什么是“粒子”？

量子力学告诉我们万物皆由粒子构成，这究竟是什么意思？...



我们知道物质是由原子构成，原子则由更小的成分：质子，中子和电子构成的。质子和中子是由夸克组成，但电子不是。据目前所知，夸克和电子和最基本的粒子，它们不是由更小的粒子构成。



Neutron: 中子；Proton：质子；Electron：电子；up quark：上夸克；down quark：下夸克

所以我们可以说万物皆由粒子构成，但什么是粒子？当我们说基本粒子的时候，这个“基本”又是什么意思？如果粒子不是由更小的单位构成的，那么它们是怎么来的？

在最广泛的意义上来说，“粒子”是一种“可数”的物质。自然界中并不存在半个夸克或者三分之一个电子。相同类型的粒子都是一样的：它们不会有不同的颜色或者车牌照让我们可以区分它们（关于这一点下面还会讨论到）。任何两个电子都会在探测器产生同样的结果，这也是为什么它们是“基本”的。

不仅仅是物质，光也是由粒子组成的，即光子。大部分时间里，单个光子是不被察觉的，但是宇航员宣称即使他们闭着眼睛也会看到闪光，因为单个伽玛射线光子会穿过眼球里的液体。光子会与液体里的粒子发生作用并产生蓝色微光——切伦科夫光，这足够刺激视网膜让宇航员“看见”单个光子。

当然，这并不是全部的故事。我们可以数粒子，但不要忘记，粒子也可以被创造或毁灭，甚至在某些情形下可以改变类型。在β衰变的核反应中，一个中子可以衰变为一个质子，同时释放出点子和另一个基本粒子叫反中微子。在低速的情况下，一个电子遇到它的反粒子——正电子，它们就会湮灭，只留下伽玛射线；但如果是高速的情况下，它们就会碰撞产生一连串的新粒子。



电子和正电子对撞产生一系列粒子。

我们都听过爱因斯坦著名的方程E=mc²。它的部分意义是制造一个粒子所需要的能量正比于它的质量。质量非常小的中微子就很容易制造；电子就需要多一点的能量，而重希格斯玻色子就需要巨大的能量才能产生。光子是所有粒子中最容易产生的，因为它们没有质量或者电荷，所以不需要克服任何能量阈值。

但是如果需要制造新的粒子就要求更大的能量，这也是为什么那些大型加速器要不断的增加能量的原因。通过在电磁场中加速电子就可以制造光子，但是你不可能以同样的方式来制造中微子或者更多的电子。关键在于这些粒子是如何相互作用的，粒子间的相互作用由自然界中的三本基本量子力统治：电磁力，弱力和强力。这些力是由粒子来传送的：电磁力是由光子来传递的，弱力则是由W和Z玻色子支配的，强力则需要胶子的参与。



弱力由W波色子和Z玻色子传递。

而所有的这些都是由一个理论来描述的：量子场论。量子场论是量子力学和狭义相对论的结合。为什么我们需要量子场论？除了它暗示了粒子数量是不守恒的，下面我再讨论一点。

上面我们提到了“相同类型的粒子都是一样的”。这听起来有点蠢，但并不！这边的意思是两个电子在各个方面都是一样的，不管它们从何而来或者它们经历了什么。这对于其它的基本粒子也是一样。

假设我们从宇宙射线中捕捉到一个质子，该宇宙射线是来自80亿光年外的超新星爆发。如果我们把捕捉到的质子跟地球上某个加速器里产生的质子相比。我们会发现它们完全一样！这怎么可能？为什么两个物体在不同的时空内被制造出来怎么可以在各个方面都一样？其中一个解释是，在宇宙中充满了制造质子“东西”的海洋，每个质子都是从这片“东西”中创造出来的。所以从不同的地方产生一样的质子也就一点都不奇怪了，因为他们从同样的“东西”创造出来。这是大概发生的情况，这个“东西”也就是质子场，或者你看得够仔细，其实是夸克场。

尽管概念还是有点模糊，场实际上描述了所有。两个电子相互靠近并且搅乱电磁场，创造出光子，就像池塘里的涟漪。这些光子进而把电子推开。波是理解粒子和场最好的比喻。电子是一个粒子的同时也是电子场中的波；夸克是夸克场中的波（夸克共有六种，所以有六种夸克场）等等。光子就像是水波：它们可大可小，猛烈或者平静地不被察觉。用场来描述物质就像是吉他弦上的波。如果你不用力拨弦，你就不会听到任何声音：你需要相应于电子质量的能量阈值来创造一个。当能量足够，你就得到第一谐波，对于弦来说它是一个清亮的音符，而对于场来说，它就是一个电子。



六种不同的夸克。

当我们以量子的角度去思考的时候就会发现，如果把粒子想象成一个非常小的球并没有任何一点帮助。

光子（和其它物质粒子）在空间中像波一样传播，尽管它们可以像球一样被计数。

这个比喻并不是完美的：电子场、电磁场和其它任何东西的场布满了整个时空，而不是像一维弦或者二维的池塘的水面。

当然，我们还可以继续追问：如果粒子来自场，那么这些场就是最基本的吗，或者还有更深的物理隐藏在背后？我们只能等待更好的理论出现，否则用粒子描述物质和基本力是我们可以信赖的。

    关注 原理