从构成物质的最小单元,到宇宙最深层的对称性——一份由浅入深的总览。
物质最深处究竟是什么?Quark、轻子与玻色子是构成万物的不可再分单元——从原子到恒星,概莫能外。世界上没有一台显微镜能深入到直接看见它们的程度。
引力、电磁力、强相互作用与弱相互作用——这四种力支配着整个宇宙。每一种都由各自的传递粒子来实现,作用的尺度也截然不同。
这是我们所拥有的关于物理学最完整的图景:17 种粒子,四种相互作用,一套理论。标准模型以惊人的精度描述了几乎一切——除了引力和暗物质。
双缝实验、隧穿效应、纠缠、隐形传态——四个实验,它们的结果都违背日常直觉,却又能被精确重复。可切换查看不同的实验状态。
粒子并非微小的球体,而是弥漫于整个空间的量子化场的激发态。光子就是电磁场的振动——在被测量之前,它无处不在,又同时存在于每一处。
诺特定理将每一种连续对称性都与一个守恒量联系起来:时间不变性 → 能量守恒,空间平移不变性 → 动量守恒。对称性是自然定律背后最深层的原因。
Quark 从不单独存在——它们之间的强力会随距离增大而增强,就像一根有弹性的橡皮筋。一旦试图把 Quark 分开,储存的能量便会立刻转化出一对新的 Quark。量子色动力学用八种胶子描述这种色荷。
在极高能量下,电磁力与弱相互作用会融合为同一种力——电弱力。温伯格、萨拉姆与格拉肖证明了 γ、W± 与 Z 只是同一理论的不同表现形式。
粒子为何拥有质量?希格斯场弥漫于整个空间,并自发打破电弱对称性。与它发生相互作用的粒子由此获得惯性质量。希格斯玻色子正是这一场的激发态——2012 年在 CERN 被证实存在。
标准模型无法解释暗物质,无法解释量子层面的引力,也无法解释宇宙中的物质—反物质不对称。超对称、弦理论与大统一理论都在寻找更深一层的答案——目前尚无实验证据。