弱相互作用究竟做了什么
手可以推开门，磁铁可以吸住铁。所以听到“弱力”，我们很容易想到一股比较小的推力。可是它最重要的作用之一更特别：中子可以变成质子，同时出现新的粒子。弱相互作用是粒子彼此影响的一种基本方式：它允许特定的粒子种类转换，也允许特定的散射。接下来我们把这句话中的意思一点点拆开。
普通物质里有哪些组成部分，会在弱相互作用中改变？我们从物质的结构找起，把变化前后的画面放在一起比较。核对电荷，观察多出来的粒子，就能逐步看清这次相互作用做了什么。过程中用到的新粒子名称，也会在对应的变化旁解释。这一页默认你已经在「标准模型」和「强相互作用与胶子」两页见过电子、中子和夸克；第 2 章会直接用上、下夸克的电荷来核对中子的总电荷。
1. 物质里面，什么可以发生变化？
材料由原子组成。原子中间有很小的原子核，周围有电子。原子核里有带正电的质子；除了普通氢之外，也有总电荷为零的中子。电子带负电。电荷是决定物体怎样参与电吸引与电排斥的一种性质，“正”和“负”表示它的两种符号。
当原子共享或转移电子的方式改变时，就可能发生化学变化；各原子核的质子数通常不变。质子数决定元素种类，例如碳的原子核有六个质子。所以，如果原子核里的一个中子变成质子，元素种类就可能改变。这与重新排列化学键，是不同层次的变化。
沿着一个选中的部分看进去
按顺序选择步骤。金色始终圈出下一幅图要放大的部分；图上方保留来源路径，避免换了画面就不知道它来自哪里。
一块碳里有许多原子。金色圈选中一个原子，后面我们一直跟着它看。圆点只是位置示意，不是照片，也不按真实比例绘制。
现在我们到了中子的内部，看见组成它的夸克，也就是比质子和中子更小的粒子。“上”和“下”是两种夸克的名称，不是说它们朝哪个方向。目前实验还没有在夸克和电子内部发现更小的组成部分，所以把它们叫作基本粒子。中子和质子有内部组成，因此属于复合粒子。
2. 为什么换一种夸克，电荷就变了？
相加之前，我们先统一电荷单位。用 表示质子电荷的正值大小。电子的电荷是 ，所以以 为单位，质子记作 ，电子记作 。这里单独的字母 表示单位大小，而带负号的 表示电子这个粒子。
上夸克贡献这个单位的 ，下夸克贡献 。这些是理论采用并由实验检验的粒子性质，不是从这幅图猜出的分数。中子的三个净夸克贡献中，有一个上夸克、两个下夸克。分母相同，所以我们把分子相加，分母保持不变。
把三个部分的电荷加起来
这两个按钮比较两种组成，不是在触发真实衰变。让前两个夸克保持不变，观察圈出的第三个；它的名称、颜色和电荷贡献会一起改变。
总电荷：0e$。每个夸克本身都有电荷，可是相加之后正负刚好抵消。
现在只看变化的那一份。旧贡献是 ，新贡献是 。用新值减去旧值，就得到增加量；减去负数等于加上它的相反数，所以增加量恰好是一个完整的电荷单位。用 表示这个改变量，其中 以 为单位。
电荷守恒的意思是：一个事件发生前后的总电荷相等。这是经过实验检验的守恒规律，我们把它作为出发点。因此，只写夸克的变化还不是完整过程；还必须有别的部分带走抵消它的负电荷。
3. 中子不是藏着一个等待逃出的电子
一个自由中子可以衰变成一个质子、一个电子和一个电子反中微子。“衰变”是说不稳定的状态转变成另一组允许的粒子，不是说中子慢慢腐烂，也不是只把原本藏好的小零件拆出来。这叫 负衰变，因为放出的 粒子是带负电的电子。
中微子是不带电、与普通物质很少发生相互作用的基本粒子。反中微子是它对应的反粒子。“反”不是带负电的意思，两者的电荷都是零。 右下角的小 表示电子家族，并不是说里面装着一个电子。
拆开查看一次中子的 β 衰变
左栏一直保留原来的中子，讲到产物时右栏才出现。金色在两栏中标出同一个被选中的夸克位置。这些是解释步骤，不是拍到的衰变录像帧。
变化前：中子
总电荷，以 为单位
继续跟着选中的部分
第 3 步会显示产物。我们先认清究竟是哪一份贡献发生变化。
起点是一个自由中子，不是整个原子。它的净组成包含一个上夸克和两个下夸克。这张组成表里没有事先藏着一个电子或反中微子。
电荷核对说明电子的负电荷为什么合适，却不能单靠它预言反中微子：电荷为零这一点，无法告诉我们到底有没有额外的中性粒子。我们还需要别的守恒规律与实验观察。电荷守恒也不能单独决定一种衰变能否发生；初态必须有足够的能量，还要满足其他相关守恒规律。
束缚在原子核里的中子，不一定与自由中子有相同的变化可能。我们必须比较整个初始原子核与整个最终体系的能量。因此，开头用来放大结构的稳定碳原子核，不会被画成每个中子都必然要衰变。
4. 为什么说这是弱相互作用？
在日常力学中，力常常改变物体的运动。在粒子层面，相互作用还可以改变有哪些粒子存在。弱相互作用是一组描述某些转换与散射过程的基本规律。把它叫作“力”，不代表有一支小箭头把下夸克推着推着就推成了上夸克。
