫米的水开始。它由分子构成，每个分子是一个氧原子和两个氢原子组成的小团，直径大约是千万分之三毫米。每个原子是一个极小而沉重的原子核，周围是电子；原子核比原子小大约十万倍。原子核由质子和中子构成，而质子和中子又各有三个价夸克，这是用来辨认它们种类的夸克计数；胶子以及额外的夸克—反夸克贡献也属于这个束缚系统。沿着下面的阶梯一级一级往下走，看看尺寸。

从水滴到质子，尺寸缩小了大约一万亿倍。电子和夸克就是阶梯的尽头：能探测到比质子还小一千倍尺度的实验，仍然没有在它们里面发现任何组成部分。还要注意，原子的绝大部分是原子核和电子之间的空间。

如果在一个粒子里面没有发现更小的组成部分，就说它是基本粒子。电子是基本粒子。质子不是：从 1968 年在斯坦福开始，人们用能量非常高的电子去轰击质子，发现电子会从质子内部一些又小又硬的点上弹开，就像射向一袋棉花的子弹，会从藏在里面的三颗玻璃珠上弹开一样。这些点就是夸克。

普通物质只需要两种夸克，叫作上夸克和下夸克，写作 $u$ 和 $d$。它们的电荷是质子电荷的分数：上夸克是 $+\tfrac{2}{3}$，下夸克是 $-\tfrac{1}{3}$。电荷直接相加，所以我们可以核对原子核里的两种粒子：

在下面自己试着搭粒子。选三个夸克，得到一个重子（质子和中子所属的家族）；或者选一个夸克和一个反夸克，得到一个介子（反夸克在第 7 章解释；现在只要知道反夸克的电荷和对应的夸克相反）。你能搭出的每一种组合，电荷都是整数：分数电荷从来不会单独出现。

表里的每种粒子都属于两大家族之一，分界线是自旋。在自旋那一页我们看到，电子表现得好像自带一份固定的转动量，即角动量；沿你选择的任何方向测量，它总是 $+\tfrac{1}{2}\hbar$ 或 $-\tfrac{1}{2}\hbar$，我们说它的自旋是 $\tfrac{1}{2}$。自旋是半整数（$\tfrac{1}{2}, \tfrac{3}{2}, \ldots$）的粒子叫费米子；自旋是整数（$0, 1, 2, \ldots$）的粒子叫玻色子。

两大家族在「人多」的时候表现得非常不一样。两个相同的费米子永远不能处于完全相同的状态，这是泡利在 1925 年发现的规则，叫作不相容原理；它来自更深的量子理论，这里我们直接接受它。玻色子没有这样的规则：任意多个相同的玻色子可以共处同一个状态，而且它们还倾向于这样。在下面分别用两种粒子去填能级，比较一下。

这种差别塑造了世界。因为电子是费米子，原子里的电子不能全都挤在最低的能级上，而要占据不同的轨道。每个空间轨道最多容纳两个自旋分量相反的电子，但同一个能级可以包含多个轨道。正因如此，各种元素才有不同的化学性质，物质才会占据空间。受激辐射可以让大量光子进入同一种光学模式，这帮助我们理解激光；但不能因为光子是玻色子，就说每束光都是激光。在标准模型中，构成物质的粒子，也就是夸克和轻子，是费米子；传递力的粒子是玻色子。

夸克有六种，叫作六种「味」：上、下、粲、奇、顶、底。其中上、粲、顶三种带电荷 $+\tfrac{2}{3}$；下、奇、底三种带 $-\tfrac{1}{3}$。它们的质量相差悬殊：上夸克大约有四个电子那么重，而顶夸克大约和一整个金原子一样重。普通物质里只有上夸克和下夸克；其他几种出现在宇宙射线和加速器的碰撞中，并在极短的时间内衰变掉。

夸克还带着第二种荷，它是强力的来源，就像电荷是电力的来源一样。这种荷有三种，取名为红、绿、蓝，但它和真实的颜色毫无关系；取这些名字，是因为三种合在一起成为「白色」，正好描述一条规则。可单独观测到的强子是色中性的量子组合。最简单的价夸克组成是：三个夸克各取一种颜色（重子，比如质子），或者一个夸克加上一个带相反颜色的反夸克（介子）。从来没有人看到过单独的夸克。要把介子中的夸克与反夸克拉开，需要的能量太大，大到会由这份能量产生出一对新的夸克和反夸克，结果得到的是两个介子，而不是自由的夸克；强相互作用那一页展示了这一点。

构成物质的另一族粒子是轻子，它们完全不受强力作用。带电的轻子有三种，电荷都是 $-1$：电子、μ子和 τ子。μ子在各方面都像电子，只是重了大约 $207$ 倍；它大约在百万分之 $2.2$ 秒内衰变，正是这个寿命让光速不变那一页里的 μ子成了那么好的钟。τ子更重，大约是电子的 $3480$ 倍。

每种带电轻子都有一个完全不带电的伙伴，叫中微子：电子中微子、μ子中微子和 τ子中微子。中微子只受弱力（以及引力）作用，所以几乎不和任何东西发生作用。太阳中的核聚变每秒钟向地球上每平方米（朝向太阳的面积）送来大约 $6 \times 10^{14}$ 个中微子，白天黑夜都一样，而且几乎全都直接穿过地球。它们的质量小到目前只知道上限，不到电子的百万分之一。

