關於標準模型的6個絕妙事實_風聞

標準模型（Standard Model）是描述強相互作用、弱相互作用及電磁相互作用這三種基本相互作用及組成所有物質基本粒子的理論，屬於量子場論的範疇，並與量子力學及狹義相對論相容。到目前為止，幾乎所有對以上三種基本相互作用的實驗的結果都合乎這套理論的預測。但是標準模型還不是萬有理論，沒有描述引力。本文將帶讀者瞭解粒子物理的標準模型，以及物理學家如何使用它來預測未來的有趣事實。

撰文 | Sarah Charley（歐洲核子研究中心）

編譯 | 劉航

2000多年前，喜歡預測未來的希臘人會在每月的第七天航行到德爾斐的阿波羅神廟，尋求神諭的真知灼見。今天，我們已不需要依靠破譯大祭司的謎語來占卜未來，科學家們建立了一系列數學模型，從經濟發展到天氣變化，幾乎可以預測所有事物。

這其中，一個特別強大的數學預言模型就是粒子物理學的標準模型。它對亞原子（或稱次原子，是指比原子還小的粒子）世界做出了敏鋭的預測。標準模型是一組思想的集合，它告訴我們有關自然以及宇宙中所有粒子是如何相互作用的。標準模型描述了我們目前所知的最小單元的行為: 六種夸克，六種輕子，三種基本相互作用 (及其對應的四種相關粒子)，加上希格斯玻色子。

就像古代的占卜師一樣，標準模型的“咒語”只有訓練有素的專業人士才能解釋。但與神諭需要靠一位大祭司來傳達不同，標準模型是建立在成千上萬科學家工作基礎上的融合，它的預言已經經受住了數十年的實驗檢驗。

今天，讓我們一起來了解關於世界上最強大的科學模型之一——標準模型的六個絕妙事實吧。

1 “標準的”到“標準”

20世紀60年代，物理學家們已經建立了一個當時認為是基本粒子的集合。在當時的實驗條件下，這些粒子無法進一步被分解成更小的分立的“碎片”，數量之多且種類五花八門，因此這個集合被形象的比喻為粒子動物園（particle zoo）。

但在1964年，美國物理學家默裏·蓋爾曼（Murray Gell-Mann）和喬治·茨威格（George Zweig）提出理論，認為粒子動物園的許多成員實際上是由更小的粒子——夸克組成的複合粒子，真正的基本粒子數量要少得多。此後，科學家們逐漸發現新的模式，這就是粒子物理學標準模型發展的開始。

“standard model”的説法首次出現在1970年代發表的論文中， 但在當時，“standard（標準的）”只是作為形容詞使用，而不是專有名詞的一部分。

在那時相關的論文中，科學家都是使用小寫形式“the standard model”，例如，“the standard model of gauge interactions（規範相互作用的標準模型）”，“the standard description of electroweak interactions（電弱相互作用的標準描述）”。

建立模型的時代，效果最好的模型被認為是標準的。隨着時間的推移，到了80、90年代，“standard model”中的“ S”和“ M”逐漸變成大寫字母。這也意味着標準模型真正的建立了起來。

2 標準模型做了一些假設

標準模型是建立在一些基本的假設基礎上的。如果這些假設中的任何一個被證明是假命題，那結果就會大不相同。以下是其中的一些假設:

整個宇宙的物理定律都是一樣的。（月球上的電子與地球上的電子質量相同。）概率是守恆的。(所以，説出“付出110%” 的教練，就是在暗示運動員違背了一個固有的物理公理。)因果關係牢不可破。(你不能在你祖父之前出生。)同時發生的過程如果沒有空間上的交叉，則是相互獨立的。(在巴西做煎蛋卷的人不會影響大型強子對撞機（LHC）的性能。)粒子和場的數量有限。（這就是為什麼著名動漫精靈寶可夢（Pokémon）的口號可以概括出粒子物理學的主要目標：把它們全收服！（Gotta catch ‘em all!））狹義相對論和量子力學是根本。（標準模型及其所有假設均源於這些根源！）

