物理學最大的難題是什么？大統(tǒng)一理論和萬有理論何時實現(xiàn)？

現(xiàn)代物理學天空還有很多烏云，要解決這些烏云最有效的方式，就是利用現(xiàn)有的理論，不斷填補漏洞 。

理論越先進，就越接近突破烏云的邊緣。

在往期的物理學烏云系列中，我只是陳述問題，不提出解決這些烏云的思路。

目前最有可能突破的烏云就是統(tǒng)一電磁力，弱力和強力的大統(tǒng)一理論。

而這期視頻則是用目前最前沿的量子場論，提供物理學家利用標準模型構(gòu)建大統(tǒng)一理論的思路。

文章涉及的知識量極大，涉及量子電動力學，楊·米爾斯理論，量子色動力學，希格斯機制，對稱性，凝聚態(tài)超導理論，大爆炸理論，文案已經(jīng)最大程度通俗化了，邏輯性也早已串聯(lián)到位，適合反復閱讀。（文章字數(shù)太長，分三篇文章發(fā)布）

這是一張粒子物理的標準模型圖，也可以說是人類目前為止掌握到最接近萬有理論的模型了。

想象一下，宇宙中的自然現(xiàn)象包羅萬象，千變?nèi)f化，有超新星爆發(fā)釋放的高能射線，又有黑洞合并產(chǎn)生的引力波，還有DNA合成的氨基酸。但從微觀層面來看，宇宙中所有的現(xiàn)象本質(zhì)上都是千篇一律的，所有的自然現(xiàn)象都是由物質(zhì)作為載體而開展的。

而物質(zhì)有兩個最基本的屬性，一個是變化屬性（力），另一個是質(zhì)量屬性。

所以宇宙中所有現(xiàn)象都可以歸納成物質(zhì)，質(zhì)量，力這三個維度來解釋。

這時候你再看標準模型，剛好就是解釋這三個維度的理論。

截止2023年，人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了61種基本粒子，這61種基本粒子都在標準模型中，在常見的標準模型表中，只呈現(xiàn)了17種基本粒子，剩下的粒子主要是這些粒子的反物質(zhì)，以及夸克和膠子的色荷粒子。

所以其他44種基本粒子沒有在這張圖上，主要是它們都可以通過圖中這17種基本粒子延伸出來。就相當一個家庭只出一個代表就行。

比如夸克一共有36種，但是圖中只有6種，這主要是因為夸克有兩種屬性，一種是“味”，一種是“色”。當然，這里的味道和顏色和生活中說的那種完全不同，這兩種屬性對應的是兩種量子數(shù)。

夸克一共有6種“味”，對應的名字分布是上，下，粲，奇，頂，底。每一種味又有3種色荷，所以夸克在“味”和色荷上的區(qū)分，就變成了18種。而每一種夸克還有自己的反物質(zhì)，加一起剛好就有36種夸克。

在這張圖中，每個粒子標注了三個量，分別是質(zhì)量，電荷和自旋。

先看看這些粒子的自旋，就會發(fā)現(xiàn)，這些粒子的自旋無非就是0 ，1/2，和1(絕對值)，而這三個自旋值又可以分為整數(shù)和半整數(shù)兩大分類。

左邊這12種基本粒子也叫費米子，是遵守費米-狄拉克統(tǒng)計的粒子，說直白一點，費米子的共同特點就是它們的自旋都為半整數(shù)。它們的同一作用，就是負責形成物質(zhì)結(jié)構(gòu)。

而后邊這五種基本粒子的共同點就是自旋都為整數(shù)。

這些自旋為整數(shù)倍的粒子就是玻色子，他們遵守玻色－愛因斯坦統(tǒng)計。

在五種玻色子中，其中又有四種的自旋為1，這些自旋為1的玻色子又叫規(guī)范玻色子，當然還有一種尚未發(fā)現(xiàn)的引力子，其自旋為2，也屬于規(guī)范玻色子。

