真空里有什么？ 这是一部粒子物理发展史（下）

在上文《真空里有什么——一部粒子物理发展史（上）》，我们用“真空显微镜”看到了原子，又打破原子看到了电子、质子和中子，以及质子和中子相互转化过程中出现的中微子。那把这些粒子剔除，剩下的是不是我们想要的“真空”呢？

今天，让我们再次拿起真空显微镜，继续探索真空里的奥秘。

第三阶段：正电子和夸克

上次我们在文章中遗留了一个问题：“正电子”是什么？

让我们把目光放回到1927年，这是量子力学发展史上重要的一年。这年狄拉克提出了狄拉克方程，它的具体内容是啥我们暂时不需要了解，我们只要知道它是量子力学里一套非常完备的方程，让量子力学更好地兼容了相对论。

但是狄拉克方程有一个问题，就是它在求电子能量的时候，遇到了开根号的情况。我们知道开根号能得出两个解：一正一负。一般情况下能量怎么会有负值呢？我们会很自然地把那个负值舍掉。但是大佬之所以成为大佬，就在于他能看到一般人忽略的东西。狄拉克想：这些有负能量的电子该如何解释呢？负能量有啥物理意义呢？

按照量子力学，原子轨道都是分离的、不连续的，最里层的轨道能量最低，最外层的轨道能量最高。电子一个个地分布在这些轨道上，并且它们还要满足泡利不相容原理（电子不能肆无忌惮地选轨道，每个轨道上最多容纳两个电子还得自旋不同）。

在此基础上，狄拉克展开了想象：会不会能级的能量可以一直低到负能级去呢？这些负能级看不见，而且根据泡利不相容原理，这些负能级都被负质量的电子填满了，所以正能级上的电子都不能跌到负能级上，这些装满电子的负能级就被叫做“狄拉克海”。狄拉克海在哪呢？就在我们苦苦寻觅的真空里。

狄拉克海（图片来源：作者自制）

填满真空又无处不在，不知道读者们看着有没有一丝熟悉的感觉，没错，这不就是以太嘛！

话说回来，当狄拉克海中的负能级上的负质量电子吸收能量后，它会跃迁到正能级上，并在原来的真空中留下一个坑，这个坑是真实的粒子，它虽然有电子的质量但却带正电，所以狄拉克叫它正电子。

虽然狄拉克海的理论在后来的量子场论中被抛弃了，但是狄拉克预言的正电子是真实的，并在1932年被安德森发现。

首张观测到正电子存在的云室照片，由安德森所摄。云室的上下两部分由一片6毫米厚的铅片分开，可以肯定该正电子是从下方进入。（图片来源：https://zh.wikipedia.org/wiki/）

正电子是人类发现的第一个反粒子，它的发现也开启了一条寻找粒子的全新道路——寻找反粒子，之后人们又找到了反质子、反中子、反中微子等等。这里需要解释一下什么是反物质。人们可能很容易接受反电子和反质子，认为只要电荷相反，其他性质相同就是反粒子了。

但事实并不是这样，粒子的性质我们知道有大小、质量、寿命等等，在量子力学里，我们用量子数来描述粒子的某些性质比如读者熟悉的自旋、电荷，而像这样的量子数还有很多，像奇异数、重子数等。

反物质粒子是指质量、寿命、自旋都与正常粒子相同，但是所有内部相加性量子数比如电荷、重子数、奇异数等是大小相同方向相反的。

20世纪随着大型对撞机的高速发展，人们又陆续发现了200多种大小不一、性质各异的粒子，还用了一个相对“草率”的分类方法：把质量介于质子和电子之间的粒子叫介子，人们发现的介子有π介子、K介子等等；质量大于质子的叫超子，有λ超子、ξ超子等，20世纪后期人们发现的粒子大部分都是超子。

