"自然的力
不是所有人都有幸用自己的語言說出別種語言的思想。
——雅克·拉康
無論是水果落在地上還是太陽散發(fā)出光芒，無論是我們自己，桌子的平衡站立還是燈絲發(fā)出光亮，抑或是涂濕的郵票緊緊粘住信封，它們的運(yùn)動狀態(tài)都是自然界里各種各樣的力角逐之后的結(jié)果。
根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)，如果一個粒子作用在另一個粒子上，那是因?yàn)閭€粒子所產(chǎn)生的場會在空間中傳播，該場再作用于另一個粒子。但是考慮到量子物理學(xué)，就不得不重新審視這個概念。在量子物理學(xué)的框架下，如果兩個粒子間有相互作用，那一定在這個過程中交換了某些東西，而這東西便是相互作用的特征粒子。換句話說，只有通過第三個粒子的交換才能使兩個粒子之間進(jìn)行相互作用，這在學(xué)術(shù)上被稱為相互作用的“規(guī)范玻色子”。
打一個比方來幫助我們更好地理解。想象湖上有兩只船，船上所有人都沒有能指揮和調(diào)整船運(yùn)行的工具（沒有長槳，沒有短槳也沒有撐桿）。假設(shè)兩條船都朝著對方行使，按這個態(tài)勢發(fā)展兩條船看上去是一定會撞到一起的。真的是不可避免么？也不完全是。因?yàn)槿绻渲幸粋€船員有比較沉的東西，比如球，就可以朝著另一條船的乘客使勁扔過去，這樣一直扔下去，兩條小船便會一點(diǎn)點(diǎn)偏離開。通過這種空間中的媒介，連續(xù)的投擲重球會形成一個排斥力進(jìn)而改變小船的行進(jìn)軌跡。
盡管這是一個不夠準(zhǔn)確還需推敲的例子，但是它確實(shí)讓我們知道一件重要的事情：就好像沉重的球只能在短距離內(nèi)來回投擲，粒子相互作用的范圍也將隨著其介導(dǎo)粒子（即規(guī)范玻色子）的質(zhì)量升高而縮短。
換句話說，如果規(guī)范玻色子的質(zhì)量很大，那么除非兩個粒子離得非常近，否則它們之間不會發(fā)生物質(zhì)交換，即不會有相互作用?；谝陨纤伎妓贸龅囊恍┬再|(zhì)，可以用量子物理學(xué)中完全嚴(yán)格的方式來表示。
宇宙基本的力有哪些？
為了了解他們能夠觀察到的所有現(xiàn)象，物理學(xué)家們只需要引入四種他們認(rèn)為是“基本的”力。它們是哪些呢？當(dāng)然有萬有引力，3個世紀(jì)多以前由牛頓發(fā)現(xiàn)；電磁相互作用，由麥克斯韋在19世紀(jì)下半葉發(fā)現(xiàn)，它體現(xiàn)在日常生活中一些物質(zhì)的內(nèi)聚力；弱相互作用，于1930年代發(fā)現(xiàn)，它控制著某些放射性過程，特別是β放射性；強(qiáng)相互作用—與弱相互作用幾乎同時被發(fā)現(xiàn)—它們穩(wěn)定地將原子核的不同組成部分連接在了一起。
讓我們更仔細(xì)地來看看它們的特點(diǎn)。
首先是萬有引力。正是它讓我們能夠坐下，讓我們在跌倒時會疼痛。但是它也控制著很多其他的現(xiàn)象，從物體的掉落到行星的移動。萬有引力同時也是原始?xì)怏w得以形成恒星的根源，正是它使原始?xì)怏w結(jié)合形成了恒星。也是它使得形成的恒星之間相互吸引，進(jìn)而形成星系。
萬有引力的這種相互作用是吸引作用，且作用范圍趨向于無窮大，就是說兩個有質(zhì)量的物體之間只有當(dāng)它們的距離是無限大的時候，它們之間存在的力才為零。沒有任何屏障能夠消除萬有引力的影響，希望減小或消除萬有引力的嘗試都是徒勞無用的。
萬有引力的強(qiáng)度比其他相互作用要弱得多，以至于我們甚至可以忽略它在粒子層面的影響，而在粒子層面有其他強(qiáng)得多的力在起作用。但是，為什么又會說萬有引力在微觀層面上對我們那么重要呢？這是因?yàn)槿f有引力總是存在吸引的作用，這種作用是可疊加的：投入的粒子數(shù)量越多，萬有引力越強(qiáng)。的確，我們身體的一個質(zhì)子與地球的一個質(zhì)子之間的萬有引力是極小的，但是，我們身體的質(zhì)子非常多，而地球的質(zhì)子更多，將兩者結(jié)合在一起的無數(shù)小力量相互疊加，終形成了一個總的大力量，具體來說等于我們的體重。
