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爱因斯坦与万物之理：统一路上人和事 [:1700970779]
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爱因斯坦与万物之理：统一路上人和事 5．基本粒子知多少
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1869年，俄国化学家门捷列夫将化学元素分类排队，组成了元素周期表。元素分类的这种重复模式，启发了物理学家的思维，去探索物质结构更为深层的基本粒子的秘密。最后，发现并证实了所有的原子都是由质子、中子、电子组成的结论。
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20世纪初期和中期，基本粒子是指质子、中子、电子、光子和各种介子，这是当时人类所能探测到的不可分的最小粒子。然而，之后随着实验和量子场论的进展，物理学家们认为质子、中子、介子是由更基本的夸克和胶子等组成，因而将粒子重新分类。
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从自旋的角度，所有的微观粒子分为两大类：费米子和玻色子。自旋为半整数的粒子为费米子，服从费米—狄拉克统计规律；自旋为整数的粒子为玻色子，服从玻色—爱因斯坦统计规律。
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从结构的角度，所有的微观粒子也分为两大类：基本粒子和复合粒子。基本粒子被认为是不可再分的“世界之本源”，复合粒子由基本粒子构成。
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图4-5-1所示是现代物理学中公认的基本粒子的分类模型。其实这个基本粒子表比元素周期表看起来简单多了。虽然基本粒子的总数目有62种，但从图中所示的大框架来说，主要的方块中只有4×4＝16类基本粒子，12类费米子和4类玻色子；再加上放置在旁边的另外两种特别玻色子，其一是希格斯粒子，另一个是可能存在的、尚未包括到标准模型中的传递引力作用的引力子。
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图4-5-1 从元素周期表到基本粒子表
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12类费米子按4个1组，分别成为夸克和轻子的3代家族。只有第一代家族的4个粒子：上夸克、下夸克、电子、电子中微子，是构成通常可见物质的基本砖块，其他两代家族，都与常见物质无关，并且它们算是第一代家族衍生出来的更重的版本，所以除了专门的粒子学家之外，我们可以暂时不去了解它们，也没有必要记住它们。
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因此，世界本源的图景并不复杂：物质是由分子构成的，分子由原子组成，原子由原子核和电子组成，原子核中有质子和中子。电子、质子、中子的不同数目决定了元素周期表中不同的元素。质子和中子不再被认为是物质的基本单元，它们属于复合粒子，由更小、更为基本的夸克和反夸克构成，每个质子由2个上夸克和1个下夸克组成；每个中子则由1个上夸克和2个下夸克组成。比较复杂一点的是玻色子，它们是宇宙中4种相互作用的传递媒介粒子。
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在量子引力理论里，引力相互作用假设由引力子（graviton）传递，引力子是自旋为2的玻色子。但是，现代物理统一理论中的标准模型还无法将引力作用包括在内，物理实验和天文观测也还没有引力波或引力子存在的任何证据，对此暂且不表。
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光子（photon）在图4-5-1中用符号γ表示，是电磁相互作用的传播粒子。电磁场是符合U（1）对称性的场，U（1）有1个生成元，因而对应的传播子（光子）只有一种，自旋为1。
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胶子（gluon）用符号g表示，是夸克之间强相互作用的传播粒子。胶子场是SU（3）群，有8个生成元，因而胶子有8种，胶子的自旋也是1。
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弱相互作用是使原子衰变的相互作用，其对称性是SU（2）群，有3个生成元，对应于3个场传播子：W及Z玻色子；共有3种：带单位正电荷的W＋，带单位负电荷的W-，电中性的Z0。这3种粒子自旋为1，且是短命粒子，半衰期只有3×10-25s左右。
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希格斯粒子（Higgs boson）是标准模型所预言的一种自旋为0、不带电荷、质量非0的玻色子，在标准模型预言的61种基本粒子中，是最后一种被实验证实的粒子，将在第五篇中详细介绍。
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(1) IBM：International Business Machines Corporation，国际商业机器公司。
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(2) 物理学家为了方便起见，一般采用一种特别的单位，称为自然单位，其中令约化普朗克常数、光速c、波尔兹曼常数都为1。即令ℏ＝c＝kB＝1，自然单位中，质量和能量的单位一样，都可以用电子伏特eV来表示。
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爱因斯坦与万物之理：统一路上人和事 [:1700970780]
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爱因斯坦与万物之理：统一路上人和事 第五篇 标准模型
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爱因斯坦与万物之理：统一路上人和事 [:1700970781]
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1．规范理论的诞生
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谈到规范理论的诞生，我们还得回到20世纪30年代时外尔的工作。
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建立和发展规范理论的物理学家，对美都有一种独特的欣赏方式。杨振宁多次在文章和演讲中感叹物理及数学之美；外尔特别欣赏自然界的对称美，他于20世纪50年代初在普林斯顿大学作了一系列有关对称的演讲，后来写成一本名为《对称》的科普小书，广受读者欢迎。