規(guī)范玻色子的作用就只有一個，它們不參與物質(zhì)的構(gòu)成，只負責費米子之間力的傳導。所以規(guī)范玻色子也叫傳播子。

這時候再看一下這幅圖，左邊這12種費米子負責構(gòu)成物質(zhì)，而右邊這四種玻色子負責力的傳遞。費米子和規(guī)范玻色子相互打配合，共同造就了物質(zhì)運動現(xiàn)象。

在標準模型圖的最上面，是用希臘數(shù)字標注的一二三，這些表示一代，二代，三代。“代”指的是這些基本粒子的發(fā)現(xiàn)時間，最早發(fā)現(xiàn)的費米子就叫一代，依次類推。

你會發(fā)現(xiàn)，后一代的粒子除了質(zhì)量會比前一代高很多，電荷和自旋都是一樣的。所以費米子的代差，只是質(zhì)量上的差別。

而粒子的質(zhì)量越大，越容易衰變，存在的時間也就越短。所以只有第一代費米子的質(zhì)量最小，最穩(wěn)定，存在時間最長，也最易發(fā)現(xiàn)。

而第二代和第三代費米子由于質(zhì)量較大，所以從產(chǎn)生到衰變只是一瞬間的事，目前只能在加速器中找到，所以很難發(fā)現(xiàn)，找到它們的時間也就比較晚。

而下面這兩行費米子統(tǒng)稱為輕子，上面是電子家族，下面是中微子家族，最明顯的區(qū)別就是帶不帶電荷。帶電荷就是電子家族，不帶電荷就是中微子家族。

它們之所以叫輕子，并不是因為他們質(zhì)量輕，而是因為它們都不參與強力。

而在標準模型圖的右上面只有一種粒子，也是最晚發(fā)現(xiàn)的，這就是希格斯粒子，它于2013年最終被確認，希格斯粒子的自旋為0，是目前唯一發(fā)現(xiàn)的標量玻色子。它的主要作用就是賦予其他基本粒子以質(zhì)量。

希格斯玻色子會給wz玻色子，電子家族以及所有夸克賦予質(zhì)量

而中微子質(zhì)量來源目前還是另一朵烏云。

標準模型與大統(tǒng)一理論

如果我問你，你身體的質(zhì)量來自哪里？

你可能有點懵，你下意識可能會回答到，我自身就有質(zhì)量。

那你自身固有的質(zhì)量又來自哪里？

當然，這就要從微觀層面入手，人體的質(zhì)量來自于構(gòu)成人體的所有原子的質(zhì)量之和。

原子由核外電子和原子核構(gòu)成。而原子核又由質(zhì)子和中子構(gòu)成，質(zhì)子和中子的質(zhì)量差不多是一樣的，但卻是電子質(zhì)量的1836倍。所以原子質(zhì)量的99.9%都來自原子核。

而原子核中的質(zhì)子和中子又由夸克構(gòu)成，而大部分人會認為質(zhì)子或中子的質(zhì)量來自內(nèi)部夸克質(zhì)量之和，其實這種看法是錯的。

以質(zhì)子舉例，質(zhì)子含有兩個上夸克和一個下夸克，而這三個夸克加一起能量只有9.4Mev，而質(zhì)子總能量為938Mev,

所以夸克質(zhì)量之和只占據(jù)質(zhì)子質(zhì)量的1%，其他99%的質(zhì)量則來自于膠子產(chǎn)生強力的結(jié)合能。至于這種結(jié)合能產(chǎn)生的額外質(zhì)量到底是怎么來的，文章接下來會講。

而對于夸克自身，它的質(zhì)量則來自希格斯機制！

在我往期的視頻中，我經(jīng)常說基本粒子本質(zhì)上就是波，這條波可以延伸到宇宙各個角落，波上有個波包，波包在哪，我們就說粒子在哪。但是波包的概念也是比較傳統(tǒng)的說法。