萬有引力于是很好地表現(xiàn)了“團(tuán)結(jié)就是力量”。
承載萬有引力的粒子（它的“球”）叫作“引力子”。它的質(zhì)量為零。至少，這是我們目前掌握的知識讓我們對它進(jìn)行的構(gòu)想，因?yàn)槭聦?shí)上科學(xué)家們至今還沒有發(fā)現(xiàn)引力子，即它是否真實(shí)存在仍然存疑。
電磁相互作用比萬有引力強(qiáng)得多。它對我們的影響隨處可見，正是因?yàn)殡姶畔嗷プ饔梦覀兯械募矣秒娖鞑拍苓\(yùn)行，從吸塵器到咖啡機(jī)，再到電冰箱和電熨斗。但在更基礎(chǔ)的層面，它主要保證了原子和分子的內(nèi)聚力，控制所有的化學(xué)反應(yīng)及光學(xué)現(xiàn)象（我們要記得，光就是由電磁波組成的，也是由光子構(gòu)成的）。和萬有引力一樣，電磁相互作用的影響也是趨向于無窮的，但是，因?yàn)樗鼤r而具有吸引力，時而具有排斥力（根據(jù)電荷正負(fù)性而變化），在遠(yuǎn)距離時它的疊加效果因?yàn)槲镔|(zhì)整體呈中性而被抵消了。
電磁相互作用是通過和光子的交換進(jìn)行的，所以光子是它的媒介，是它的“球”。光子的質(zhì)量為零。這些光子被認(rèn)為是“虛擬的”，并不是因?yàn)樗鼈兪侨嗽斓?，而是因?yàn)楫?dāng)兩個帶電的粒子互換光子時，光子無法單獨(dú)被探測到。
弱相互作用的作用距離很短，大約為10-18米。還不如說和膠水一樣，這是一種通過接觸來實(shí)現(xiàn)的相互作用：只有在兩個粒子幾乎相互接觸的情況下，它們才能通過弱相互作用相互影響。它同時也是β放射性的成因，這種作用使得一個中子衰變?yōu)橐粋€質(zhì)子和一個電子，同時共同放射一個反中微子。正如它的名字所示，弱相互作用的特征是強(qiáng)度非常微弱、非常難以觀察到。但這并不能阻止它扮演一個重要角色，特別是在太陽中，它決定著氫原子核的聚變反應(yīng)。如果它從宇宙中消失，那么我們的恒星就會停止閃耀……
有三種粒子是弱相互作用的媒介。我們稱它們?yōu)椤爸虚g玻色子”，并將它們記作W ，W-和Z0。因?yàn)槿跸嗷プ饔玫木嚯x非常短，這些“球”的質(zhì)量必須非常大。實(shí)際上，這個質(zhì)量幾乎達(dá)到質(zhì)子質(zhì)量的100倍。歐洲核子研究組織（簡稱CERN）于1984年證實(shí)了這三種中間玻色子的存在，這多虧了為此而制造的一臺質(zhì)子和反質(zhì)子對撞機(jī)。
強(qiáng)相互作用是四種基本相互作用中強(qiáng)度的，但是在很長時間里我們都不知道它。物理學(xué)家們在1930年代了解到原子核的穩(wěn)定性中隱藏了某種令人驚訝的事物，于是猜到了它的存在。因?yàn)樵雍酥械馁|(zhì)子帶有同種電荷，電荷的作用力（庫侖力）是試圖將它們分開的，所以它們會相互排斥。然而，它們似乎被很穩(wěn)定地捆綁在一起。那么是什么克服了它們的電荷排斥力呢？沒有任何經(jīng)典力能夠解釋這一核內(nèi)聚力。從這里，就產(chǎn)生了一個假設(shè)（隨后被證實(shí)）：在原子核中存在著一種非常強(qiáng)的力，就是強(qiáng)相互作用，它的作用距離范圍非常短，約10-15米。
這一作用就如某種強(qiáng)力膠將兩個核子（質(zhì)子或中子，對它來說無所謂）一個貼一個地粘上，但是只要將兩個核子分開一點(diǎn)點(diǎn)，強(qiáng)相互作用就會迅速減弱。這并不影響它成為如此強(qiáng)大且令人難以置信的存在。例如它能夠在幾個10-15米的距離間，阻攔一個以每秒10萬公里的速度投擲過來的質(zhì)子……你可以想象那個制動力有多么強(qiáng)。
強(qiáng)相互作用的“球”是什么呢？它們叫“膠子”（gluon）。我們會在后文講述“夸克”（quark）時介紹。
