万物由啥构成？这一问，问出史上最成功的科学理论！

假如我们能够把一个苹果，或者此时此刻你身边的任何东西，一直分割下去，那么最终会得到什么呢？

早在2000 多年前，古希腊哲学家就已经在思考这个问题了。他们曾认为水、火、土和气，这四种元素是构成这个世界的基本单元。但随着物理学家能够探索越来越小的距离尺度，他们在上个世纪 70 年代最终发展出了一个有史以来最成功的科学理论，叫做标准模型。这个听起来很平平无奇的名字很可能是对标准模型做出巨大贡献的史蒂芬·温伯格在50年前的一场讲座中首次提到的。

简而言之，标准模型描述了构成万物的基本粒子的属性（比如质量、电荷和自旋），以及它们之间的相互作用。这里所说的基本粒子也就是指那些不可再进一步分割的粒子。那么，标准模型包含了哪些基本粒子呢？

我们知道，所有的东西其实都是由非常小的原子构成的。原子是大多数人都比较熟悉的，它的中心是一个原子核，周围有绕其旋转的电子。电子是第一个被发现的基本粒子，它在电、磁、导热等物理现象中都起到了至关重要的作用。但原子核却不是基本的，它是由质子和中子组成的，它们的质量大约是电子的 1800 倍。

万物都是由原子构成的，而原子则是由电子和原子核构成。（图/原理）

但后来物理学家发现，质子和中子也不是基本粒子，它们实际上是由上夸克（u）和下夸克（d）组成的。质子包含了两个上夸克和一个下夸克，中子则包含了一个上夸克和两个下夸克。

质子和中子都是由夸克组成的。但这其实是一副简化的图景，事实上它们的内部异常复杂。（图/原理）

一个令人惊讶的事实是，无论是生活在地球上的你、我、猫咪，或者是遥远的行星、恒星、星际气体，都是由上夸克、下夸克和电子组成的。这三种基本粒子以各种方式混合在一起，形成了我们今天看到的一切。

今天我们看到的所有东西都是由上夸克（u）、下夸克（d）和电子（e）构成的。（图/原理）

在这三种粒子中，电子属于轻子。除了电子外，还有一种非常轻且不带电的轻子，叫做中微子。你可能对这种粒子不是很熟悉，甚至觉得它好像与我们无关，但实际上，每秒钟就有数万亿个中微子在穿过我们的身体，只是我们无法感受到它们。它们也常常被称为幽灵粒子，因为它们几乎不与物质相互作用。从太阳释放出的中微子可以轻易地穿过地球，因此想要捕捉这些粒子是非常困难的。

电子和中微子（ν）都属于轻子。（图/原理）

现在，我们已经有了四个基本粒子，而且看起来我们的宇宙似乎也只需要这四个粒子就够了。但物理学家却发现，这四种粒子，仅仅只是三代物质粒子中的第一代！

三代物质粒子。（图/原理）

在标准模型中，还包含了第二代和第三代的物质粒子。每一代物质粒子都比前一代更加的重。例如，我们看μ子和τ子，它们和电子完全一样，除了更重！μ子的质量是电子的约206倍，而τ子比电子重3000多倍。

除了质量更大，μ子和τ子看起来和电子完全一样。（图/原理）

但问题是，在日常生活中，我们没有看到由第二代和第三代粒子形成的奇花异草。这些更重的粒子可以被创造，但非常不稳定，会快速衰变成第一代的粒子。看起来，就算宇宙没有更重的两代粒子似乎也能够很好的运作，但为什么会有三代？这是物理学中的一个重大谜题。

费米子，也就是物质粒子，包含了夸克和轻子。（图/原理）

好，我们现在已经知道构成万物的这些基本粒子，那么它们究竟是如何相互作用的？现在， 我们就要提到标准模型中的另一类粒子，规范玻色子，也就是载力粒子。自然界中，已知的基本力有四种，分别是引力、电磁力、强力和弱力。标准模型描述了除引力之外的其他三种力，这三种力就是通过载力粒子的交换来实现的。

例如，两个带负电的电子相遇时会相互排斥，这是因为电磁力在发挥作用。实际上，它们是在交换光子，其中一个电子发射光子，另一个则吸收光子。也就是说，光子是电磁力的载力粒子。

光子（?）是电磁力的载力粒子。（图/原理）

刚才我们也提到，质子和中子是由三个夸克构成的，那么是什么样的力使夸克紧紧地束缚在一起而不被拆分呢？答案是强力，而正如电磁力是由光子传递的一样，强力则是由一种被称为胶子的载力粒子传递的。胶子携带有“色荷”，因此能够与同样带有色荷的夸克彼此发生相互作用。

胶子（g）于 1979 年被发现，是强力的载力粒子。（图/原理）

弱力和强力一样，都是在非常小的尺度下发挥作用。在质子或中子的内部，弱力可以转换夸克的类型。比如弱力可以将中子内的下夸克变成上夸克，就会使中子变成质子。如果中子是在原子核中，这种转变会使原子变成另一种元素。与弱力有关的载力粒子被称为W和Z玻色子。

1983年，物理学家发现W和Z玻色子，它们是弱力的载力粒子。W玻色子是唯一带电的规范玻色子。（图/原理）

现在，标准模型中我们还没有提到的一个基本粒子，也是于2012年最后一个被发现的粒子，叫希格斯玻色子。它非常特别，因为它能够赋予粒子质量。如果没有它，电子和夸克就会像光子一样，没有质量。

12种物质粒子，4种规范玻色子，以及希格斯玻色子，这17种基本粒子构成了标准模型。

希格斯玻色子是标准模型中最后一个被发现的粒子。（图/原理）

我们需要记住的是，尽管我刚才都是在用粒子的语言来介绍标准模型的，但它实际上是由非常复杂的量子场论书写的。在量子场论中，比粒子更加基本的是听起来更抽象的“场”。每种粒子都有对应的场，比如夸克场、电子场、希格斯场等等，这些场充斥在整个空间之中。而粒子之间的相互作用，其实就是各种量子场之间的相互作用。比如电子通过与希格斯场相互作用，从而获得了质量。

标准模型的拉格朗日量，它描述了标准模型中的所有基本粒子和它们之间的相互作用。（图/THOMAS GUTIERREZ）

标准模型可以说是有史以来最成功的科学理论。在一些情况下，它做出的预测与实验结果可以惊人地吻合到小数点后12位。这在其他领域是无法想象的。

虽然标准模型获得了巨大的成功，但仍有许多问题是它无法回答的。例如，它只解释了三种基本力，而没有囊括引力；它也无法解释什么是暗物质和暗能量；它也没有回答为什么我们生活的宇宙是由物质主导的，而不是反物质。因此，寻找超越标准模型的实验证据，也成为了许多物理学家的首要任务。但这绝非是一件容易的事情，我们现在能够做的就是继续保持好奇，在黑暗中摸索前行。

本文为科普中国·星空计划扶持作品

团队：原理

审核：张双南 中国科学院高能物理研究所研究员

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司