04.粒子与场的起源

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THE ORIGIN OF PARTICLES AND FIELDS

每当科学解决了一个问题，它就会创造另外十个问题。

——乔治·萧伯纳

（GEORGE BERNARD SHAW）

所谓专家，就是在一个非常狭窄的领域内犯了所有能犯的错误的人。

——尼尔斯·玻尔

本章研究目标

本章内容将涵盖：

· 物质的成分

· 宇宙中的基本粒子

· 粒子的相互作用

· 宇宙中的力的起源与本质

· 场的概念

· 质量的起源

· 物质-反物质不对称

· 力的统一

物质宇宙包含的物体横跨了35个数量级，从亚原子尺度（10-14米）到星系尺度（1021米）。近年来，研究这两个极端尺度的粒子物理学家和宇宙学家们开始集中研究一个图像，它联系着这两个差别很大的学科。过去50年间，人们在理解自然基本力和粒子的本质以及它们遵循的物理学定律方面取得了令人震撼的进步。量子力学在20世纪初的发展，让我们对于物质及其组成的认知有了革命性的转变。这种理论成功地解释了亚原子粒子的运动和相互作用，让我们更好地了解了粒子在最低能量下的具体行为。量子力学告诉我们，能量与动量是不连续的（即所谓“量子化”了的）实体，物质可以同时具有粒子与波的行为（波粒二象性），而且还有对于数值测量准确性的严格限制（不确定性原理）。量子力学无法探讨一个粒子的准确位置和动量，而只能探讨一个粒子在给定位置并具有给定动量的概率。粒子有与它关联的“场”，这些“场”在空间与时间的每一点上都有数值，例如在大质量物体（如地球）周围的“引力场”或者在带电粒子（如电子与质子）周围的“电磁场”。粒子是通过它们的场相互作用的。例如，当两个庞大的天体相互影响的时候（例如太阳—地球系统），它们的引力场必定会相互作用。

粒子物理学开发了描述力和粒子之间相互作用的标准模型，并用实验证实了这些模型，这是现代物理学取得的胜利之一。这些模型解释了在不同尺度下规范宇宙的力的本质，预言了负责这些相互反应的新粒子。这自然而然地解释了今天的粒子的起源与特性。另一个激动人心的现代物理学问题，是自然基本力如何拥有了人们观察到的性质（它们的有效范围和强度），以及它们在遥远的过去的行为。有关基本粒子和力的本质的知识，让我们能够破解宇宙的奥秘，并了解使宇宙成为今天这个样子的条件。这是有关最小尺度（粒子）和最大尺度（宇宙）的物理学交汇的地方，造就了宇宙这部恢宏著作的第一章。

在短暂综述了物质的量子性质和新的概念之后，本章讨论了基本力和粒子的本质，以及它们之间的相互作用。然后我们将探讨粒子根据其各自性质的分类、场的概念、质量的起源和自然中的力的统一。本章提供了必要的背景，让我们可以研究我们的宇宙诞生之初远远不足1秒内的行为。

有关物质的量子观点

20世纪上半叶，新的物理学出现并塑造了人类有关自然的观点。20世纪初，德国物理学家马克斯·普朗克用公式表达了黑体（完美的热吸收体，见第1章）的能量辐射，认识到电磁波（包括光）只能以量子化的形式辐射。也就是说，电磁波只能以所谓量子的能量分立小单元的形式辐射，而不能采取连续值的形式。以这一发现为基础，阿尔伯特·爱因斯坦提出光具有二象性，是由叫作光子的分立能量单元（粒子）组成的，但同时也具有电磁波的性质，以此解释了光电效应。随后，丹麦物理学家尼尔斯·玻尔假设，在原子中的电子只能有特定的（量子化的）能量，占据不同的能级。法国物理学家路易·德布罗意进一步证明，每一个粒子都与一列波相联系，其波长取决于粒子的动量（质量与速度的乘积），即动量越大，波长越短（专题框4.1）。这些发现展现的世界与经典物理学描述的世界差别很大。

专题框4.1 量子化的能量和波粒二象性

在一项改变了物理学版图的革命性发现中，马克斯·普朗克提出，黑体（一种能够吸收一切光并以一切波长发出辐射的假想物体）只能发射由分立的（量子化的）能量单元组成的电磁波（包括光波）。这些能量单元是一个叫作普朗克常量（h）的常数的倍数，用公式表达为E=hν，其中E是单元的能量，ν是光的频率。

路易·德布罗意在1924年提出，任何粒子都具有一个与它相关的波长。与一个动量为p的粒子相关的德布罗意波长λ可以通过公式λ=h/p计算。

图4.1 在电磁相互作用中的两个电子之间交换虚拟光子

20世纪50年代，通过在量子场论方面的发展，科学家们对基本粒子的研究进入了崭新的阶段。在粒子物理学中，人们将场定义为在空间与时间的任何点上都有数值的物理实体，并可以利用场的概念解释两个粒子之间的相互作用。场有能量和动量，因此我们可以将它视为给定类型的粒子的集合。然而，“场”并不是一个新的概念，艾萨克·牛顿有关大质量物体之间相互吸引的引力定律也涉及一个场，即所谓的引力场。这一点与库仑静电力定律（Coulomb's law of electrostatic force）一样，其中描述的带电粒子相互影响。这可以通过假定每个粒子在其周围产生了一个“场”予以解释，这个场可以影响其他的粒子，因此让粒子之间发生相互作用。场中的能量是量子化的（以分立的单元存在），这种量子化可以表现为一个粒子。所以，我们可以将粒子视为一个场的量子，从而使场和粒子的概念可以相互转化。

