世界是由什麼組成的？_風聞

原創：中科院物理所

作者：Elias Riedel Gårding

翻譯：loulou

審校：Nothing

世界是由什麼組成的？即使問這個問題都顯得有點天真，更不用説去期待一個多麼成熟明智的答案了。但是科學的一大奇蹟就是從簡單的問題中獲得驚人（儘管不是很完美）的答案。

原子及以上

在學生時代，我們就知道了普通物質是由原子構成的。原子最初被認為是物質最小的組成部分(原子這個詞的意思是“不可分割的”)，一百多種不同類型的原子被收納在元素週期表中，它掛在世界上每個化學教室的牆上。 

元素週期表

但是原子並不是故事的結局。大家都知道原子是由電子圍繞一個由質子和中子組成的中心原子核旋轉而成的。電子在原子核周圍以殼層形式排列，並與其他原子中的電子結合，形成複雜的排列。這是化學的基礎，也是我們周圍各種物質的基礎。事實上，質子和中子本身就是由微小的上夸克和下夸克組成的(一個質子由兩個上夸克和一個下夸克組成，一箇中子由一個上夸克和兩個下夸克組成)。

 

質子由兩個上夸克和一個下夸克組成。

我們日常生活中的所有物質——空氣、海洋、岩石和金屬、樹木、鴨子、人力資源經理、我們的朋友和敵人、每顆行星和每顆恆星——都是由三種粒子構成的:電子、上夸克和下夸克。所有這些不同類型的物質之間的差異都源於這些粒子的不同排列組合方式。

我們宇宙中的粒子

宇宙中有什麼不是由夸克和電子構成的？也許很難立即想到這件事，因為我在上一段中排除了大多數可能性。但是有一種熟悉的物質最終會浮現在我們的腦海裏——光。

把光稱為一種“物質”似乎有些奇怪，但現代物理學已經證明，光實際上與物質非常相似。它以有限的速度運動(著名的常數c，大約為30萬公里/秒)，它受到引力的影響(正如愛因斯坦的廣義相對論所預言的那樣)，它甚至有組成自身的粒子——光子。

既然光是由粒子構成的，似乎我們也可以合理地猜測一切都是由粒子構成的。除了我們目前知道的4個以外，我們還能找到更多的嗎？答案是肯定的。自從現代粒子物理學誕生以來，我們在宇宙射線和粒子對撞機中發現了大量的粒子。幸運的是，在經歷了許多令人撓頭搔耳的事情之後，事實證明它們都是由一組很小的粒子經過不同的組合而組成的，就我們今天所知，這些粒子是基本的(即真正不可分割的)粒子。總共有17個這樣的基本粒子，如下表所示。 

已知的基本粒子

首先，我們把他們分為三個類別的粒子(我們稱之為代)，每個類別由四種物質粒子組成:兩個夸克和兩個所謂的輕子。在第一類中有我們現在熟悉的上夸克，下夸克和電子，還有第四種粒子，電子中微子。這是一種幾乎沒有質量的粒子，它在太陽中大量產生，但它可以穿透絕大部分普通物質。兩個夸克和兩個輕子的模式重複了兩次，所以總共有12個物質粒子，分為三代。除了變得更重之外，後兩代的粒子與第一代的粒子有着完全相同的性質。這是一種相當奇怪的情況，但似乎事實就是如此。

接下來，有四個所謂的規範玻色子，光子是其中一個。規範玻色子與四種基本自然力中的三種有關:膠子對應於強核力，光子對應於電磁力，W和Z玻色子對應於弱核力。

最後，還有希格斯玻色子(Higgs boson)，自2012年在歐洲核子研究中心(CERN)的大型強子對撞機上被發現，希格斯玻色子一直享譽世界。希格斯玻色子可能是已知的基本粒子中最奇怪的粒子(甚至比被特地命名的奇異夸克還要奇怪)。如果你關注到它被發現的過程，你可能會認識到粒子通過與希格斯玻色子的相互作用而獲得質量的説法。

上表中所示的粒子，連同愛因斯坦的引力理論，解釋了物理學中所有的觀測結果，只有少數例外(大部分在天文學中)。特別是，我們在日常生活中遇到的所有事物最終都是由這些粒子相互作用產生的。單獨的相互作用是相當簡單的，但是把它們放在一起就會增加我們觀察到的事物的複雜性，就像一個複雜的機器，其中每個組件都根據簡單的規則進行自己的行為。

量子領域

如果你讀過任何關於現代物理學的東西，你就會聽到無數關於量子力學不可思議的奇異性的證詞，量子力學是描述微觀物質的物理。事實上，把量子力學的原理(最初是為微小的類點狀粒子制定的)應用到場(如電磁場)中，那麼連最優秀的物理學家也會在幾十年的時間裏用腦袋撞各種各樣的牆。幸運的是，他們的鬥爭給我們留下了一個奇妙的理論，量子場論(QFT)，這是目前我們所有物理定律(除了引力)的語言。

QFT解決了我們對於光是由波還是粒子組成的困惑。用非常簡單的語言來説，本質是這樣的：量子力學説，場中的波不可能是無限弱的。相反，你可以通過將大量微小的不可分割的波疊加在一起來產生一個強一些的波。

 

QFT還以一種統一的方式解釋了許多聽起來像是科幻小説的概念，這些概念是物理學的一大魅力所在。例如，一些粒子有一個相對應的反物質(只是同一場中的一種不同類型的波)，粒子可以被創造和湮滅，變成其他類型的粒子(一個場中的波可以轉換成另一個場中的波)。

還遺落下什麼？

只需要很少幾個量子場（如標準模型所描述的）就可以描述整個自然，基本粒子是這些場中存在的波。以上知識幾乎構成了整個自然界。除了量子引力這個(大的!)問題之外，還有一些細枝末節有待解決，儘管如此，我們依舊有很多東西有待發現。我不會講太多細節，只用幾句話稍做介紹。

暗物質：通過它對星系的引力作用，我們發現了某種看不見的物質。我們不知道它是什麼，但對於它，我們有一些猜想。

暗能量：自大爆炸以來，宇宙一直在膨脹。但是膨脹在加速，而普通廣義相對論認為它應該在減速。目前我們也不知道為什麼。

膨脹：在大爆炸後的最初幾秒鐘，宇宙似乎經歷了令人難以置信的快速膨脹。一個比較靠譜的猜測是這個過程是由我們稱之為暴漲場(對應於一種稱為暴漲子的粒子)的量子場引起的。這可能是標準模型之外的一個新領域。

中微子：在標準模型中，中微子不與希格斯場相互作用，這意味着它們沒有質量。然而，中微子振盪的發現(獲得2015年諾貝爾獎)表明，中微子隨時間而變化。由於沒有質量的粒子不會經歷時間的流逝(相信我，或者問問愛因斯坦)，中微子一定有質量。我們不太確定這其中的機理是什麼，還有許多未解之謎與中微子有關。

路的盡頭？

恭喜你!就我們今天所能回答的，你現在知道了文章第一段的問題的答案：“一切都是由什麼構成的？”到目前為止我們所知道的足以解釋我們生活中所經歷的一切：一切都是由標準模型的17個量子場構成的，這些場中的波是基本粒子。

原文鏈接：

https://plus.maths.org/content/our-theory-very-nearly-everything-particles