按照量子場論的說法，波的概念被量子場取代。每一種基本粒子本質(zhì)上都是自己的量子場，比如，光子場（電磁場），電子場，夸克場

粒子只是自身量子場的激發(fā)，電子場激發(fā)電子，光子場激發(fā)的光子，夸克場激發(fā)的夸克。

標準模型中所有的基本粒子都是自己對應的量子場，這種場彌漫整個宇宙，一般情況下，這些量子場處于基態(tài)，也就是能量最低狀態(tài)，由于能量的缺少，并不會激發(fā)出有質(zhì)量的粒子。

但要注意，處于基態(tài)的量子場中會不斷產(chǎn)生正反虛粒子對，這些粒子對的能量是從真空中借的，很快就會湮滅，并將能量還給真空。這就是量子漲落，雖然每種量子場中不斷產(chǎn)生虛粒子對，但很快就會湮滅，最后量子場的真空期望能還是為0。

所以不要被量子場中的量子漲落迷惑了，量子漲落這種白嫖的能量并沒有什么卵用。

量子場要想在不白嫖的情況下，就能激發(fā)出粒子，就得獲取能量。

這種能量必須從非真空的外界攝入，也就是和其他量子場相互作用。

而大部分粒子會和希格斯場相互作用，也就是由希格斯場提供能量，比如夸克場與希格斯場作用后，會吸收能量，從而激發(fā)出夸克，但是要注意，這種吸收能量的數(shù)值是間隔的，并不是連續(xù)的，也就是說夸克場和希格斯場作用的時候，吸收的能量只能是激發(fā)整數(shù)個夸克所需的能量，假設一個夸克的能量為A，那夸克場吸收的能量只能是1A,2A,3A, 不可能存在0.5A,1.68A這種能量值。

因為量子場激發(fā)的粒子都是基本粒子，每一種基本粒子的能量都是一種基本單位，如果存在非整數(shù)的能量值，那么這種所謂的“基本粒子”就是一定還存在內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

正是由于夸克場和希格斯場作用，所以才獲得了能量，而能量又等價于質(zhì)量，所以夸克就擁有了質(zhì)量。但是并不是所有基本粒子都會和希格斯場作用。比如光子場，膠子場就沒有和希格斯場相互作用，所以它們的沒有固有質(zhì)量。

而關(guān)于希格斯機制為什么會賦予基本粒子質(zhì)量，則暗示著大統(tǒng)一理論的線索。

剛才已經(jīng)講過了，粒子只是各自量子場的激發(fā)，雖然量子場會產(chǎn)生量子漲落好像創(chuàng)造了能量，但是這是無效能量。

如果測量某個量子場所有可能出現(xiàn)的能量值，最后得出的真空期望值就為0，所以每一種量子場的期望值起初都為0，你可以直白理解成量子場起初的能量都為0，期望值為0就意味著，量子場要激發(fā)出有靜止質(zhì)量的粒子，就需要和其他量子場作用獲取能量。

而如果所有量子場的期望值都為0，那量子場就無法從任何其他量子場中獲取能量。

就好像這61種基本粒子都是窮鬼，如果要想借錢花（激發(fā)有質(zhì)量粒子），必須傍一個大款才行。這時候希格斯場就發(fā)揮這個大款的作用。

那為什么希格斯場就可以擁有能量？它的能量哪來的？

希格斯場自帶能量就要求希格斯場的期望不能為0。而量子場的真空期望值是否為0則取決于對稱性是否破缺。

在微觀世界，對稱性是很抽象的概念，而這東西本質(zhì)上也無法用二維圖像呈現(xiàn)出來。比如強力的su3對稱性涉及8個維度，這根本就無法科普。

一般情況下，科普視頻中的對稱性都是找一些對稱性圖案比喻。

但要注意，這種科普絕對不是真實情況，比如生活中三原色合成白色也是一種對稱性。對稱性嚴格來說，就是物理屬性遵守一種還原和合成的一致性。

這種抽象概念無法具象呈現(xiàn)，所以視頻中的圖案比喻也是妥協(xié)后的無奈之舉。

所以接下來講到的對稱性，自己大概想想就是那么回事就行了，絕對不是動畫演繹的那樣，千萬不要對號入座。

對于基本粒子內(nèi)在的對稱性而言，可以想象幾乎所有基本粒子都處于圖形中間，這是符合對稱性的。

而只有希格斯粒子會掉落到一旁，這就導致希格斯場的對稱性自發(fā)遭到破壞，類似于結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)。對稱性的結(jié)構(gòu)一旦遭到破壞，那么在性質(zhì)上就導致希格斯場的期望值不為0，這就導致希格斯場擁有能量。所以其他量子場再和希格斯場作用的時候就會獲得能量，能量又等價于質(zhì)量，從而激發(fā)出有質(zhì)量的粒子。