并不是所有的粒子都會承受強(qiáng)相互作用。對這種作用敏感的粒子，如質(zhì)子或中子，叫作“強(qiáng)子”。不受它影響的粒子叫作“輕子”。我們掌握了超過350種不同的強(qiáng)子。它們都不穩(wěn)定，的例外也許是質(zhì)子。這說明它們很快就會衰變?yōu)槠渌p的粒子。它們的壽命（直到它們的衰變開始之前的平均時間）可能非常短暫。某些易消逝的強(qiáng)子的壽命甚至只有10-23秒，這使得它們成為了自然中我們所知道的短暫的現(xiàn)象。一般來說，一個強(qiáng)子從來都沒有時間停下來喘口氣。
基本粒子
有朝一日頭腦部分一定會戰(zhàn)勝粒子。
——皮埃爾·德普羅日
標(biāo)準(zhǔn)模型立足于少量基本粒子的存在，這些粒子沒有已知的內(nèi)部結(jié)構(gòu)并且是不可分割的。這些粒子分為兩類，一類是輕子，一類是夸克。
輕子是什么？
我們將那些保持對原子核內(nèi)聚力的強(qiáng)相互作用不敏感的粒子叫作輕子。今天我們知道輕子有6種。前3種不帶電且質(zhì)量非常輕：它們是中微子。另外3種是大質(zhì)量的輕子且?guī)щ姡弘娮?、μ子和τ子，除了質(zhì)量和壽命，它們從各方面看都是相同的粒子。μ子是電子質(zhì)量的206倍，會在幾微秒后衰變?yōu)殡娮?、中微子和反中微子。τ子則更重，而且壽命非常短暫，只有10-13秒左右。
今天的一切現(xiàn)象都讓人認(rèn)為輕子才是真正的基本粒子，也就是說它們不會由更小的實(shí)體構(gòu)成。得益于粒子加速器，我們可以用極大的能量（是與它質(zhì)量相當(dāng)?shù)哪芰康?0萬倍）撞擊電子，然而我們還從未成功使它“碎裂”成塊，也未觀察到它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可能隱藏的構(gòu)成粒子。
和所有粒子一樣，每個輕子都有它的反粒子，與它質(zhì)量相同而電荷相反。電子的反粒子叫正電子。還有反μ子、反τ子和其他3種反中微子。
夸克是什么？
今天早上他又從三雙不同的襪子里挑了三只穿上了。
——埃里克·舍維拉爾
我們在上文提到過，有超過350種強(qiáng)子存在，也就是說有350種粒子對強(qiáng)相互作用敏感。大部分這類粒子不是在宇宙輻射中被探測到，就是在第二次世界大戰(zhàn)以后利用大型粒子加速器進(jìn)行的高能物理實(shí)驗(yàn)中被探測到。
在1960年代初，有些物理學(xué)家認(rèn)為數(shù)量龐大且種類繁多的粒子幾乎不可能是基本粒子（即沒有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的粒子）。1964年默里·蓋爾曼和喬治·茨威格分別首次提出了夸克理論，將物理學(xué)家們的這些推測以正規(guī)形式表現(xiàn)了出來?？淇死碚摰脑硎菑?qiáng)子可能是混合粒子，由比它們更小的微粒夸克混合組成。由3個夸克組成的強(qiáng)子稱為重子。其他的強(qiáng)子稱為介子，由1個夸克和1個反夸克組成。理論家的這一創(chuàng)造在初幾乎沒有得到贊同，隨后被實(shí)驗(yàn)證實(shí)后（特別是從1974年開始）夸克理論才逐步得到了學(xué)界的承認(rèn)。終，它使我們能夠非常精確地了解強(qiáng)子的結(jié)構(gòu)。
今天我們知道存在6種夸克，以它們的“味”來區(qū)別。夸克的6種味分別由字母u，d，s，c，b和t代表（對應(yīng)英文里up[上]，down[下]，strange[奇]，charm[粲]，beauty/bottom[底]和top[頂]的首字母）。通過它們，我們就能夠重構(gòu)出已知的所有強(qiáng)子結(jié)構(gòu)。例如，質(zhì)子是由兩個u夸克和一個d夸克組成，這就形成了一個夸克的三元組（uud）。至于中子，它包含著一個u夸克和兩個d夸克，這就形成了（udd）。如果我們將一個質(zhì)子所擁有的電荷數(shù)作為單位電荷，那么u夸克的電荷數(shù)為2/3而d夸克的電荷數(shù)為-1/3，而這正好使得一個質(zhì)子的電荷數(shù)為1（2/3 2/3 – 1/3 =1）而中子的電荷數(shù)為0（2/3 – 1/3 – 1/3 = 0）。