把构成物质的粒子排成一张表，一个规律就出现了。上夸克、下夸克、电子和电子中微子组成第一代。第二代（粲夸克、奇夸克、μ子、μ子中微子）具有相同的电荷规律，其中夸克和带电轻子更重。第三代（顶夸克、底夸克、τ子、τ子中微子）再次重复这个电荷规律，夸克和带电轻子又更重。普通原子主要由第一代物质粒子构成；较重的带电粒子会迅速衰变。中微子的味态是质量态的混合，所以不能给每种味指定一个确定质量，也不能把代的排列直接当作中微子的质量次序。大自然为什么把这个规律重复三遍，是这一页最后那些未解之谜之一。

每一种构成物质的粒子都有一种反粒子，质量相同，电荷相反。电子的反粒子是正电子，电荷 $+1$，1932 年由安德森在宇宙射线中发现。反夸克的电荷是 $-\tfrac{2}{3}$ 和 $+\tfrac{1}{3}$，颜色也相反，介子的颜色就是这样抵消的。粒子遇到它的反粒子时，两者可以一起消失，它们的能量变成别的粒子：静止的电子和正电子会变成两个光子。医院的 PET 扫描用的正是这个过程。还有一个谜：今天的宇宙里几乎没有反物质，可物理定律对两者几乎一视同仁。

一个粒子怎样推或拉另一个粒子？在标准模型里，每一种力都由粒子之间交换的玻色子来传递。一个粗略的图景：两个滑冰的人来回扔一个重球，会互相推开，每扔一次，都把动量从一个人带到另一个人那里。这个图景有明显的局限：它能解释推，却解释不了拉；真实的交换是一种量子过程，并没有一个球沿着路线飞过去。但主要的想法是对的：力来自交换传递力的粒子。

标准模型里有三种力，各有自己的传递者。电磁力由光子传递，光子没有质量、不带电，所以电磁力作用得很远。强力由八种胶子传递，胶子没有质量，但自己带着颜色，所以胶子之间也互相吸引；正是这一点把夸克禁闭了起来。弱力由 $W^{+}$、$W^{-}$ 和 $Z$ 玻色子传递，它们非常重，分别约为质子质量的 $86$ 倍和 $97$ 倍，正因为这么重，弱力只在比原子核还小得多的距离内起作用。引力不在标准模型里；有人提出了传递引力的粒子，叫引力子，但从来没有被观测到。在这一页最后那张表上点按钮，看看哪些粒子受哪种力作用。

弱力能做一件其他力都做不到的事：把一种味的夸克或轻子变成另一种。它最著名的作品是 β 衰变。一个自由中子大约能存活十五分钟，然后变成一个质子、一个电子和一个反中微子。在下面从夸克的层次一步一步地看。

相互作用图中，一个下夸克变成上夸克，使价夸克组成由 $udd$ 变为 $uud$。一个虚的 $W^{-}$ 把这个改变与电子—反中微子对联系起来。中子的能量远远不足以产生真实的在壳 $W$ 玻色子，因此这个中间符号属于量子计算，不表示借来能量后短暂出现的重粒子。下面分开两个相互作用顶点，是为了逐处核对电荷，不是把它们当作连续拍到的照片。用第 2 章的分数计算：

为什么是一个反中微子，而不是什么都没有？20 世纪 20 年代的实验发现，β 衰变放出的电子能量各不相同，好像有一部分能量不见了。1930 年，泡利提出存在一种看不见的中性粒子，带走了剩下的能量；1956 年，人们在核反应堆旁边探测到了它。还有一条计数规则：轻子数减去反轻子数保持不变。衰变前一个都没有；衰变后有一个电子和一个反中微子，$1 - 1 = 0$。

W 和 Z 玻色子为什么有质量，而光子没有？夸克和轻子的质量为什么相差这么大？标准模型的回答是希格斯场：它充满整个空间，即使在真空里也有一个恒定的值。和它相互作用的粒子获得质量；相互作用越强，质量越大。光子和胶子不会从这个真空值获得质量；这不表示它们不能通过其他粒子与希格斯玻色子发生间接相互作用；顶夸克和它的相互作用最强，所以最重。这个场的波动本身也是一种粒子，叫希格斯玻色子，自旋为 $0$，2012 年在欧洲核子研究中心被发现，质量约为质子的 $133$ 倍。

有一种常见的说法需要纠正：你的质量大部分并不是希格斯场给的。你的质量几乎全在质子和中子里，而质子里三个夸克的质量加起来只有质子质量的百分之 $1$ 左右，正如下面的柱子所示。另外的百分之 $99$，是飞快运动的夸克的能量，以及把它们束缚在一起的胶子场的能量，按照爱因斯坦的能量与质量的关系算作质量。所以，希格斯场给了基本粒子质量，但日常物质的大部分质量来自强力。

这就是整张表：分成三代的十二种物质粒子，四种传递力的粒子，再加上希格斯玻色子。点击一个粒子，可以看到它的电荷、自旋、质量（以质子质量为单位）和发现的年份。用力的按钮点亮受每种力作用的粒子。

标准模型符合大量粒子加速器实验的测量，其中许多经过了高精度检验。可我们知道它并不完整。它没有包括引力。它没有任何一种粒子能充当暗物质，天文学家看到暗物质在拉扯星系，它的量大约是普通物质的五倍。它最初的形式里中微子没有质量，而实际上中微子有很小的质量。它解释不了为什么物质比反物质多得多，为什么有三代，也解释不了各种质量为什么是现在这样的值。物理学家正在寻找一个更大的理论，标准模型只是其中的一部分。