图4.2 原子的不同成分。质子和中子（统称核子）构成了一个原子的原子核，而电子围绕着原子核旋转。质子和中子各由3个夸克构成

在一个场内或者两个场之间的粒子是怎样相互作用的？解释两个粒子之间相互作用的一种方法是，假设其中一个粒子发射一个虚拟光子，这个虚拟光子会被另一个粒子吸收。于是，这个虚拟粒子在两个“真实”粒子之间转移动量。自然的基本力就是通过这种虚拟粒子的交换解释的。例如，对于两个电子之间的电磁力相互作用，人们便通过它们之间交换一个虚拟光子加以解释（图4.1）。我们将在本章稍后看到，两个带电粒子之间的电磁相互作用是通过光子进行的。类似地，自然中的其他力也是与它们各自的虚拟粒子结合的。这个概念决定了自然界中不同力的起源，其中一些粒子担当中间介质（被称为载力玻色子，例如光子），而其他的粒子则形成了我们周围的物质（被称为轻子和夸克）。我们将在本章稍后对此再做讨论。

基本粒子的本质

科学家们多年来始终相信，物质最基本的建筑材料是三种亚原子粒子：质子、中子和电子。一个原子其实是由两个部分组成的，即原子核（其中包括质子和中子）和围绕原子核旋转的电子（图4.2）。但后来他们认识到，自由中子可以衰变为一个质子和一个电子，这一变化过程将在本章稍后描述。考虑到当时已知的粒子，他们不可能解释清楚所有进入这个过程的初始能量，结果这个过程似乎违反了能量守恒定律，所以科学家们引入了一种新的粒子，它不带电荷，只有极小的质量，并以此解释丢失的能量。人们把这种粒子命名为中微子（意思是“小的中性粒子”）。中微子虽然与其他物质有相互作用，但异常微弱，所以能够穿过物质而不留下任何痕迹，因此它们极难被检测到。在这一假说提出之后好几十年，人们才最终用实验证实了中微子的存在。

图4.3 基本粒子分类。夸克和轻子组成了我们周围的物质，而玻色子则是自然界中的力（电磁力、弱力、强力和引力）的介质

图4.4 归入不同类型的普通物质

粒子物理学的标准模型解释了最基本的物质结构单元的本质和特性，以及它们的不同成分之间相互作用的方式。根据这个模型，可以把宇宙中的一切粒子归为三类：夸克、轻子和载力玻色子（图4.3）。一切物质最基本的结构单元是夸克和轻子（图4.4）。在这两组粒子中，每组都有六个成员。它们通过交换载力子（如光子）相互作用。由于一种叫作夸克禁闭（color confinement）的现象，我们无法找到自由夸克，但它们可以结合形成叫作强子（hadrons）的复合粒子。强子进一步分为由三个夸克组成的重子（baryons）与由一个夸克和一个反夸克组成的介子（mesons）（图4.4）。最常见的重子是质子和中子。

图4.5 三个夸克结合组成一个质子（uud）或者一个中子（ddu）。强力把它们结合在一起。为了满足不相容原理（按照费米子的要求），夸克被赋予红、绿、蓝三种颜色。它们不是真正的颜色，而是为了满足泡利不相容原理（Pauli's exclusion principle）而赋予它们的不同特性

在标准模型中有六种不同味（flavors）的夸克，分别叫作上（u）、下（d）、奇（s）、粲（c）、顶（t）和底（b）（图4.3）。所有这些味的夸克的存在都得到了实验证实。上夸克与下夸克的质量最小。因此它们是最稳定的，也是自然界中最常见的（最稳定的粒子是质量最小的）。其他味的夸克质量比较大，会衰变成更稳定的上夸克与下夸克。总结如下：夸克可以三个一组或两个一组地出现。三个夸克组成一个质子（uud）或者一个中子（ddu）（图4.5），而一个夸克和一个反夸克组成一个介子（uū）。反夸克与夸克有同样的质量和自旋角动量，但电荷相反。夸克具有固有性质，包括电荷、质量、色荷（color charge）和自旋。它们带有分数电荷，因此在形成三体与二体时带有整数电荷。例如，上夸克的电荷量是+2/3（与此对比，质子的电荷是+1），而下夸克的电荷量是-1/3（与此对比，电子的电荷是-1）。因此，当三个上夸克和三个下夸克组合时，uud的夸克组合让质子带有单位正电荷，而ddu的夸克组合让中子不带电荷。

