粒子物理学的发展，促进了标准模型的完善导读：本章摘自独立学者灵遁者量子力

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导读：本章摘自独立学者灵遁者量子力学科普书籍《见微知著》。此文旨在帮助大家认识我们身处的世界。世界是确定的，但世界的确定性不是我们能把我的。

粒子物理学是原子物理和原子核物理在高能领域的一个重要分支，相对于偏重于实验观测的原子核物理学，粒子物理更注重对基本粒子的物理本性的研究。就实验方面而言，研究粒子物理所需的能量往往要比原子核物理所需的高得多，在回旋加速器发明以前，很多新粒子都是在宇宙射线中发现的，如正电子。

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1935年，日本物理学家汤川秀树提出了第一个重要的核子间强相互作用的理论，从而解释了原子核内的质子和中子如何束缚在一起的。在汤川的理论中，核子间的作用力是靠一种虚粒子——介子来完成的。介子所传递的强相互作用能够解释原子核为何不在质子间相对较弱的电磁斥力下崩塌，而介子本身具有的两百多倍电子静止质量也能解释为什么强相互作用相比于电磁相互作用具有短很多的作用范围。

1937年，安德森等人在宇宙射线中发现了质量约为电子静止质量207倍的新粒子——μ子，人们起初以为μ子正是汤川预言的介子，从而称之为μ介子。然而随着研究发现，μ子和原子核的相互作用非常微弱，事实证明它只是一种轻子。

1947年，英国布里斯托尔大学的物理学家塞西尔·鲍威尔等人通过对宇宙射线照相发现了质量约为电子静止质量273倍的π介子，从而证实了汤川的预言。

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1914年詹姆斯·查德威克发现β衰变的谱线是连续谱，这表明在β衰变中存在一部分未知的能量损失。为此，沃尔夫冈·泡利于1930年提出中微子假说：在β衰变过程中，伴随每一个电子有一个轻的中性粒子一起被发射出来，泡利当时将这种粒子称作中子。但随后查德威克于1932年发现了“真正”的大质量中子后，这种中性粒子后来被费米改成了现在具有意大利文风格的名字，称作（反）中微子。

1934年，费米在此基础上将产生电子和中微子的过程和产生光子的过程进行了类比，提出中子和质子只是核子的两种状态，β衰变即这两种状态之间的跃迁过程，从中会释放出电子和中微子；而相对于电磁相互作用释放的光子，释放电子和中微子的相互作用被称作弱相互作用。

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意大利物理学家维克和汉斯·贝特后来用费米的衰变理论预言了第三种β衰变的形式：电子俘获，这一预言后来也被实验证实。

1953年，洛斯阿拉莫斯国家实验室的克莱德·科温和弗雷德里克·莱因斯等人利用核反应堆的β衰变产生的反中微子对质子进行散射，通过测量得到的中子和正电子的散射截面直接证实了反中微子的存在。相关论文《自由中微子的探测：一个证实》于1956年发表在《科学》杂志上，这一结果获得了1995年的诺贝尔物理学奖。

左图为：默里·盖尔曼

如前所述，夸克模型是由盖尔曼和乔治·茨威格在1964年分别独立提出的，在他们的模型中，强子由三种味的夸克：上夸克、下夸克和奇夸克组成，这三种夸克决定了强子具有的电荷和自旋等属性。

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物理学界对这个模型最初的意见是具有争议的，包括争论夸克是否是一种物理实在，还是只是为了解释当时无法解释的一些现象而提出的抽象概念。

不到一年之后，美国物理学家谢尔登·格拉肖和詹姆斯·比约肯扩展了夸克模型，他们预言还有第四种味的夸克：粲夸克存在。这个预言能够更好地解释弱相互作用，使夸克数和当时已知的轻子数相等，并暗示了一个能够给出已知介子的质量的质量公式。

1968年，在斯坦福直线加速器中心进行的非弹性电子散射实验表明质子具有更小的点粒子结构，不是一种基本粒子。当时的物理学家并不倾向于将这些更小的粒子称为夸克，而是按费曼的习惯称之为部分子parton。后来这个实验的产物被判断为上夸克和下夸克，但部分子这一名称仍被沿用至今，它被用于强子的组成部分的统称（夸克、反夸克和胶子）。

深度非弹性散射实验还间接证实了奇夸克的存在，奇夸克的证实为1947年在宇宙射线中发现的K介子和π介子提供了解释。1970年，格拉肖等人再次撰文论证了粲夸克的存在性。

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1973年，夸克的味增加到六种，这是由日本物理学家小林诚和益川敏英在实验上观察到CP破坏并认为这一对夸克可以对此加以解释而提出的。这两种新夸克被称作顶夸克和底夸克。

1974年11月，两组团队几乎在同一时间观测到了粲夸克，他们是伯顿·里克特领导的斯坦福直线加速器中心和丁肇中领导的布鲁克海文国家实验室。实验中观测到的粲夸克是和反粲夸克一起束缚在介子中的，而这两个研究小组分别给了这种介子不同的符号标记：J和ψ，从而这种介子后来被称作J/ψ介子。这个发现终于使夸克模型得到了物理学界的普遍公认。