这些介子超子被统称为奇异粒子。这些奇异粒子的寿命大都非常短，平均寿命大约是10−5秒，远不如质子、中子、电子哥仨，所以我们生活中很难遇到它们。

看着粒子种类越来越多，都快要超过元素的种类了。我们不禁会问：难道就真的没有那么几种最基础的粒子构成了所有粒子吗？其实物理学家对这件事也是非常执着的，很多人提出过不同的所谓标准粒子模型，例如1949年费米和杨振宁提出过费米-杨模型，认为只有中子、质子和它们的反粒子才是基本粒子，后来被证实失败了。

到了1964年，盖尔曼根据群论分析提出了一种夸克模型，夸克模型认为那些参与强相互作用的粒子（简称强子），它们都是由更基础的粒子——夸克和它们对应的反夸克组成的。

这里得解释一下强相互作用。原子核由中子和质子组成，而原子核的体积只占原子体积的几千亿分之一，也就是说一堆质子和中子挤在一个很小的区域里。更要命的是质子都带正电，所以它们会相互排斥，仅凭万有引力是远远不够抵消这种排斥作用的，那么肯定有一种更强的相互作用把它们圈在一起，这种作用被假设为强相互作用。

由两个上夸克和一个下夸克构成的质子

（图片来源：维基百科）

最初盖尔曼提出了三种夸克：上夸克、下夸克、奇异夸克，后来人们又陆续发现了另外三种夸克：粲夸克、底夸克、顶夸克。根据量子色动力学，这六味夸克还有三种“颜色”：红绿蓝，反夸克也具有反颜色。当然这个颜色并不是真正的颜色，只是代表一种量子数而已。

经过多年的理论和实验验证，目前这个夸克模型还是很靠谱的，而且大部分奇异粒子都是强子，所以夸克模型在建立基本粒子模型上帮了大忙。

在得知夸克模型之后，读者们是不是已经急着要总结所有基本粒子，结束这次真空寻找工作了？但是在这之前还有一件事我们不得不考虑一下。

第四阶段：看不见摸不着的“场”

在上面的粒子探索之旅中，我们从电子讲到夸克，基本已经涵盖了构成已知“物质”的所有原材料。但还有一个很重要的问题：这些粒子是如何组合在一起的，它们之间有什么相互作用力？

这时候可能有人就要问了，力又不是物质，不管什么力都不会影响我们对真空的理解吧？其实不然，在物理学中粒子之间的力牵扯到了一种奇特的物质，它与元素和原子都很不同，看不见摸不着，但却是确实存在的，那就是场。

读者可能听过这样一个故事：老和尚分别给三个徒弟十文钱，叫他们各自买一样东西把禅房填满。大徒弟买了一堆木头，二徒弟买了一堆稻草，双双失败；三徒弟买了一根蜡烛，光辉瞬间照亮了房间。不知道三徒弟佛法学得怎样，但物理一定是不错的，因为他不仅知道光是一种电磁场的波动，还知道场是一种物质。

场的思想最初是拉普拉斯为了解释万有引力所提出的，但是它真正大放异彩还是在电磁学之中。17世纪20年代，奥斯特和法拉第等人相继发现通电导线可以对磁针施加力，磁铁也能对通电导线施加力的现象。虽然铁证如山，但是就像当年的万有引力一样，人们很难接受两个物体不接触就能发生力的作用。

于是法拉第提出了他大胆的设想，既然人们不能接受没有物质接触，那我假设有一种物质作为媒介不就好了吗？于是他借鉴了拉普拉斯的想法，将这种媒介命名为“场”。通电导体没有对磁针施加作用力，而是它周围的电场对磁针施加了力，磁铁周围有类似的磁场。

电磁场的成功对物理学的影响是不可估量的，从此以后，“场”在人们解释相互作用的过程中频频出现。

在对物质相互作用的研究过程中，人们先后提出了四种基本相互作用力，分别是：万有引力、电磁力、弱相互作用力、强相互作用力。万有引力和电磁力我们都比较熟悉，这里解释一下弱力和强力。