专题框4.2 物质的结构单元

自然界中有两类粒子：费米子（例如电子、中子和质子）和玻色子（光子、胶子和W+、W-和Z0粒子）。我们周围的物质是由费米子组成的，其中最基本的部分是夸克。它们遵守一项叫作不相容原理的统计学定律，该定律规定，一个以上的费米子不能同时占据同样的状态（用专业术语表达，即两个费米子不能拥有同一套量子数）。玻色子不遵守不相容原理。费米子是物质的结构单元，而玻色子则负责传递四种自然基本力（引力、强力、弱力和电磁力）。图4.3所示的四种玻色子具有自旋量子数1，因此是矢量玻色子（vector bosons）。还有其他类型的玻色子，包括标量玻色子（scalar bosons，如希格斯玻色子）和介子（mesons），后者是由夸克组成的复合玻色子。

夸克是由强力结合在一起的，强力的介质是一种叫作胶子的粒子，当夸克被拉开时，这种力会变得更强（图4.5）。这就像把一根弹簧拉开，它的两端就会产生更大的力，试图恢复到原来的位置。这就说明了，为什么在无法得到宇宙创造初期的那种高温与高密度的状态的情况下，我们便无法得到自由的夸克粒子。与电子和中微子不同，夸克带有色荷，这让它们可以参与强相互作用（strong interactions）。这与重子（质子与中子）类似，它们也是由强力结合在原子核中的，力的介质同样是胶子。人们引进了颜色（color）的概念后，就可以让不同的夸克存在于同一个强子（如一个复合粒子）中，而不至于违背泡利不相容原理（专题框4.2）。换言之，为了让三个夸克在一个重子中结合并满足这个不相容原理，我们需要一个具有三个不同值的性质，并为此引进了红、绿、蓝这三种“颜色”（这三种颜色的结合形成了“白色”，所以是一种无色粒子）。它们与真正的颜色毫不相干，只是用来描述不同的量子状态，只允许形成无色或者中性色的粒子。重子是由红、绿、蓝夸克组成的，这些颜色的加和形成了无色粒子，而介子是由一个夸克（带色的）和一个反夸克（反色的）组成的，因此它们是中性色的。

另一组基本粒子由轻子组成（图4.3），它们是自旋量子数为半整数（1/2）的基本粒子，不参与强相互作用。自然界中存在着两种轻子：带电轻子（电子）和中性轻子（中微子）。与夸克一样，轻子也有六种味：电子（e-）和电子中微子（νe），介子（µ-）和介子中微子（νµ），τ介子（τ-）和τ介子中微子（ντ）。电子在带电轻子中质量最小，也是最常见的。轻子具有固有性质，包括自旋、电荷和质量。与夸克不同，它们没有色荷，因为它们不会受到强力的作用。

最后，载力玻色子是传递相互作用的基本粒子（图4.3）。标准模型为载力玻色子规定了位置，称它们为规范玻色子（gauge bosons），它们传递电磁相互作用（光子）、强相互作用（胶子）和弱相互作用（W+、W-和Z0）（见下节）。模型中也包括最近发现的希格斯玻色子（将于本章稍后讨论）和尚未发现但假定存在的引力子（gravitons，负责传递引力）。

宇宙中的物质的主体成分是强子（由夸克组成的复合粒子）和轻子。电子、质子和中子等粒子被统称为费米子，就其物理性质而言，它们各有其特质。费米子是以恩里科·费米（Enrico Fermi，1901—1954年）的名字命名的，具有分数自旋且遵守不相容原理的特质。根据不相容原理，两个费米子不可以同时处于同一状态。而玻色子是以萨特延德拉·玻色（Satyendra Bose，1894—1974年）的名字命名的，具有整数自旋且不遵守不相容原理的特质。这就意味着，玻色子遵守一种统计学定律，它不限制一个以上的玻色子占据同一量子状态（见专题框4.2）。

宇宙基本力

制约宇宙的是四种基本力：强力、弱力、电磁力和引力。它们负责粒子之间的一切相互作用以及它们之间的动量交换，而且也制约了物质的结构单元与宇宙的结构（专题框4.3）。我们在本章前面的部分讨论过，每种力都是通过交换一个虚拟粒子（载力玻色子）作为介质的，以此在任何两个真正的相互作用粒子之间传递动量。

强力负责将质子圈禁在原子核内，也负责将夸克圈禁在核子内（图4.2）。因为质子都带有同样的电荷，而且相同符号的电荷之间相互排斥，所以需要强力来维持原子核的完整。重于氢的原子核中都有一个以上的质子，它们由于静电力而相互排斥。强力抵消了原子核内部的排斥，因此让原子核金身不破。强力发出的强相互作用是靠交换所谓胶子的粒子来传递的，后者的作用如同胶水，因此得名。核子（如质子和中子）内部的夸克也是通过强力相互作用的（图4.5）。

图4.6 通过将一个下夸克交换为一个上夸克，一个自由中子衰变为一个质子。这个过程是由W-玻色子的交换传递的。W-玻色子衰变为一个电子和一个反中微子。自由中子的半衰期大约为600秒