1977年，费米实验室的利昂·莱德曼领导的研究小组发现了底夸克，这为顶夸克的存在提供了强烈暗示。但直到1995年顶夸克才被费米实验室的另一组研究团队发现。

二十世纪五十年代人们在加速器实验中观测到为数众多的“奇异粒子”，它们具有协同产生，非协同衰变的特性。盖尔曼为此引入了一个新的量子数：奇异数，来解释这一特性，即在强相互作用下奇异数守恒，而在弱相互作用下奇异数不守恒。

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其中在K介子的衰变过程中，人们发现有两种质量、寿命和电荷都相同的粒子：θ介子和τ介子，它们唯一的区别是衰变后产物不同：一个衰变为两个π介子，另一个衰变为三个π介子。其中π介子具有负的宇称，从而衰变为两个π介子意味着这种粒子具有正的宇称，而衰变为三个则意味着有负的宇称。如果宇称守恒定律成立，则表明这两种粒子虽然其他性质都相同却不是同一种粒子，果真如此为何θ介子和τ介子的性质如此相同？这一难题当时被称作θ-τ之谜。

1956年，当时在美国的物理学者李政道和杨振宁发表了著名论文《弱相互作用中的宇称守恒质疑》，在这篇文章中他们认为，θ-τ之谜所带来的宇称不守恒问题不是一个孤立事件，宇称不守恒很可能就是一个普遍性的基础科学原理。

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在电磁相互作用及强相互作用中，宇称确实守恒，因此在那时期的科学家猜想在弱相互作用中宇称也守恒，但这一点尚未得到实验验证。李杨二人的理论研究结果显示出，在弱相互作用中，宇称并不守恒。他们提出了一个在实验室中验证宇称守恒性的实验方案。

李政道随即请求吴健雄对于这一点进行实验验证。吴健雄选择了具有放射性的钴-60样品进行该实验，成功证实了宇称在弱相互作用中确实不守恒。Θ+和τ+后来被证明是同一种粒子，也就是K介子，K+。

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吴健雄女士

宇称不守恒是粒子物理学领域一项重要发现，其对于标准模型的建立非常重要。为了表彰李杨二人做出的理论贡献，他们于1957年被授以诺贝尔物理学奖。

左图为：史蒂文·温伯格

按美国物理学家史蒂文·温伯格的说法，在五六十年代粒子物理学产生了三个“出色的想法”：盖尔曼的夸克模型、1954年杨振宁和罗伯特·米尔斯将规范对称性推广至非阿贝尔群（杨-米尔斯理论）来解释强相互作用和弱相互作用、自发对称性破缺（希格斯机制）。

二十世纪六十年代，人们对这些发展之间的联系有了更深刻的理解，谢尔登·格拉肖开始了将电磁理论和弱相互作用理论统一起来的尝试。1967年，温伯格和巴基斯坦物理学家阿卜杜勒·萨拉姆试图在杨-米尔斯理论的基础上将规范场论应用到强相互作用，但仍然遇到了杨-米尔斯理论无法解释粒子的静止质量在规范理论中为零及不可重整化等问题。

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后来温伯格在反思中发现可以将规范场论应用到格拉肖的电弱理论中，因为在那里可以引入自发对称性破缺的希格斯机制，希格斯机制能够为所有的基本粒子赋予非零静止质量。结果证明这一理论非常之成功，它不仅能够给出规范玻色子的质量，还能给出电子及其他轻子的质量。特别地，电弱理论还预言了一种可观测的实标量粒子——希格斯玻色子。而希格斯玻色子现在已经观测到了！

温伯格和萨拉姆都认为这个理论应当是可重整化的，但他们没有证明这一点。1973年欧洲核子研究组织（CERN）发现了中性流，后来斯坦福直线加速中心于1978年在电子-核子散射中观测到了中性流的宇称破缺，至此电弱理论被物理学界完全接受了。

电弱理论的成功重新唤起了人们对规范场论的研究兴趣，1973年，美国物理学家戴维·格娄斯和他的学生弗朗克·韦尔切克，以及美国物理学家休·波利策发现了非阿贝尔规范场中的渐近自由性质。而他们也给出了对于观察不到静止质量为零的胶子的解释：胶子如同夸克一样，由于色荷的存在而受到色禁闭的约束从而无法独立存在。

在统合了电弱理论和量子色动力学的基础上，粒子物理学建立了一个能够描述除引力以外的三种基本相互作用及所有基本粒子（夸克、轻子、规范玻色子、希格斯玻色子）的规范理论——标准模型，二十世纪中叶以来高能物理的所有实验成果都符合标准模型的预言。

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然而，标准模型不但无法将引力，以及近年来提出的暗物质与暗能量包含在内，它也没有解释中微子振荡中的非零质量问题。但2008年起在欧洲核子研究组织开始运行的大型强子对撞机的主要实验目的之一，就是对希格斯玻色子的存在性进行验证；2013年3月14日，欧洲核子研究组织发表新闻稿正式宣布探测到希格斯玻色子。这是标准模型的一大胜利。