还记得我们前面提到的β衰变理论吧，简单来说弱力就是控制质子中子发生衰变的力，而强力是前面讲到的原子核中质子和中子之间的吸引力。

人们认为这四种基本相互作用力足以描述物质间的一切现象，而就像我们前面提到的那样，没有接触的相互作用很难为人所接受，所以关于这四种相互作用的研究都离不开场的影子。

那么场是怎样传递相互作用的？这就要用到一些量子力学的知识了。量子力学里有一个重要思想就是把原来连续的东西量子化，也就是把原来连续的东西看成不连续的，连续的波动也可以看作是一个个的粒子。

举个例子，光是电磁场的波动，但是它也能看成是由一个个的光子组成的。很多人会疑惑那光到底是波还是粒子呢？答案是它既是波也是粒子。

光量子（图片来源：作者自制）

刚刚接触这种东西确实很难接受，简单来说波粒二象性就像是看事物的两个角度，从一个角度看是波，另一个角度看是粒子。理论最重要的还是能解释客观现象，量子力学通过波粒二象性可以解释很多微观现象。

举个例子，赫兹在发现电磁波的同时还发现了一个现象，就是光照射到金属表面会激发表面射出电子，而且能不能射出电子只跟光的频率有关，无论你的光强有多大，只要频率不对都不能激发出电子，这个现象就叫做光电效应。

光电效应（图片来源：维基百科）

麦克斯韦的电磁理论对光电效应束手无策，1905年，爱因斯坦提出了光量子的假设，他把光看成是一个个的粒子，单个粒子的能量只和光的频率有关，光电效应就简化成了光子和电子的弹性碰撞问题。值得一提的是，爱因斯坦凭借这个发现获得了1921年诺贝尔物理学奖，而非广为人知的相对论。

光是电磁波，既然它能和电子发生“碰撞”，那电子之间是不是也能通过这种“碰撞”来传递相互作用呢？还真是。

20世纪中叶，施温格、费曼、朝永振一郎分别建立了电子与电磁场相互作用的量子场论，简称QED理论。在QED理论当中，两个电子之间就是通过相互发射虚光子来发生相互作用的。

这个虚光子在传递过程中还会发生“真空极化”现象，就是光子会变成一对虚正负电子，然后这对虚正负电子又湮灭成一个虚光子。之所以这里的光子和正负电子是虚的，就是因为它们存在的时间太短了。

电子相互作用（图片来源：作者自制）

其他的三种相互作用力也有类似的量子场论，传递强作用力的是夸克之间的胶子，传递万有引力的是引力子，传递弱力的是W+-粒子和Z0粒子。除了引力子之外，其他的“传递粒子”都已经被发现了。

这时候在真空显微镜后的我们头都要大了，不但又新出现了一堆粒子，更要命的是它们还是在不断成对生成和消失的虚粒子！好在物理学家永远喜欢化繁为简，他们一直致力于统一这四种基本作用力，目前弱相互作用力和电磁力的统一理论已经得到了验证，强力的统一也有几种理论诞生，万有引力是最难统一的那个。

有人曾经问预言Z粒子的温伯格为啥要叫它Z粒子，温伯格说他希望这是人类发现的最后一个粒子，看来物理学家也受够了这种不断修改理论的状态了。但是我们的工作还是没有完成，一种传说中的上帝粒子——希格斯玻色子在后面等待着我们。

第五阶段：“上帝粒子”——希格斯玻色子

所谓的玻色子和费米子是量子力学中对粒子的一种分类办法，自旋为整数的粒子叫做玻色子，自旋为半整数的粒子叫做费米子。一般传递相互作用的粒子像光子、胶子等都属于玻色子，而夸克和电子都属于费米子。

按照量子场论，不管是强力弱力，这些场都具有某种规范对称性，即规范场。根据波粒二象性，场就是粒子，粒子就是场，这些场对应的玻色子都是规范玻色子，而规范玻色子是不能有质量的。