弱力在原子核的范围内也是有效的，是负责粒子衰变的力。例如，中微子能够感受到弱力，弱力造成了自由中子的衰变（图4.6）。弱力是通过大质量的W+、W-和Z0玻色子传递的。这些粒子在20世纪80年代通过实验被发现，证明了电磁相互作用与弱相互作用具有相同的机理。因此，这两种力都是同一种力的表现形式，人们称其为弱电力（electroweak force）。强力与弱力只能在原子核范围内有效，到了原子尺度就非常弱了（原子的大小差不多是原子核的10万倍），见表4.1。

电磁力负责让电子围绕原子核旋转，从而组成原子；它也负责让原子组成分子和复杂的化学与生物结构——它们形成了生命的基础（表4.1）。电磁力是通过叫作光子的光粒子传递的。因此，电磁力是对于原子之间的相互作用唯一有效的力。

引力在四种自然力中是最弱的；在强力、弱力和电磁力的有效范围内，引力的作用完全可以忽略（表4.1）。引力是一种长程力，负责月球围绕地球、地球围绕太阳的旋转。一个原子是电中性的，因为在它内部包含近乎等量的正电粒子（质子）和负电粒子（电子）。所以，大质量的大型系统之间不是通过电磁力相互作用的，但因为它们具有质量，所以能通过引力相互吸引。电磁力和引力的强度都与相互作用物体的距离的平方成反比例递减。引力的强度随着引力作用下的物体的质量增大而增强。按照其他力的作用模式，我们认为引力同样是通过交换一种叫作引力子的虚拟粒子传递的。然而，与其他力的介质粒子不同，与引力相关的粒子至今还没有得到实验确证。

表4.1 宇宙基本力的特性

专题框4.3 基本力和力的大统一

自然界存在着四种不同的力。在宇宙历史的极早期，这些力是作为一种力而统一的。但宇宙在膨胀时变冷了，这些力便分开了，取得了它们今天具有的不同身份。下面列举这些基本力，并做简单的解释：

引力是四种力中最弱的，并在宇宙诞生10-44秒后，取得了自己的独立地位，当时的温度是1032开尔文。这是一种长程力，与有质量的物体之间的吸引相关。这就是我们能够感觉到引力但却感觉不到其他的力的原因。爱因斯坦的广义相对论解释了引力的性质。

强力负责将夸克禁闭在一起形成质子和中子，也负责让质子和中子足够接近以形成原子核。强力是在宇宙诞生10-23秒后与弱力和电磁力分道扬镳的，当时的温度是1027开尔文。负责传递强力的粒子叫作胶子（表4.1）。这种力的作用范围极小，只在10-15米量级的范围内起作用。研究强力的理论叫作量子色动力学（quantum chromodynamics）。

电磁力要比强力弱得多，但可以在更大的范围内起作用。在宇宙存在了10-12秒之后，电磁力与弱力分离，并获得了自己的独特身份，当时的温度是1015开尔文。携带电磁力的粒子是光子（表4.1）。这种力是让带电粒子相互作用的原因。研究电磁力的理论是量子电动力学（quantum electrodynamics）。

弱力的作用范围在原子核内部，掌管放射性衰变（贝塔衰变）、中子衰变和中微子的相互作用。它的作用范围极小，也非常弱。携带弱核力的粒子是W+、W–和Z0玻色子（表4.1），说明弱力的标准模型是电弱模型。

场的概念

我们在本章前面部分引入了“场”这个概念。场在现代物理学中极为重要，我们在这里对它做进一步探讨。电磁力、引力、弱力和强力这四种自然基本力都有与它们结合的场。每一种场都有携带它的粒子。我们从以前的讨论中得知，电磁场是由光子携带的，弱力是由W+、W–和Z0粒子携带的，而强力是由胶子携带的。正如光子可以传送电磁场一样，负责传送引力场的假想粒子是引力子。虽然这种粒子还没有被发现，但按照解释其他力的框架，人们自然觉得应该有一种引力子存在，由它携带引力场。

现在，我们可以把这一框架推广到其他粒子上，并进一步推广到一般的物质上。正如本章前面部分解释的那样，我们也可以把每一个粒子视为一列波，它代表着在任何给定位置发现这个粒子的概率。在这样小的尺度下，粒子的运动和位置是通过量子力学的方程计算的。我们不可能确定粒子的准确位置，而只能确定它在某个位置出现的概率。举例说明，一个电子是一个粒子，但我们也可以把它视为一列波（人们曾观察到两束电子在通过两条狭缝后形成的干涉花样，因此这一点已经得到了实验证实）。在这种情况下，一个电子的概率波与电子场密切相关。

除了以上讨论的力场与物质场之外，还有另外一种希格斯场，是以苏格兰物理学家彼得·希格斯（Peter Higgs）的名字命名的。人们相信，整个空间都充满着希格斯场，它是我们的宇宙在诞生几分之一秒后留下的遗迹。正是希格斯场将粒子的性质赋予它们，因此组成整个宇宙的物质便获得了各自的性质。希格斯场是与一种叫作希格斯玻色子（Higgs boson）的粒子相关的场，这种粒子的行为与其他力的介质粒子相同（图4.3）。以希格斯玻色子为介质的是遍及宇宙的各种力，因为它会与所有的粒子，特别是大质量粒子相互作用。根据能量守恒定律，质量不是由希格斯场创造的，而是通过希格斯玻色子传递的这个粒子与粒子的相互作用赋予的。

