过去、现在和未来

从最初认为原子是不可分割的粒子这一想法开始，我们已经走了很远：先是发现了电子，而后是原子核和组成它的核子。我们现在知道，核子只是强子这类粒子中的一种，它本身由更小的夸克组成。与原子核中的核子不同，夸克被永久地束缚在强子内部，无法以自由粒子的形态被观测到。除了夸克，还存在其他两族粒子：不参与强相互作用的轻子，以及载力子。图1-1总结了这种现代粒子观。

标准模型是我们目前拥有的描述基本粒子的最佳理论。奇怪的是，尽管标准模型是物理学历史上最为成功的理论，但它至今仍被称为一个模型，而不是理论。当前的标准模型实际上由两个理论组成：其中一个理论描述强相互作用；另一个理论描述电磁力和弱相互作用。就像麦克斯韦在19世纪对电磁理论进行的统一，电磁相互作用和弱相互作用通过类似的方式得到了统一。

标准模型旨在以轻子、夸克以及载力子这三族粒子的性质和相互作用解释粒子物理学中引力效应以外的全部现象。引力的效应过于微弱，在如今的粒子物理学能标上不起到作用。除此之外，至少还需要另一种“希格斯粒子”以解释质量的起源（origin of mass）。如果没有这种粒子，标准模型中所有粒子的预测质量都将为0，这明显与实验观测到的结果相悖。如今，标准模型中的粒子被称为构成物质的基本粒子，这意味着它们是点状的，且不存在内部结构。表1-1列出了标准模型中的各种粒子以及它们参与的相互作用。

除了标准模型中的粒子，粒子物理学家也研究由夸克组成的强子。这类复合态有数百种，核子也是其中之一。强子出现在两个粒子相撞的时候，如果发生碰撞的粒子能量足够大，这份能量就能够转化为质量，形成新粒子。 E = mc ² 这个著名的公式阐明了质量 m 与能量 E 之间的等效性，这里的“汇率”是真空中的光速 c 的平方。由于在自然界中无法观测到自由夸克，物理学家被迫借助对强子的研究间接推断夸克的性质，类似于之前通过研究原子核的性质推测核子的性质。由于原子核是核子的束缚态，而核子是夸克的束缚态，理论上应当可以从夸克和夸克间的相互作用中推导出原子核的性质。截至目前，我们发现这超出了现代计算技术力所能及的范畴。就好比我们本该能基于人体基本生化反应的知识预测所有的人类行为，尽管这种预测在理论上或许可能实现，但在实践中离我们还非常遥远。

标准模型对不同领域内各种现象的成功解释给人留下了深刻印象，尽管存在着一些有趣的线索，但它为何具备如今这样的结构则是个尚未解决的问题。例如，在目前可以达到的能标上，三种与标准模型有关的相互作用——强相互作用、弱相互作用以及电磁相互作用——或许是同一种具有单一强度的相互作用的不同表现。眼下，我们在这三种相互作用之间观测到的明显区别则是大爆炸当时那个具有超高能标并且更为对称的宇宙残留下的印记。在那时，不同类型的夸克和轻子并非一成不变，而是能够相互转化。

唯一确定的是，标准模型绝非一切的终结。它既没有解释为什么各种力以及粒子的质量是如今的数值，也没有对引力进行任何描述。宇宙学中也有强有力的证据表明，存在着标准模型以外的质量和能量来源。在大爆炸的理论框架中，宇宙的命运，即宇宙是否会继续膨胀、膨胀是否会在某一时刻停止，乃至宇宙在未来是否有可能收缩，都取决于宇宙的平均密度，因为平均密度决定了宇宙中引力的效应。重子所有已知的形态只构成了宇宙中物质的一小部分，约为15%。科学家被迫得出宇宙中多达85%的物质都并非由重子构成这一结论。这些“缺失”的物质统称为暗物质（dark matter）。更惊人的是，宇宙中多达80%的能量具有完全未知的起源，这部分能量被称为暗能量（dark energy）。对粒子物理学更普遍的统一理论的追寻仍在继续。

这些扩展理论的主要问题之一是它们所适用的能标远超我们目前可以达到的水平。例如，尽管标准模型中假定基本粒子不存在结构，并且这一结论得到了实验结果的支持，但许多物理学家仍相信如果对距离的测量精度能够达到10 ^-35 米（是的，小数点后有35个0！）这一极小的尺度，我们将发现基本粒子存在结构。令人失望的是，我们很难想象这一问题要如何通过实验来探究，因为这意味着实验生成的粒子需要与存在于大爆炸瞬间的那些粒子能量相当。不过，眼下粒子物理学家探究物质结构的能标已经接近大爆炸后10 ^-9 秒时的能量。这些实验将揭示宇宙最初的状态，使科学家得以构建有关宇宙诞生和演化的故事。或许到那时，我们能够对“物质是什么”的问题给出一个确切的答案。 ePTi6rZTZU2VavOHW6xkyXlSmkdvRgs4EfitiouWzs3uq4YcUek2hpJXfmaK24Jd