关于标准模型的6个绝妙事实

标准模型（Standard Model）是描述强相互作用、弱相互作用及电磁相互作用这三种基本相互作用及组成所有物质基本粒子的理论，属于量子场论的范畴，并与量子力学及狭义相对论相容。到目前为止，几乎所有对以上三种基本相互作用的实验的结果都合乎这套理论的预测。但是标准模型还不是万有理论，没有描述引力。本文将带读者了解粒子物理的标准模型，以及物理学家如何使用它来预测未来的有趣事实。

撰文 | Sarah Charley（欧洲核子研究中心）

编译 | 刘航

2000多年前，喜欢预测未来的希腊人会在每月的第七天航行到德尔斐的阿波罗神庙，寻求神谕的真知灼见。今天，我们已不需要依靠破译大祭司的谜语来占卜未来，科学家们建立了一系列数学模型，从经济发展到天气变化，几乎可以预测所有事物。

这其中，一个特别强大的数学预言模型就是粒子物理学的标准模型。它对亚原子（或称次原子，是指比原子还小的粒子）世界做出了敏锐的预测。标准模型是一组思想的集合，它告诉我们有关自然以及宇宙中所有粒子是如何相互作用的。标准模型描述了我们目前所知的最小单元的行为: 六种夸克，六种轻子，三种基本相互作用 (及其对应的四种相关粒子)，加上希格斯玻色子。

就像古代的占卜师一样，标准模型的“咒语”只有训练有素的专业人士才能解释。但与神谕需要靠一位大祭司来传达不同，标准模型是建立在成千上万科学家工作基础上的融合，它的预言已经经受住了数十年的实验检验。

今天，让我们一起来了解关于世界上最强大的科学模型之一——标准模型的六个绝妙事实吧。

1 “标准的”到“标准”

20世纪60年代，物理学家们已经建立了一个当时认为是基本粒子的集合。在当时的实验条件下，这些粒子无法进一步被分解成更小的分立的“碎片”，数量之多且种类五花八门，因此这个集合被形象的比喻为粒子动物园（particle zoo）。

但在1964年，美国物理学家默里·盖尔曼（Murray Gell-Mann）和乔治·茨威格（George Zweig）提出理论，认为粒子动物园的许多成员实际上是由更小的粒子——夸克组成的复合粒子，真正的基本粒子数量要少得多。此后，科学家们逐渐发现新的模式，这就是粒子物理学标准模型发展的开始。

“standard model”的说法首次出现在1970年代发表的论文中， 但在当时，“standard（标准的）”只是作为形容词使用，而不是专有名词的一部分。

在那时相关的论文中，科学家都是使用小写形式“the standard model”，例如，“the standard model of gauge interactions（规范相互作用的标准模型）”，“the standard description of electroweak interactions（电弱相互作用的标准描述）”。

建立模型的时代，效果最好的模型被认为是标准的。随着时间的推移，到了80、90年代，“standard model”中的“ S”和“ M”逐渐变成大写字母。这也意味着标准模型真正的建立了起来。

2 标准模型做了一些假设

标准模型是建立在一些基本的假设基础上的。如果这些假设中的任何一个被证明是假命题，那结果就会大不相同。以下是其中的一些假设:

整个宇宙的物理定律都是一样的。（月球上的电子与地球上的电子质量相同。）

概率是守恒的。(所以，说出“付出110%” 的教练，就是在暗示运动员违背了一个固有的物理公理。)

因果关系牢不可破。(你不能在你祖父之前出生。)

同时发生的过程如果没有空间上的交叉，则是相互独立的。(在巴西做煎蛋卷的人不会影响大型强子对撞机（LHC）的性能。)

粒子和场的数量有限。（这就是为什么著名动漫精灵宝可梦（Pokémon）的口号可以概括出粒子物理学的主要目标：把它们全收服！（Gotta catch ‘em all!））

狭义相对论和量子力学是根本。（标准模型及其所有假设均源于这些根源！）

3 标准模型是基于实验测量结果构建的

目前，标准模型的方程预测我们的宇宙可能是亚稳态的：如果一个不幸的量子事件发生，它可能会坍缩。

但是科学家们认为，宇宙实际上不太可能处于这样的生存危险之中。他们将这种引起焦虑的预测归因于标准模型正在使用的数据，我们对两个已知最重的基本粒子——顶夸克和希格斯玻色子的质量的不精确测量。

这些粒子质量之所以如此重要，是因为标准模型来源于实验物理。

人们常说，物理学是一门实验科学，理论研究如果没有实验的支持，则唯一检验理论的标准将仅剩下逻辑上的自洽性。正如我们不可能在不知道其他两条边长度的情况下，只用勾股定理得出斜边长。同理，在没有其他输入的情况下，也不能使用标准模型就进行预测。标准模型本身无法预测各种基本粒子的质量，也无法预测它们之间的相互作用有多强。

由于标准模型的预测取决于实验数据，因此预测不是静态的，而是随着探测器和分析方法的改进而不断发展的。

随着预测变得更加精确，有迹象表明其中一些预测可能不再相互一致。这有点像寻宝游戏，每个测量值作为一个线索，引导我们进入下一步。

4 标准模型至少需要18个独立输入

标准模型显然要比勾股定理要复杂得多。后者仅需两个输入，即可确定直角三角形第三边的长度，而标准模型则需要至少18个独立变量的值才能预测亚原子粒子的行为。这些输入包括质量参数、相互作用参数、希格斯场质量及CKM矩阵元等。这就像18个独立的旋钮，每个旋钮都有一个固定的值，它们是自由的参数，彼此之间没有联系。标准模型将这些独立的值引入方程式，可以预测粒子的形成、衰变和结合，从而描述可见宇宙中的所有物质。

5 标准模型已经进化

标准模型需要输入诸如粒子质量之类的信息来进行预测，但有些粒子，如光子和胶子，是没有质量的。标准模型的早期版本假设中微子也是无质量的，但当科学家们发现事实并非如此时，理论家们就需要将这一发现纳入标准模型的方程式中。（现在他们还在努力！）

标准模型是经过几十年的反复试错才发展出来的。最初对标准模型的描述远远不够完整和正确，这些年来，我们的认识发生了重大变化。物理学家希望，未来的发现将为标准模型无法解决的物理学重大问题提供更深入的见解。

6 标准模型不能解释所有的物理现象

在涉及到17种基本粒子和3种基本相互作用时，标准模型是一个值得信赖的指南。但天文学和宇宙学的观察让我们知道亚原子世界还有更多的东西。

一个悬而未决的大问题是引力，我们无法在亚原子尺度上解释引力相互作用。

到目前为止，引力、暗物质和许多其他现象都被忽略在标准模型外，相关的实验结果还很难利用标准模型来解释。但科学家们并不担心。正如标准模型的发展历史，知道问题所在是重要的一步。有趣的问题引出有趣的答案，而有趣的答案则引出更有趣的问题。这是有史以来最伟大的理论之一，几乎是所有事物的理论。科学家们将会很高兴看到新的实验结果，并使标准模型不断发展壮大。

参考资料

[1] 原文
https://www.symmetrymagazine.org/article/six-fabulous-facts-about-the-standard-model

[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Standard_Model

[3] R. Oerter (2006). The Theory of Almost Everything: The Standard Model, the Unsung Triumph of Modern Physics , ISBN 978-0-13-236678-6.

[4] https://en.wikipedia.org/wiki/Subatomic_particle

[5] 郑汉青，量子场论（上），北京大学出版社.

[6] 本文附图都来源于：Sandbox Studio，Chicago with Corinne Mucha