质量的起源

图4.7 图中显示了希格斯场的势能曲线的形状。考虑一个位于“势垒”顶点的球。在这一点上，这个球具有非零势能与零希格斯场。它想要让能量达到最小，于是它沿着势垒向下滚动，在势垒底部某处停了下来。这是一个零势能点，但有非零希格斯场。在向下滚动的过程中，这个球与均匀而且非零的希格斯场相互作用并得到了质量

场对于温度有与普通的物质同样的反应。在宇宙诞生后极短的时间内，当它的年龄只有10-44秒时，宇宙的温度是1032开尔文，这时所有的场都在急速起伏。就在这个极早的阶段，在极高的温度影响下，所有的场都有同样的性质，它们是不可分辨的。当宇宙逐步冷却下来的时候（具体讨论见下章），最初的物质密度与辐射密度下降了，场的起伏也减轻了，场的值变得趋近于零。在这个时刻，希格斯场的表现与其他场不同，这是由这种场的势能曲线的形状决定的（图4.7）。一旦宇宙的温度降低到某个数值以下，希格斯场便在整个空间（即整个宇宙）中获得了一个非零数值（如同水蒸气在温度下降时变成了液态水一样），这对应于最低的能级（势能为零，但希格斯场的值不为零，见图4.7中的势能曲线），叫作真空。这个能级（势能为零而希格斯场非零的能级）充满了整个宇宙。这是希格斯势能曲线的某种形状造成的。希格斯场在整个空间内取得一个非零值的过程叫作对称性自发破损（spontaneous symmetry breaking）。

图4.8 说明粒子与希格斯场相互作用的示意图

现在，假定一个粒子在这个均匀希格斯场中运动。场在这个粒子身上施加了一些阻碍或者阻力（图4.8）。这种阻力让物体与加速度对抗。正在与加速度对抗的实体就是这个粒子的惯性质量。这就是惯性质量的起源。换言之，一个粒子的惯性质量之所以产生，是这个粒子与均匀的希格斯场相互作用的结果。希格斯场反抗一个粒子的加速度的程度因粒子的种类而不同。粒子与希格斯场的相互作用越强，它们的质量就越大（图4.8）。这就是粒子有不同的质量的原因，例如，电子和夸克的质量就不同（专题框4.4）。如果希格斯场不存在，任何粒子都会像光子一样没有质量。在这种情况下，各种粒子之间的差别就不复存在了。

专题框4.4 为什么粒子具有它们现在的质量？

每个粒子都会穿过一个假定在整个宇宙中存在的能量场，即希格斯场。粒子通过与这个场的相互作用获得质量。不同的粒子与这个场相互作用的强度决定了它们的质量。相互作用越强，粒子的质量就越大。不与希格斯场相互作用的粒子就没有质量，并以光速运动，例如光子。一旦粒子有了质量，它的速度就慢了下来。是希格斯场的势能曲线的形状让希格斯场具有这种特定性质的（图4.7）。

希格斯场与一种叫作希格斯玻色子的粒子相关（图4.8）。希格斯玻色子是一种力的介质粒子（载力子），希格斯场利用它与其他粒子相互作用。希格斯粒子不稳定，平均寿命为1.56×10-22秒。希格斯场在宇宙诞生之后很短一段时间内为零，但当宇宙膨胀而且温度下降到一个临界值以下时，希格斯场变强了，于是，任何与它相互作用的粒子都得到了质量。我们无法观察希格斯场，它只能通过希格斯粒子显示自己的存在。这些粒子的质量很大（125 GeV），寿命很短。因为希格斯粒子能与所有其他粒子相互作用（除了没有质量的粒子），所以我们可以通过在加速器中让高能粒子碰撞来创造希格斯粒子（专题框4.7）。

力的统一

在宇宙的最初级阶段，当温度极高（~1015开尔文）的时候，各种粒子的一切差别都不存在，所有的力都统一为一种。这是因为在这种极端的温度下，希格斯场的值为零。在没有希格斯场的情况下，粒子的加速不会受到阻碍，这就意味着一切粒子有同样的零质量。这是一个高度对称的状态，如果其中一个粒子的质量变成了另一个的，也不会带来任何不同。当温度下降到1015开尔文以下时，粒子突然得到了质量，质量的大小取决于它们与希格斯场相互作用的程度。因为粒子的质量非零而且各不相同，质量之间的对称崩溃了。这就是科学家们说的“对称性自发破损”的含义（图4.7）。在希格斯场取得它的非零值之前，不仅一切物质粒子都没有质量，所有的载力子（在自然界中传递力的粒子）也同样没有质量（专题框4.5）。这导致了另一个对称。在载力子之间的对称意味着，在没有希格斯场的情况下，自然界所有的力都是一样的。