夸克的味并不僅僅是將夸克區(qū)別開的特征標(biāo)簽。它另外的主要用途是標(biāo)明夸克通過何種方式的弱相互作用力來相互作用，同樣地，它們所帶的電荷決定了它們通過什么樣的相互作用方式來進(jìn)行電磁相互作用。例如，弱相互作用能夠?qū)⒁粋€d夸克轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€u夸克，而β衰變的進(jìn)行則正是由中子（udd）變成質(zhì)子（uud）。
除了味，夸克還有另一個同樣重要的特性，我們稱之為“色”。粒子物理學(xué)家給這一特征起名為“色”并不是說它真的和真實(shí)的顏色一樣有著不同的顏色，就像夸克的味也不能說它就是一盤好菜有著不同的味道?？淇送耆珱]有普通意義上的顏色。它們的顏色只是它們所帶有的一個標(biāo)簽，這個標(biāo)簽表明了它們強(qiáng)相互作用的作用方式?？淇擞腥N可能的隨機(jī)選擇的顏色：紅、藍(lán)和綠。在質(zhì)子或中子中，三個夸克中的每一個都有不同的顏色：也就是說有一個紅夸克，一個藍(lán)夸克和一個綠夸克。一般來說，質(zhì)子和中子是“白”的，因?yàn)榘咨梢砸曌魉蓄伾寞B加。根據(jù)夸克理論，在實(shí)驗(yàn)室里我們只能探測到白色粒子。
而夸克有著確定的（白色以外的）顏色，它們不能被分別觀測到。我們只能探測到強(qiáng)子，而不能單獨(dú)探測到夸克?？淇丝偸潜弧瓣P(guān)”在強(qiáng)子里面。
強(qiáng)相互作用通過膠子的交換將夸克聯(lián)系在一起，膠子就是這一相互作用的媒介，是強(qiáng)相互作用的球。膠子就像不會斷裂的橡皮筋，有一個簡單的作用：它們將強(qiáng)子里的夸克“粘上”。膠子有8種。它們也有顏色，它們與夸克相互作用，同時持續(xù)交換著彼此的顏色：膠子就是如此讓夸克從藍(lán)變紅或者從綠變藍(lán)，循環(huán)往復(fù)，就像非常活躍的三色燈。這種顏色的不停變換使得夸克和膠子糾纏交錯，保證了強(qiáng)子（非常短暫的）穩(wěn)定性。
夸克和膠子，即使用日常用語中的詞匯來命名他們的特性（通過這種方式，物理學(xué)家希望或許能夠不再多增加這一學(xué)科中越來越多的抽象概念），它們?nèi)匀贿€是一些奇怪的東西。事實(shí)上，夸克和膠子越是彼此靠近，它們受“鄰居”的影響就越小，它們熙熙攘攘地?fù)頂D在一個非常小的區(qū)域中，于是將它們聯(lián)系在一起的力幾乎降為零。在某種程度上，它們在短距離中變得自由。這點(diǎn)可讓那些在高峰期擠地鐵的人羨慕壞了……
但這一自由并非，因?yàn)榭淇瞬⒉荒芴与x它們所屬的混合系統(tǒng)。這一切就像是它們在一座永遠(yuǎn)不能離開的監(jiān)獄中獲得了自由。因?yàn)椋?dāng)我們想要將一個夸克和與它相互作用的其他夸克和膠子分離開來，進(jìn)而將這個夸克孤立出來時，我們需要提供的能量隨著分離的距離的增加而更迅速地增加。自然不會浪費(fèi)能量，它更傾向于使用這些能量來創(chuàng)造其他的夸克和反夸克：所有逃離的夸克立即就會披上搭檔們的外套而形成新的強(qiáng)子。也就是說，夸克出門的時候總是會穿上衣服，讓我們從來不會看到它光著身子。
標(biāo)準(zhǔn)模型里聚集了三個構(gòu)造相同的夸克和輕子家族。每個家族都由兩個夸克和兩個輕子組成。事實(shí)上，只需一個家族（個，由電子、它的中微子以及u和d兩個夸克組成）就足以表現(xiàn)我們周圍的物質(zhì)（例如原子，是由原子核及圍繞它旋轉(zhuǎn)的電子組成，原子核本身又是由質(zhì)子和中子組成，也就是終就是由u和d組成）。那么，其他兩個夸克和輕子的家族又有什么用呢？為什么自然選擇了“重復(fù)”這樣的東西，創(chuàng)造了三次幾乎一樣的東西？這是物理學(xué)家們到現(xiàn)在還不能回答的兩個問題。
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