为啥不能有质量？以电磁场为例，如果传递电磁力的光子有质量，那么电磁场的规范对称性会被打破，电荷就不能守恒。

但是人们发现传递弱力的W+-粒子和Z0粒子都是有质量的，因此物理学家又一次大开脑洞：如果这个粒子本身没有质量，而是什么别的东西给了它质量，那规范对称性不就依然成立了吗？

1961年美籍日裔理论物理学家南部阳一郎提出了“真空对称自发破缺”的概念，他认为玻色子本身没有质量，满足了对称性，但是在真空中，有一种场赋予了粒子质量，打破了对称性，而且这个过程还是自发的没有人为干预，所以叫做真空对称自发破缺。

在这个基础上，1964年英国物理学家希格斯等人发现，如果真空中一个假想的标量场（没有方向的场）与传递相互作用的那个规范场耦合，那么真空中发生的自发性对称破缺可以使玻色子获得质量。而且在这个过程中会产生一种有质量的粒子，即“希格斯玻色子”，能够赋予玻色子质量的那个标量场就是希格斯场。

这里我要引用一个很著名的比喻，希格斯玻色子就像是一群接机的粉丝，作者就像光子，当作者下飞机的时候他们对我毫无作用，于是作者没有质量。而大明星是Z0粒子，当TA下飞机的时候，他们都冲上去要签名，大明星受到了阻碍有了质量。

可以说正是真空当中充满的希格斯粒子或希格斯场，给予了除光子胶子之外的基本粒子以质量。由于质量是粒子的基本属性，所以人们又把“希格斯玻色子”称为“上帝粒子”，认为它型塑了万物。

2013年欧洲核子研究组织CERN宣布发现了希格斯玻色子，人们得以一睹上帝粒子的真容。

粒子物理标准模型（图片来源：维基百科）

至此，人类所谓的标准粒子模型基本上已经建立完成了。其中包括包括轻子（电子类）12种、夸克类（6味×3色×正反粒子）36种、传递强力的胶子8种、传递电磁力的光子1种、传递弱力的W+-、Z粒子3种、赋予粒子质量的希格斯粒子1种，总共61种。

可以说就是这61种粒子再加上还没被发现的引力子构成了物理世界的所有现象。

这时候我们的真空寻找工作变得简单明了起来，只要“真空显微镜”能够通过某种方式绕过量子涨落（就是我们前面说的粒子不停生成和消失的现象），然后把这61种粒子和未发现的引力子剔除出来，那显微镜下就是目前人类所知的真空了！

之所以说真空还是“目前所知”，就是因为真空这个概念总是依赖于人类已知的物质存在。老子云“有无相生”，当我们说出这是真空，真正的意思仅仅是这片区域没有目前人类已知的物质。

结语

对真空的认识几乎伴随了整个人类物理学的发展过程，期间无数的理论物理学家提出的大胆设想令人拍案叫绝。为了验证理论，还有很多实验物理学家也在寻找粒子的过程中迸发出了惊人的创造力和毅力。

由于篇幅问题，文章中很多事件都没有细谈，简单一句“人类发现了中微子”，背后却是戴维斯在地下1500米的实验室里30年的探测，在这里也向这些先行者致敬。

开尔文勋爵曾认为物理学有两朵乌云：一是黑体辐射，二是消失的以太。揭开这两朵乌云，量子力学和相对论横空出世，大大提升了人类对真空的认知。

21世纪李政道先生提出过现代物理的两大疑云：一是缺失的对称性，二是看不见的夸克。李政道认为这两个问题的答案还蕴藏在真空的性质之中，可能未来物理学家能从真空中再次薅出什么大开脑洞的东西，帮我们更好地理解这个神秘的宇宙。

参考文献：

[1] Griffiths D . Introduction to Elementary Particles[J]. Academic Press, 2008.

[2]郭奕玲, 沈慧君. 物理学史 (第二版)[M]. 清华大学出版社, 2005.

[3]涂涛,郭光灿.真空不空[J].物理,2018,47(09):549-556.

出品：科普中国

制作：张俊达

监制：中国科普博览