世界是由什么组成的？

科学无国界

我们是知识的搬运工

来源：中科院物理所

本书打破了时间与空间的束缚，以生动有趣的语言讲述了量子力学的基本概念以及量子力学发展史。读者将同主人公一起，跟随量子仙女的脚步造访薛定谔的猫的故乡，与量子学派的代表人物共进早餐，并光临欧洲核子研究组织了解关于量子技术的新研究，切身体会与日常生活息息相关的量子物理的奇妙之处。

作者：Elias Riedel Gårding

翻译：loulou

审校：Nothing

世界是由什么组成的？即使问这个问题都显得有点天真，更不用说去期待一个多么成熟明智的答案了。但是科学的一大奇迹就是从简单的问题中获得惊人（尽管不是很完美）的答案。

原子及以上

在学生时代，我们就知道了普通物质是由原子构成的。原子最初被认为是物质最小的组成部分(原子这个词的意思是“不可分割的”)，一百多种不同类型的原子被收纳在元素周期表中，它挂在世界上每个化学教室的墙上。 

元素周期表

但是原子并不是故事的结局。大家都知道原子是由电子围绕一个由质子和中子组成的中心原子核旋转而成的。电子在原子核周围以壳层形式排列，并与其他原子中的电子结合，形成复杂的排列。这是化学的基础，也是我们周围各种物质的基础。事实上，质子和中子本身就是由微小的上夸克和下夸克组成的(一个质子由两个上夸克和一个下夸克组成，一个中子由一个上夸克和两个下夸克组成)。

质子由两个上夸克和一个下夸克组成。

我们日常生活中的所有物质——空气、海洋、岩石和金属、树木、鸭子、人力资源经理、我们的朋友和敌人、每颗行星和每颗恒星——都是由三种粒子构成的:电子、上夸克和下夸克。所有这些不同类型的物质之间的差异都源于这些粒子的不同排列组合方式。

我们宇宙中的粒子

宇宙中有什么不是由夸克和电子构成的？也许很难立即想到这件事，因为我在上一段中排除了大多数可能性。但是有一种熟悉的物质最终会浮现在我们的脑海里——光。

把光称为一种“物质”似乎有些奇怪，但现代物理学已经证明，光实际上与物质非常相似。它以有限的速度运动(著名的常数c，大约为30万公里/秒)，它受到引力的影响(正如爱因斯坦的广义相对论所预言的那样)，它甚至有组成自身的粒子——光子。

既然光是由粒子构成的，似乎我们也可以合理地猜测一切都是由粒子构成的。除了我们目前知道的4个以外，我们还能找到更多的吗？答案是肯定的。自从现代粒子物理学诞生以来，我们在宇宙射线和粒子对撞机中发现了大量的粒子。幸运的是，在经历了许多令人挠头搔耳的事情之后，事实证明它们都是由一组很小的粒子经过不同的组合而组成的，就我们今天所知，这些粒子是基本的(即真正不可分割的)粒子。总共有17个这样的基本粒子，如下表所示。 

已知的基本粒子

首先，我们把他们分为三个类别的粒子(我们称之为代)，每个类别由四种物质粒子组成:两个夸克和两个所谓的轻子。在第一类中有我们现在熟悉的上夸克，下夸克和电子，还有第四种粒子，电子中微子。这是一种几乎没有质量的粒子，它在太阳中大量产生，但它可以穿透绝大部分普通物质。两个夸克和两个轻子的模式重复了两次，所以总共有12个物质粒子，分为三代。除了变得更重之外，后两代的粒子与第一代的粒子有着完全相同的性质。这是一种相当奇怪的情况，但似乎事实就是如此。

接下来，有四个所谓的规范玻色子，光子是其中一个。规范玻色子与四种基本自然力中的三种有关:胶子对应于强核力，光子对应于电磁力，W和Z玻色子对应于弱核力。

最后，还有希格斯玻色子(Higgs boson)，自2012年在欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机上被发现，希格斯玻色子一直享誉世界。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异夸克还要奇怪)。如果你关注到它被发现的过程，你可能会认识到粒子通过与希格斯玻色子的相互作用而获得质量的说法。

上表中所示的粒子，连同爱因斯坦的引力理论，解释了物理学中所有的观测结果，只有少数例外(大部分在天文学中)。特别是，我们在日常生活中遇到的所有事物最终都是由这些粒子相互作用产生的。单独的相互作用是相当简单的，但是把它们放在一起就会增加我们观察到的事物的复杂性，就像一个复杂的机器，其中每个组件都根据简单的规则进行自己的行为。

量子领域

如果你读过任何关于现代物理学的东西，你就会听到无数关于量子力学不可思议的奇异性的证词，量子力学是描述微观物质的物理。事实上，把量子力学的原理(最初是为微小的类点状粒子制定的)应用到场(如电磁场)中，那么连最优秀的物理学家也会在几十年的时间里用脑袋撞各种各样的墙。幸运的是，他们的斗争给我们留下了一个奇妙的理论，量子场论(QFT)，这是目前我们所有物理定律(除了引力)的语言。

QFT解决了我们对于光是由波还是粒子组成的困惑。用非常简单的语言来说，本质是这样的：量子力学说，场中的波不可能是无限弱的。相反，你可以通过将大量微小的不可分割的波叠加在一起来产生一个强一些的波。

QFT还以一种统一的方式解释了许多听起来像是科幻小说的概念，这些概念是物理学的一大魅力所在。例如，一些粒子有一个相对应的反物质(只是同一场中的一种不同类型的波)，粒子可以被创造和湮灭，变成其他类型的粒子(一个场中的波可以转换成另一个场中的波)。

还遗落下什么？

只需要很少几个量子场（如标准模型所描述的）就可以描述整个自然，基本粒子是这些场中存在的波。以上知识几乎构成了整个自然界。除了量子引力这个(大的!)问题之外，还有一些细枝末节有待解决，尽管如此，我们依旧有很多东西有待发现。我不会讲太多细节，只用几句话稍做介绍。

暗物质：通过它对星系的引力作用，我们发现了某种看不见的物质。我们不知道它是什么，但对于它，我们有一些猜想。

暗能量：自大爆炸以来，宇宙一直在膨胀。但是膨胀在加速，而普通广义相对论认为它应该在减速。目前我们也不知道为什么。

膨胀：在大爆炸后的最初几秒钟，宇宙似乎经历了令人难以置信的快速膨胀。一个比较靠谱的猜测是这个过程是由我们称之为暴涨场(对应于一种称为暴涨子的粒子)的量子场引起的。这可能是标准模型之外的一个新领域。

中微子：在标准模型中，中微子不与希格斯场相互作用，这意味着它们没有质量。然而，中微子振荡的发现(获得2015年诺贝尔奖)表明，中微子随时间而变化。由于没有质量的粒子不会经历时间的流逝(相信我，或者问问爱因斯坦)，中微子一定有质量。我们不太确定这其中的机理是什么，还有许多未解之谜与中微子有关。

路的尽头？

恭喜你!就我们今天所能回答的，你现在知道了文章第一段的问题的答案：“一切都是由什么构成的？”到目前为止我们所知道的足以解释我们生活中所经历的一切：一切都是由标准模型的17个量子场构成的，这些场中的波是基本粒子。