3 標準模型是基於實驗測量結果構建的

目前，標準模型的方程預測我們的宇宙可能是亞穩態的：如果一個不幸的量子事件發生，它可能會坍縮。

但是科學家們認為，宇宙實際上不太可能處於這樣的生存危險之中。他們將這種引起焦慮的預測歸因於標準模型正在使用的數據，我們對兩個已知最重的基本粒子——頂夸克和希格斯玻色子的質量的不精確測量。

這些粒子質量之所以如此重要，是因為標準模型來源於實驗物理。

人們常説，物理學是一門實驗科學，理論研究如果沒有實驗的支持，則唯一檢驗理論的標準將僅剩下邏輯上的自洽性。正如我們不可能在不知道其他兩條邊長度的情況下，只用勾股定理得出斜邊長。同理，在沒有其他輸入的情況下，也不能使用標準模型就進行預測。標準模型本身無法預測各種基本粒子的質量，也無法預測它們之間的相互作用有多強。

由於標準模型的預測取決於實驗數據，因此預測不是靜態的，而是隨着探測器和分析方法的改進而不斷發展的。

隨着預測變得更加精確，有跡象表明其中一些預測可能不再相互一致。這有點像尋寶遊戲，每個測量值作為一個線索，引導我們進入下一步。

4 標準模型至少需要18個獨立輸入

標準模型顯然要比勾股定理要複雜得多。後者僅需兩個輸入，即可確定直角三角形第三邊的長度，而標準模型則需要至少18個獨立變量的值才能預測亞原子粒子的行為。這些輸入包括質量參數、相互作用參數、希格斯場質量及CKM矩陣元等。這就像18個獨立的旋鈕，每個旋鈕都有一個固定的值，它們是自由的參數，彼此之間沒有聯繫。標準模型將這些獨立的值引入方程式，可以預測粒子的形成、衰變和結合，從而描述可見宇宙中的所有物質。

5 標準模型已經進化

標準模型需要輸入諸如粒子質量之類的信息來進行預測，但有些粒子，如光子和膠子，是沒有質量的。標準模型的早期版本假設中微子也是無質量的，但當科學家們發現事實並非如此時，理論家們就需要將這一發現納入標準模型的方程式中。（現在他們還在努力！）

標準模型是經過幾十年的反覆試錯才發展出來的。最初對標準模型的描述遠遠不夠完整和正確，這些年來，我們的認識發生了重大變化。物理學家希望，未來的發現將為標準模型無法解決的物理學重大問題提供更深入的見解。

6 標準模型不能解釋所有的物理現象

在涉及到17種基本粒子和3種基本相互作用時，標準模型是一個值得信賴的指南。但天文學和宇宙學的觀察讓我們知道亞原子世界還有更多的東西。

一個懸而未決的大問題是引力，我們無法在亞原子尺度上解釋引力相互作用。

到目前為止，引力、暗物質和許多其他現象都被忽略在標準模型外，相關的實驗結果還很難利用標準模型來解釋。但科學家們並不擔心。正如標準模型的發展歷史，知道問題所在是重要的一步。有趣的問題引出有趣的答案，而有趣的答案則引出更有趣的問題。這是有史以來最偉大的理論之一，幾乎是所有事物的理論。科學家們將會很高興看到新的實驗結果，並使標準模型不斷發展壯大。

參考資料

[1] 原文https://www.symmetrymagazine.org/article/six-fabulous-facts-about-the-standard-model

[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Standard_Model

[3] R. Oerter (2006). The Theory of Almost Everything: The Standard Model, the Unsung Triumph of Modern Physics , ISBN 978-0-13-236678-6.

[4] https://en.wikipedia.org/wiki/Subatomic_particle

[5] 鄭漢青，量子場論（上），北京大學出版社.

[6] 本文附圖都來源於：Sandbox Studio，Chicago with Corinne Mucha