而光子場由于沒和希格斯場作用，所以光子沒有獲得質(zhì)量，那么光子場(電磁場)就不需要借助外部能量，就可以肆無忌憚的激發(fā)出光子，所以光子的激發(fā)成本為0。

講到這里，就剛好科普一下超導現(xiàn)象。

我們知道電子在線路運動會產(chǎn)生能量損耗。

這種損耗主要有兩種

第一種就是電阻，這個可以通過極低溫解決。

而另一種能量損耗就是電磁場會激發(fā)出光子，輻射部分能量。

對于第二種能量損耗來說，假設存在一種可以讓光子被類似希格斯場的機制賦予質(zhì)量，那電磁場就不會肆無忌憚激發(fā)光子了，因為光子一旦擁有了靜質(zhì)量，激發(fā)的門檻就存在了，在某些情況下，電磁場就不會向外輻射能量了。

而賦予光子質(zhì)量的場就是庫珀玻色場，這也就是BCS超導理論研究的范疇了！

希格斯機制與大統(tǒng)一理論

現(xiàn)在我們知道，電磁力，弱力和強力都來自高度統(tǒng)一的對稱性。這種對稱性來自于規(guī)范場理論。

電磁力的傳播子只有一種，也就是光子，所以電磁力的U1對稱就像是一維的圓對稱。當然一維圓無法用動畫呈現(xiàn)，所以我們畫成二維的。

弱力的傳播子有三種玻色子，分別是正負w玻色子和z玻色子。(要注意±w玻色子是正反粒子對，而z玻色子反粒子是自身)。

所以弱力的SU2對稱就像是一個3維球體。

而強力的傳播子雖然只有膠子，但是膠子攜帶8種色荷（涉及混搭色荷，超綱了），所以就有8種膠子充當強力的傳播子，于是強力的SU3對稱性就像是一種8維球體。

而u1，su2，su3對稱的理論來源就是楊振寧和米爾斯于1954年提出的楊?米爾斯理論，這是一種基于SUn（n）群論的規(guī)范場論。

現(xiàn)在我們知道，除去引力，其他三種力在對稱性上高度統(tǒng)一。

但是這種對稱性要求傳播子的質(zhì)量也必須為0，質(zhì)量不為0就會打破這種對稱性。

而負責傳遞弱力的w和z玻色子卻具有質(zhì)量。這就嚴重破壞了規(guī)范場論的對稱性。

在沒有發(fā)現(xiàn)希格斯機制之前，物理學家搞不懂w和z玻色子的質(zhì)量到底是怎么來的。

而且弱力和電磁力表現(xiàn)形式完全不同。電磁力明顯是一種長程力。

而弱力的傳播范圍只有質(zhì)子的千分之一，作用范圍連原子核都突破不了。

之所以會這樣，主要是因為傳遞弱力的傳播子具有靜止質(zhì)量。

根據(jù)不確定性原理的推導，傳播子存在的時間△t符合這一公式

其中，h為普朗克常數(shù)，伽馬為洛倫茲因子，C為光速，M為傳播子的質(zhì)量。代入w和z玻色子的靜止質(zhì)量 ，就會發(fā)現(xiàn)他們存在的時間極短，結(jié)合他們的速度，就能算出，W和z波色子的作用范圍在10的負18次方米作用。這大概相當于一個質(zhì)子長度的千分之一。