19世纪后期，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦意识到，尽管电力与磁力是不同的力，但它们实际上是同一种力的不同表现，这种力就是电磁力。20世纪60年代，谢尔登·格拉肖（Sheldon Glashow）、史蒂文·温伯格（Steven Weinberg）和阿卜杜勒·萨拉姆（Abdus Salam）证明，在早期宇宙非常高的温度下，光子和W+、W-、Z0粒子全都毫无二致。换言之，这些载力子之间是对称的，所以，与这些粒子相关的力也是对称的。这就意味着，当希格斯场不存在的情况下，电磁力和弱力都是一个单一的力（弱电力）的一部分。在这些力之间的统一对称存在于极高的温度与希格斯场不存在的条件下，一旦光子和W+、W-、Z0粒子与希格斯场发生了相互作用（在光子的情况下是零相互作用）并得到了各自的特性，这种对称便崩溃了（专题框4.5）。其结果便是：自然界中两种非常不同的力其实是单一的一种力，尽管它们中的电磁力负责电磁现象和光，而弱力负责放射性衰变。只是当希格斯场不存在的情况下，它们在本质上的对称才表现了出来。

专题框4.5 希格斯场的性质

当一个空间区域中的物质与辐射变得越来越稀薄的时候，这个区域中的能量也变低了。考虑到这一点，最空旷的空间区域将是能量最低的区域，即所谓的真空。对于普通的场，这时候的能量为零。这就意味着，我们将最空旷的空间区域视为一切都不存在的地方——那里的能量为零，与它们相关的场的值也为零。然而，希格斯场的运行方式与此不同。由于它的势能曲线具有某种形状，它必定有足够的能量，可以从势阱中跃出，取得零势能。换言之，一个没有能量的希格斯场将滑到势阱的底部，远离零能量状态，并因此得到非零值（图4.7）。

是否有这种可能，在统一了电磁力和弱力的同一框架下，另一种非引力的力——强力——也可以与弱电力统一？如果确实如此，在大约1028开尔文的温度下和宇宙诞生的10-35秒之后，就必定出现了另一次相变，让强力与其他力有所不同。在这一时刻到来之前，光子和W+、W-、Z0粒子及胶子这些载力子必定具有同样的性质，相互间可以自由转换。这是在这三种非引力的力之间完全对称的结果。人们称之为力的大统一（Grand Unification）。当宇宙的温度下降到1028开尔文以下时，希格斯场的一个新物种（大统一希格斯场）凝聚出现了非零值，打破了对称。这一过程接着赋予了胶子质量。因为大统一希格斯场对于胶子具有与对其他载力子不同的作用，它将只影响强力，而不影响其他的力。然而，我们现在还没有任何支持这种理论的实验证据。下一章中，当我们研究宇宙最初几个演变阶段的时候，我们将再次讨论这个问题。

反粒子

对于每一种轻子与夸克，都存在着一种与之质量相同但电荷相反的反轻子和反夸克。电子的反粒子叫作正电子（positron），除了带有正电荷以外，它与电子完全等同。所以，我们总共有12个费米子〔夸克和轻子；以及同样数目的反费米子（图4.3）〕。当粒子与反粒子相撞时，它们便湮灭了，它们的全部质量都遵照爱因斯坦的E=mc2公式变成了能量（其中E为能量，m为质量，c为光速）。

物质—反物质转变为能量的过程也可以逆向进行。在某种条件下，能量可以转变成一对粒子和反粒子。只要有一个电子出现，它就必然会通过一种叫作电子对生成（electron pair production）的过程生成一个正电子，这一过程满足所有的守恒定律（能量与电荷）。所以，在宇宙的极早期，当温度和能量处于极端情况下的时候，粒子—反粒子对会通过粒子对生成过程持续生成，并通过湮灭过程消失为能量。

为什么当今的宇宙是由普通物质而不是由反物质组成的呢？一个由数量相等的粒子与反粒子组成的宇宙会持续创生与湮灭，最终只有能量留下来（除非能够通过某种现在还无人得知的物理过程，将粒子与反粒子相互隔开）。当宇宙随时间慢慢冷下来的时候，对生成过程需要大量能量才能引发，所以产生粒子-反粒子对的过程已经停止了，而残存的粒子对仍然继续湮灭，继续变成能量。然而，今天，我们周围的一切几乎完全是由物质组成的。由于某种原因，物质与反物质的平衡必定产生了有利于物质的偏移。很有可能的是，在宇宙诞生的几分之一秒之后，通过某种我们还不知道的过程，有极小一部分物质留了下来，或许只是10亿个粒子中的一个。粒子可以非常快地转变为它们的反粒子。为了产生这样一点点多于反物质的物质，人们提出了一个假说，认为出现了一个干预过程，因此粒子倾向于更多地向物质衰变，而不是向反物质衰变，因此形成了今天这个物质占统治地位的宇宙。

自然定律对于粒子和反粒子是相同的吗？粒子物理学实验业已证明，一种叫作D介子（D-mesons）的粒子会从粒子变为反粒子，然后再变回来。但这两种转变是以不同的速率发生的，取决于这个介子是被转变为一个反介子还是与此相反。这样的过程打破了粒子与反粒子之间的对称，说明物理定律对于物质和反物质是不同的。人们把这种现象叫作物质—反物质非对称性。当粒子与其反粒子以不同的速率衰变时，我们就可以看到这种非对称性，比如B0介子和它的反粒子B0介子就是以不同的速率衰变的。我们将在下一节讨论过宇称概念之后再来讨论这个问题。