至此整个“量子”物理学的标准模型建立，并取得一系列验证。如果你坚持看到了这里，一定会被那么的人名，那么多专有名词搞糊涂，所以你就可以想象那些研究者也是这样过来，而且他们的脑中非常的清晰，他们的问题是什么？他要去的方向在哪里？？

如果你以为量子物理学就再无发展，那就错了。很多量子学分支，依然取得很多的研究成果。凝聚体物理学就是其中之一。

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凝聚体物理学成为了目前物理学最为活跃的领域之一。仅在美国，该领域的研究者就占到该国物理学者整体的近三分之一，凝聚体物理学部也是美国物理学会最大的部门。

早期的凝聚态物理是基于经典或半经典理论的，例如在金属电子论中服从玻尔兹曼统计的自由电子气体模型，后来泡利在此基础上引入了由费米和狄拉克各自独立建立的费米-狄拉克统计使之成为一种半经典理论，建立了金属电子的费米能级等概念；以及彼得·德拜改进了固体比热容的爱因斯坦模型，建立了更符合实际情形的德拜模型。

1912年，劳厄、威廉·亨利·布拉格爵士和其子威廉·劳伦斯·布拉格爵士从晶体的X射线衍射提出了晶格理论，这成为了晶格结构分析的基础，也标志着近代固体物理学的开端。

二十世纪二十年代量子力学的诞生使凝聚态物理学具有了坚实的理论基础，其立竿见影的成果是海森堡在1928年建立了铁磁性的量子理论，不过对固体物理学界更有影响力的是同年他的学生、美籍瑞士裔物理学家费利克斯·布洛赫建立的能带理论。

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虽然布洛赫是海森堡的学生，他建立能带理论的基础却是薛定谔方程。他从薛定谔方程的解得到启发，推导出在周期势场中运动电子的波函数是一个调幅平面波，调幅因子（布洛赫波包）具有和晶格势场相同的周期性，这一定理后来被称作布洛赫定理。

布洛赫的能带理论解释了很多以往固体物理学无法解释的现象，如金属电阻率、正霍尔系数等，后来在英国物理学家A.H.威尔逊、法国物理学家莱昂·布里渊等人的完善下，能带理论还进一步解释了金属的导电性、提出了费米面的概念，它对二十世纪三十年代的凝聚态物理学影响非常深远。第二次世界大战后，能带理论在实际应用中发挥了重要作用，贝尔实验室的威廉·肖克利、约翰·巴丁等人于1947年12月23日制造出世界上第一只晶体管。

凝聚态物理学发展的另一个活跃领域是低温方向：1911年，荷兰物理学家卡末林·昂内斯发现水银在4.2K的低温时电阻率消失为零，这被称作超导电性。

对超导电性本质的解释始终是物理学家难以解决的一个问题，即使是在布洛赫建立能带理论之后。1933年，德国物理学家瓦尔特·迈斯纳在实验中发现超导体内部的磁场总保持为零，这被称作迈斯纳效应。

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人们从中发现，超导体的这种完全抗磁性实际来自固体本身的一种热力学态，这种热力学态正是具有超导电性和完全抗磁性这两种属性。为了进一步解释超导电性，人们曾提出过一系列唯象理论，如二流体模型（戈特、亨德里克·卡西米尔，1934年）、伦敦方程（属于经典电动力学理论，伦敦兄弟，1935年）、金兹堡-朗道方程（金兹堡、朗道，1950年）。直到1956年，美国物理学家利昂·库珀利用量子场论方法建立了库珀对的概念，当电子能量低于费米能时，库珀对由两个动量和自旋都大小相等方向相反的电子结合而形成。

1957年，库珀和巴丁、约翰·施里弗三人在此基础上共同提出了超导的微观理论，又称作BCS理论，至此在微观上解释了超导电性。1962年，剑桥大学的布赖恩·约瑟夫森应用BCS理论计算出基于量子隧道效应的约瑟夫森效应。

卡尔·史瓦西

万有理论

从伽利略的时代算起，物理学发展的四百多年历史中已经经历了几次大的统一：牛顿统一了“天上的”和“地上的”力学，麦克斯韦统一了电磁理论，格拉肖等人统一了弱相互作用和电磁相互作用。而尝试将弱电相互作用和强相互作用统一起来的理论统称为大统一理论，大统一理论将统一标准模型中的四种规范玻色子和传递强相互作用的八种胶子规范玻色子。

当前被建议的大统一理论有很多，一般来说这些理论都做出了如下的关键性预言：磁单极子、宇宙弦、质子衰变等，时至今日还没有上述的任何一种现象得到实验的证实。如要通过实验验证大统一理论，粒子所需的能量要达到～1016GeV，这已经远远超过现有的任何粒子加速器所能达到的范围。

摘自独立学者量子力学科普书籍《见微知著》

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