所以在當時，如果規(guī)范場論搞不清w和z玻色子的質(zhì)量來源，電弱統(tǒng)一就難以完成。

如果想要繼續(xù)在規(guī)范場理論的框架下統(tǒng)一電弱力，則必須假定，W和z玻色子起初是不帶質(zhì)量的，帶質(zhì)量只是后天其他因素導致的。

所以尋找給W和Z玻色子賦予質(zhì)量的額外機制就變成了當務之急。

直到1967年，希格斯機制被提出來三年之后，溫伯格，格拉肖以及阿卜杜勒首先應用希格斯機制來掃清了困擾弱電統(tǒng)一的過程中，w和z玻色子的質(zhì)量問題，最終完成電弱理論。

電弱理論的成功，也是標準模型的一次重大勝利。

在標準模型中，我們已經(jīng)知道電磁力和弱力本質(zhì)上是同一種力，之所以表現(xiàn)形式完全不同，只是因為希格斯機制在作祟。

只有當希格斯機制失效的時候，w和z玻色子就無法獲得質(zhì)量，所以弱力和電磁力必然在表現(xiàn)形式上都會完全一樣。這時弱力的傳播子也會變成光速，并且像電磁力一樣，在宇宙中無限傳遞。

而希格斯機制的本質(zhì)，是由于對稱性自發(fā)破缺導致希格斯場的真空期望值不為0，從而獲得能量。如果想要希格斯機制失效，就得讓希格斯場的對稱性不破缺。

而希格斯場破不破缺完全取決于溫度，在宇宙誕生的早期，溫度極高，希格斯機制就無法破缺，這時候希格斯機制就會失效。所以在溫度極高的時候，弱力的傳播子就無法通過希格斯機制獲得質(zhì)量。所以弱力和電磁力就完全是一樣的。

讓希格斯機制失效的臨界溫度，也就是讓弱力和電磁力統(tǒng)一的臨界溫度下的能量值為100GeV。

目前人類最強大的粒子對撞機完全可以制造出這一量級的能量，所以在粒子對撞機中，我們可以模擬出弱力和電磁力的合并。

如今電磁力和弱力已經(jīng)統(tǒng)一，成為電弱理論，如果電弱理論再統(tǒng)一強力，那就晉升成了大統(tǒng)一理論。

所以接下來標準模型需要完成強力的統(tǒng)一。統(tǒng)一強力的思路和電弱力的統(tǒng)一過程是一樣的。

首先，強力的傳播子是膠子，靜止質(zhì)量為0，以光速運動。這兩點和電磁力是一樣，唯一不同的是，強力的傳播子被鎖死到夸克之間了，無法脫離夸克。這就是夸克禁閉效應。并且夸克之間距離越遠，強力越強，距離越近，強力反而越弱，所以夸克之間距離越近反而變得越自由。這樣的現(xiàn)象就是漸近自由。

所以現(xiàn)在統(tǒng)一強力的唯一問題就是讓強力的傳播子突破夸克，變成和電磁力一樣的長程力。

我們知道構(gòu)成質(zhì)子和中子的一般是三個夸克，這三個夸克由膠子以光速運動的形式拉攏在一起，主要起色荷中和的作用。

每一個夸克帶不同的色荷，夸克的色荷可以理解成紅綠藍，夸克一共36種，其組合方式有很多，但不管怎么組合，必須保持色中和，就和三原色中和成白色一樣。色荷只是夸克的一種抽象概念，夸克沒有顏色，只是這種組合形式很類似三原色，所以才如此比喻。

夸克色荷中和有兩種形式，但不管如何都得保證是白色，比如三個夸克在一起，那這時候必須分別是紅，綠，藍 。如果兩個夸克組合在一起，那另一個必須是反色，也就是反物質(zhì)。比如，紅夸克可以和反紅夸克中和，這樣也可以中和成白色。