专题框4.6 电荷宇称对称是什么意思？

我们可以在如下背景中考虑电荷宇称（CHARGE-PARITY，简称CP）不守恒：

①考虑一个粒子衰变过程；②现在看一下这个过程的镜反射（宇称共轭，parity conjugation），并把这一镜像中的所有粒子用其反粒子代替（正反粒子共轭，charge conjugation）；③如果经过这样变换之后的像以与原有过程相同的概率出现在自然界中，则电荷宇称守恒，否则不守恒。

宇称

一个物理系统的宇称变换用其镜像代替了系统本身。这意味着系统的空间坐标相对于原点反转（改变符号）。宇称守恒声称，物理定律（诸如一个粒子的衰变速率）无论对于一个粒子还是它的镜像都是成立的。应用到粒子身上，则粒子对称指的是：粒子物理学的方程在镜像反演之后也是一样的。这便预言了，一个反应（化学反应或者是放射性衰变）的镜像与原有的反应将以同样的速率发生。

人们经常以电荷（C）和宇称（P）来表达粒子与反粒子之间理论上的对称。这是两个对称的乘积：一个是当把一个粒子转变成它的反粒子时的电荷，另一个是创造了粒子的镜像的宇称。如果自然界平等地对待粒子和反粒子，则CP是对称的，即二者相同。反之，则CP遭到破坏，粒子和它的反粒子不同（见专题框4.6）。对于解释宇宙中现有的物质—反物质不对称，CP的守恒或不守恒具有重大意义。人们发现，CP在电磁相互作用和强相互作用中是守恒的，但在弱相互作用中是不守恒的。

宇称不对称是在涉及钴-60（原子核由60个质子与中子组成的钴）贝塔衰变的弱相互作用的实验中发现的。研究者检测到，逆反应没有原来的反应发生得那么频繁。CP不守恒是首先通过K-介子（kaon）的衰变证实的。从而证明，弱相互作用不仅分别违背了电荷与宇称的对称，而且在它们组合的情况下也同样如此。在粒子物理学和宇宙学中，CP不守恒的发现造成了严重的困惑，尤其是CP在电磁相互作用和强相互作用中是守恒的，而在弱相互作用中却不守恒。

除了电荷和宇称之外，还有第三种变换：时间反演（T），指的是运动的逆转。时间反演对称的意思是：如果物理定律允许一种运动发生，它们也会允许这种运动的逆向运动发生。电荷、宇称和时间反演（CPT）的组合在一切反应中都是守恒的。CPT守恒意味着，粒子与它的反粒子具有同样的质量值和寿命。

总结与悬而未决的问题

在解释基本粒子和基本力的本质方面，粒子物理学的标准模型获得了很大的成功。许多问题已经得到了解答，但仍然有更多的问题在等待未来的实验或者理论来揭示答案。将基本粒子按照各自的特性分为不同组别的简单分类，表明我们可以用有系统的简单方法表达自然。我们知道，费米子（电子、中微子和夸克）是我们周围一切物质的组成部分，而玻色子（光子、胶子与W+、W-和Z0粒子）是自然力的虚拟介质。这两类粒子之间的差别源于它们各自遵循的统计定律、它们的自旋角动量，以及它们是否遵守泡利不相容原理。

粒子之间的基本相互作用是通过交换载力玻色子组别中的虚拟粒子（这一点对于引力的情况尚未得到证实）实现的。强力将夸克禁锢在强子中，将质子禁锢在原子核中，这种力由胶子传递，遵循一种叫作量子色动力学的理论，该理论使色力满足泡利不相容原理（这一点只能应用于费米子）。粒子物理学的标准理论成功地解释了弱力和与之相关的W+、W-和Z0粒子。1983年，欧洲核研究中心（European Organization for Nuclear Research，简称CERN）发现了这些介质粒子，从而用实验证实了这一理论（专题框4.7）。电磁力的介质粒子是光子。电磁力的行为与原子和分子尺度上的相互作用相关，是通过量子电动力学加以解释的。这是粒子物理学中最成功的理论之一，它的预言得到了高度准确的实验证实。弱力和电磁力已经在弱电力理论的框架内得到了统一，这一点现在已经得到了普遍证实。最后，引力是一种远程作用的力，它决定了行星、恒星和星系在宇宙中的运动。与其他力相比，我们知道的有关引力的知识要少得多，而且它也明显比电磁力或者强力弱得多（是其1/1043数量级）。有关引力的唯一理论是爱因斯坦的广义相对论，它是一项经典理论，没有涉及物质的量子性质。尽管广义相对论成功地解释了已有的观察结果，并给出了可以通过观察检验的预言，但我们无法用它来探讨宇宙历史极早期〔在宇宙诞生后还不到普朗克时间（10-44秒）的那个时间段〕的条件。事实证明，将引力与其他三种力统一形成所有自然力的大统一理论极为艰难。这也是当前研究的一大主题。