被实验支持的量子理论使用场，也就是在整个空间与时间上定义的物理量，描述粒子及其相互作用。弱相互作用涉及的场，其粒子激发叫作 、 和 玻色子。W 可以带正电或负电，Z 不带电。“玻色子”是量子粒子的一种分类；这里需要抓住的是这些场怎样联系参与变化的物质粒子。
对于中子的 衰变，我们可以沿 W 连接把电荷记账分成两边：夸克一侧从下夸克变为上夸克，轻子一侧产生电子与反中微子。“轻子”是电子和中微子所属的粒子家族。下面两行分别核对两个连接处的电荷；它们属于同一个量子过程，不是先后发生、各自可以单独观测的两次衰变。
上的星号表示虚 W，也就是量子计算内部的一项贡献。它不是一枚带着通常测得的静止质量、自由飞行的 W。中子可用的能量不足以产生那样的真实 W。整个过程始终满足能量守恒，不需要说先“借用”一笔能量。画出 W 连接可以帮助我们整理允许的相互作用，但不是中间物体的照片。
碰撞能量足够高时，可以产生真实的 W 和 Z，并测量它们的衰变产物；CERN 的实验在 1983 年做到了这一点。这些观察与大量散射、衰变测量一起检验记账背后的理论。电荷方程平衡，是必要的核对，但不等于证明了完整的弱相互作用理论。
5. 弱相互作用不总是在改变粒子种类
W 连接可以在参与的部分之间转移电荷，因此这一类过程叫带电流过程。这里的“流”是相互作用理论中的名称，不是家用电线里的电流。Z 连接不转移电荷，对应中性流过程；它可以改变粒子的运动，而保持粒子种类不变。
粒子的种类一定要改变吗？
选择一种相互作用，显示出去的粒子，与进入的粒子比较。上排从紫色中微子开始；下排在第一个例子中从蓝色中子开始，在第二个例子中从绿色电子开始。出去的质子为桃色，电子为绿色。连线表示进入与出去的种类如何对应，不是实测轨迹。中性流例子使用 子中微子，它是中微子家族的另一种成员，方便我们辨认 交换过程中哪些种类保持不变。
准备好后再显示。
这一区别告诉我们，“弱力把一种粒子变成另一种粒子”是有用但不完整的说明。β 衰变是重要例子；中微子通过 Z 连接与电子散射是另一个例子，后者出去的粒子不必更换名称。CERN 在 1973 年观察到的中性流，是这一分支的重要实验证据。
为什么叫“弱”？在许多低能过程中，它的效应比电磁或强相互作用受到更强的压低。W 与 Z 的大质量，是这种压低和短程作用的重要原因。这不是对所有事件都适用的统一强弱排名；效应大小还取决于能量、粒子及哪些过程被允许。中微子可以在两次稀少的相互作用之间走很远，但这段路程不是一次弱相互作用的作用范围。
6. 为什么要加上一种常常探测不到的粒子？
衰变中，出去的电子并不总带着相同的能量。如果只测电子和反冲的原子核，就会像是少了一部分能量和动量。逃出的反中微子能够带走这一份。这个解释后来得到进一步实验，包括中微子探测的支持，不是画出第三个圆就算成立。
追踪没有记到的能量
这里先只练习记账。假设在已经计入反冲之后，还剩十个教学单位可以分配。绿色是电子得到的能量，紫色是反中微子带走的余量。保持总量不变，改变电子得到的份额。这些单位与选项是人为的，不是实测能谱，也不是对允许动量的计算。
下面用 表示能量，下标的反中微子符号说明正在计算谁的能量。用固定总量减去电子的份额，就得到这一份。
删去紫色这一项，只会让账上的总量偏小，并不会让能量消失。真实实验还必须满足动量守恒，并计入质子或原子核的反冲。能量记账可以提示存在未测到的粒子，但要认定它是什么，还需要这道减法以外的实验证据。
弱相互作用也参与太阳内部的过程。在太阳聚变链的一条分支中，两个质子最后形成一个含一个质子、一个中子的氘核，同时产生正电子和电子中微子。正电子是电子的反粒子，以我们的单位计，电荷是 。其中的弱过程允许质子转变为中子；最终原子核的束缚状态与整个反应的能量收支都很重要。
氢的符号旁边标出 2，指的就是刚才含两个核子的氘核。左边有两个正电荷单位；右边一个留在氘核中，一个随正电子离开，总量相同。这并不是说一个单独的自由质子可以自发衰变成中子、正电子和中微子；那个孤立过程缺少所需的能量。
7. 把整条解释重新连起来
中子变成质子，一幅图却只画出反中微子离开。它的电荷账本少了什么？
中微子碰撞后仍是同一种中微子，只是运动改变了。能据此排除弱相互作用吗？
为什么不能把普通 β 衰变理解为“中子吐出一枚真实的沉重 W，随后 W 分裂”？
现在可以回到开头的问题。弱相互作用不只是一股微弱的推力；它是一种允许特定粒子转换与散射的基本相互作用，中子 衰变就是其中之一。带电的 分支与中性的 分支，解释了为什么它既能改变组成，也能保持粒子种类不变而改变运动。
资料与继续阅读
上面的图是为解释而构造的教学图。下面的实验室与实验资料支持物理说明，也让你继续查阅证据。
