【极小篇｜第六章：标准模型】01 粒子之间如何相互作用

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严老师讲义 

粒子物理在一定程度上把所有基本粒子的种类都辨别清楚了。组成重子和介子的基本粒子都是夸克。夸克总共有六种，它们无法独立存在。夸克有色荷、味荷和电荷。其中色荷能够发生强相互作用；六种夸克对应六种味，味荷发生弱相互作用；电荷用来发生电磁相互作用。它们都有质量，可以发生引力相互作用。味的种类，决定了夸克的质量。它们的质量从轻到重，分别是上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克。

夸克是可以发生全部四种相互作用的基本粒子。除了夸克以外，轻子也有六种，分别是：电子、μ子、τ子，电子中微子、μ中微子、τ中微子。其中电子、μ子、τ子带电，这三种粒子对应了三种不带电的中微子。别看这些中微子不带电，但是它们有自旋，可以发生电磁相互作用。这六种夸克和六种轻子，都有自己的反粒子。

6.1.1 夸克模型的遗留问题

如此看来，我们已经在实验室里发现了能发现的所有粒子，粒子物理对于粒子种类的研究已经相当成功了。但是，目前人类对它们的理解还不够彻底。还记得在【极重篇】第一章：广义相对论的基本原理的开篇就提出了两个问题。

问题一：万有引力具体是如何作用的？

它们看似没有作用的媒介，后来我们知道，这种媒介就是时空本身。

问题二：引力的作用是不是超距作用？它的传播是否需要时间？

根据广义相对论，引力的作用不是超距的。它的传播速度，或者说时空扭曲情况的传播速度，等于光速。

夸克之间的色，是发生强相互作用的关键，味是发生弱相互作用的关键，电是发生电磁相互作用的关键。同样的我们可以提出这些问题：这三种相互作用的作用机制是什么？它们作用的媒介是什么？它们的传播是否需要时间？

6.1.2 经典物理是怎么解释相互作用的？

经典物理中对相互作用，譬如电磁相互作用和引力相互作用，是用电磁场以及引力场的概念去描述的。可以回顾一下中学里是怎么学的，一个电荷产生的同时会在它周围建立起电场，这些电场可以用电场线来表示。电场线密度高的地方表示电场强度大，反之则表示电场强度弱。磁场也可以用类似的磁场线来表示。

一个正电荷与负电荷的电场线

但仔细一想你就会发现，这种场的表述方式，在微观层面上是不抓本质的。场的概念其实是人为创造出来的，我们无法用任何实验来证明有电场线、磁场线的存在。

我们之所以会创造这样的概念，完全是为了方便理解和计算。比如为了了解一个电荷产生的电场，可以用一个检验电荷放在它周围的所有地方，并记录检验电荷在这些地方感受到的力的大小和方向，再人为的加上电场线的概念。

经典电磁学认为电磁场是连续的。但由于微观物理世界是量子化的，用经典的观点来解释未必管用。基本粒子的相互作用，时时伴随着量子力学的规律。比如，不确定性原理永远应该摆在首位。

因此，我们需要重新定义相互作用的本质。连续的经典场的表述，在量子系统的层面上，尤其是小到夸克这个程度，未必能描述其本质。

6.1.3 什么是力？

粒子物理关于相互作用的定义，其基本思想还是从实验出发，用测量到的物理量对量子系统进行描述。这里能测量到的无非就是基本粒子的各种性质，比如电荷、质量等。也就是说，我们能测量到的无非就是各种粒子的存在。

在粒子物理层面，如果一种相互作用的本质是交换了粒子，我们就说这个相互作用是一种力。譬如，电磁力的本质是电荷之间交换了光子。

举个例子，我和你两个人穿着溜冰鞋站在冰面上，每个人手上都抱着一个铅球，现在我们把铅球都扔给对方，同时接住对方的铅球。在这个过程中，我们交换了手中的铅球。可以想象，我们在抛出和接到对方铅球时都会向后退。从宏观上看，我们两之间就像产生了排斥力一样。但是我们每个人和铅球作为一个个体，都没有发生变化。

这就是粒子的交换，产生的效果等于受到了力的作用。

6.1.4 引力到底是不是力？

明确了力的本质是粒子的交换，接下来就要研究目前已有的四种相互作用。它们分别是色荷产生的强相互作用、味荷产生的弱相互作用、电荷产生的电磁相互作用以及质量产生的引力相互作用。看看它们之间有没有粒子的交换，如果有，交换的粒子是什么？它们的性质是什么样的呢？

强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用都交换了粒子。强相互作用交换的是胶子，胶子有八种，并且每一种胶子都是自己的反粒子。弱相互作用交换的粒子有三种，分别叫做 W+、W-、和 Z0 粒子。其中W+和W-互为反粒子，Z0是自己的反粒子。电磁相互作用交换的是光子，光子也可以被认为是自己的反粒子。这些用来交换的粒子，都是玻色子。

根据爱因斯坦的广义相对论，引力只表现为时空的扭曲，它并非是个力。但这只是宏观上的解释。要判断引力在微观层面上是否是一种力，要看它是否交换了粒子。有很多预言认为引力如果是个力，它交换的应该是引力子。但引力实在太弱，引力波如此宏观的现象都那么难以探测，更不要说是微观的引力子了。

这里有很多新的概念，比如胶子、W+、W-和Z0玻色子等等。接下来的任务就是去研究这些用来交换的粒子到底是什么？它们是怎么产生的？它们的性质是什么？这就进入了一个新的领域——量子场论。