除了夸克帶色荷，膠子也帶色荷，膠子的色荷也在夸克之間不斷傳遞，負責維持色荷平衡。

要注意，真實色荷平衡是動態(tài)過程，遠沒有我說的三原色那么簡單。大家了解一下，便于理解即可。

色荷的概念在研究夸克的運動現(xiàn)象時極為重要，所以研究夸克的理論也就被稱為量子色動力學。

膠子由于色荷平衡的需要就被困在夸克之間。而夸克無法單獨脫離出來，也可以理解成，脫離膠子的夸克就無法找到色中荷對象了，所以只能束縛在一起。

抱著大力出奇跡的理念。如果加大能量不斷撞擊夸克，還就不信把膠子撞不出來。

事實上，還真就可以撞出來，但是撞開夸克的能量必須達到剛好可以變成新的夸克才行。所以撞擊的結(jié)果就是，夸克撞開了，但是這些能量瞬間就會形成正-反夸克對，這兩個夸克的顏色就是正-反色組合，膠子又在新的正-反夸克對中傳遞強力。

這種新形成的正反夸克對就是介子。

這時候你可能會問，正反夸克在一起難道不會湮滅嗎？

其實一般情況下，正反物質(zhì)在一起肯定會湮滅。

但是介子中的正反夸克不會湮滅，這主要是就涉及手性對稱性，就和左右手對稱一樣。

假設正夸克手性是左手性，那么反夸克就是右手性。如果手性對稱成立，那么正反夸克就會湮滅。而一旦手性遭到破壞，正反夸克就不會湮滅，而膠子由于色中荷需要，就會將正反夸克拉攏在一起，這就在夸克之間產(chǎn)生了結(jié)合能。

其實夸克手性對稱破缺不僅存在于正反夸克對 構(gòu)成的介子中，還存在質(zhì)子和中子中，這種手性自發(fā)對稱性破缺就在夸克之間產(chǎn)生了結(jié)合能，這種結(jié)合能也構(gòu)成了質(zhì)子和中子質(zhì)量的99%

所以在由明物質(zhì)構(gòu)成的宇宙中，由希格斯機制對稱性破缺創(chuàng)造的質(zhì)量之只占據(jù)總質(zhì)量的1%。而剩下99%的質(zhì)量則由手性破缺引起。

事實上，膠子無法脫離夸克，色中和只是表象原因，本質(zhì)原因是手性破缺創(chuàng)造的結(jié)合能束縛住了膠子。

根據(jù)標準模型的預測，手性對稱性破缺不破缺依舊取決于溫度。

目前的預測認為，如果能量在10∧15Gev以上，那么手性對稱性就不會被破壞，那么夸克之間就不會被膠子拉攏住，夸克禁閉和漸進自由就會失效，膠子就會以光速的形式?jīng)_出原子，這樣一來，強力就變成長程力了，當然能達到這樣的溫度，原子也就不存在了。

而要完成這樣的實驗，所需的能量是目前最強粒子對撞機機的1000億倍。

如果沒有其他實驗方式驗證大統(tǒng)一理論，這實驗幾乎無法完成。

而對于引力來說，先找到引力子再說吧。假設找到引力子了，如果要想驗證電磁力，弱力，強力和引力的統(tǒng)一性，那需要的能量得達到10∧19Gev，這一能量也就是普朗克能量。

其實，建造可以達到普朗克能量的對撞機也不難，只需將加速器的直徑做到1000億光年即可。

如果，標準模型沒有問題的話，這樣一來，就直接可以完成萬有理論了！

事實上，四種作用力的統(tǒng)一主要是尋找他們的內(nèi)在一致性。

而這種一致性貌似都取決于能量，能量越高，四種作用力越趨近相同。

直到達到能量的極限，所有基本粒子以及所有作用力都趨于同一事物。

從這個層面來看，大爆炸理論還是比較可靠的。

宇宙爆炸之初，溫度最高，萬物歸一。

隨著溫度的降低，各種對稱性開始自發(fā)破缺，才導致基本粒子出現(xiàn)差異，并且分化出不同的作用力。

所以按照大爆炸理論的反向推理，人類完成萬有理論還是十分有希望的。

但這依舊只是猜想，自然規(guī)律神奇的是，用過往的理論預測未來，往往會發(fā)現(xiàn)更多的未知項，最后的結(jié)果反而事與愿違。

最后還是那句話，已知圈越大，未知圈就更大。