当前模型的许多预言被证实，这表明了这些模型的胜利，也展现了我们在用我们的理论预言新的粒子时的信心。例如，正电子（电子的反粒子）就是保罗·狄拉克（PaulDirac）于1928年预言的，随后才于1932年由卡尔·大卫·安德森（Carl David Anderson）在研究宇宙射线时通过实验证实。夸克的许多味也是20世纪六七十年代在实验室中被发现之前通过理论预言的，最后一个味是顶夸克，是人们于1995年在芝加哥附近的费米国家加速器实验室（Fermi National Accelerator Laboratory）中发现的。这一过程让我们有信心扩展我们的理论并寻找有关它们的预言。然而，必须指出的是，无论一个理论在数学上何等优雅，如果它无法通过实验加以证实，人们就不可能接受它并认为它是具有生命力的理论。

宇宙中的每一种粒子都有它的反粒子，二者具有同样的质量和自旋，但电荷相反。然而宇宙中却有一种不对称，让物质多于反物质。我们现在还不清楚这种情况发生的原因，它也是当今物理学界的一个不解之谜。它有可能源于宇宙诞生后不久的极早期发生的一些过程。如果粒子与反粒子在被创造之初数量相等，今天的宇宙将只有能量充斥，而不会有任何其他事物。人类当然不可能存在。为了回答这个问题，我们应该把目光投向宇宙诞生极短一段时间内存在的那种量级的极高能量状态。

我们知道，由轻子和夸克构成的费米子组成了我们周围的一切事物。今天，我们又得到了切实的证据，证明总共存在着12种夸克和反夸克，12种轻子和反轻子，即我们周围的一切事物是由净额总计12种基本粒子组成的。在今后的几年间，通过新一代粒子加速器得到的更高的能量（专题框4.7），我们或许能够创造新一代大质量粒子，它们或许能为我们透露新物理学的方向，或者再次改变我们关于宇宙的观点。

玻色子与夸克通过与一种假定存在的希格斯场的相互作用得到了自己的质量，这个场的介质粒子是希格斯玻色子。人们认为这是一种赋予粒子质量的过程。在此之前，一切粒子的质量都是相等的——零。因为希格斯场具有特殊的势能，粒子之间的对称在低能区域被打破了，粒子因此得到了它们的质量。任何特定粒子得到的质量的数值都取决于粒子与希格斯场相互作用的强度。2013年，人们在日内瓦CERN实验室中的大型强子对撞机（Large Hadron Collider）上发现了希格斯玻色子，证实了希格斯的设想。

今天，一个悬而未决的问题是重子不对称的原因；换言之，为什么宇宙主要由物质而不是由反物质构成。这个问题的种子是在宇宙诞生后极短时间内播下的。一个与此相关的问题是，为什么CP守恒在弱相互作用中不成立，但在电磁相互作用与强相互作用中成立。同样，怎样才能将引力与其他三种基本力统一？考虑到最近的发现来自庞大的碰撞系统的引力辐射的，我们是否有一天会检测到来自早期宇宙的引力信号？

专题框4.7 粒子加速器

粒子加速器使用电场排斥并加速带电粒子，让它们沿着预先设计的方向飞行。一个例子是位于瑞士的大型强子对撞机，它利用振荡电场，加速两束在周长27千米的圆形路径上沿相反方向运动的质子。这两束质子被加速到光速的0.999 999 991倍，得到了7万亿电子伏（电子伏的定义是单个电子通过1伏特的电势差得到的动能）。这种碰撞产生了14万亿电子伏的能量，足以创造质量非常大（但寿命非常短）的粒子。被加速的粒子的能量越大，它们能够探索物质结构的层次就越深，导致新粒子发现的希望就越大。

回顾复习问题

1. 解释光的本质。

2. 场的定义是什么？科学家们将场量子化是什么意思？

3. 什么是强子？说出两种强子。

4. 夸克的主要性质是什么？

5. 说出自然界四大基本力的介质粒子。

6. 向夸克引入颜色项的基本原因是什么？

7. 解释自然界四大基本力的特性。

8. 解释宇称的概念，以及我们在说到粒子与反粒子之间的对称时是什么意思。

9. 在什么条件下，自然界的四大基本力是统一的？

10. 解释“对称在自然界崩溃”的概念，以及我们在说到“对称性自发破损”时的意思。

11. 定义CP不守恒及其意义。

12. 简要解释粒子是如何得到其质量的。

参考文献

Bennett, J., M. Donahue, N. Schneider, and M. Voit. 2007. The Cosmic Perspective: The Solar System. 4th ed. Boston: Pearson/Addison-Wesley.

Gross, D.J. 1996. “The Role of Symmetry in Fundamental Physics.” Proceedings of the National Academy of Sciences 93 (25): 14256–14259.

Perkins, D.H. 2003. Particle Astrophysics. Oxford, UK: Oxford University Press.

Tillery, B.W. E.D. Enger, and F.C. Ross. 2013. Integrated Science. 6th ed. New York: McGraW-Hill.