夸克,玻色子「从夸克到玻色子硬核科普为你解锁知识拼图」
1905年，普朗克差不多已经忘了他的光粒子理论，他此时是世界最负盛名的物理学杂志之一—《物理学年鉴》的高级编辑。这意味着普朗克会收到许多来自江湖骗子的建议，其中大多数都被他丢弃了。
rr那年三月，普朗克收到了一篇论文，声称光的确是由粒子构成的—这并不只是为了让数字合理而随意捏造的理论。乍一看，这又是一个疯狂的想法。这篇论文来自瑞士一位不知名的26岁业余物理学家，他拥有高中教师资质，仅此而已。然而，论文中的物理学知识无懈可击，还解决了多年来一直困扰人们的另一难题。
rr起初普朗克不敢相信，他甚至派助手到瑞士去核实，看这位“阿尔伯特·爱因斯坦”究竟是否真的存在，还是什么人为了不被嘲笑而起的化名。[1]当普朗克发现确有爱因斯坦其人时（尽管爱因斯坦没有多少经验—甚至当时连博士学位都没有），他还是立即发表了这篇论文。他那荒谬的光量子理论也许根本就不那么荒谬。
rr爱因斯坦的论文探讨了所谓的“光电效应”。简单地说，当光照射在一片洁净的金属上时，金属原子外层的电子就会飞离金属表面。
rr这是因为电子能吸收光，如果入射光的能量足够大，电子就能吸收光并被剥离。这本身不足为奇，但令人惊异的是，并不是每种颜色的光都能引发光电效应。
rr每一种金属都是独特的，但一般来说，红光、橙光和黄光对金属表面不起作用，而绿光、蓝光和紫光会导致电子发射。绿光、蓝光和紫光的能量高于红光、橙光和黄光，因此这是合理的；但奇怪的是，即使增加红光的亮度（直到它相当于蓝光），光电效应也不会发生。
rr量子能量的单位是电子伏（简称eV）。一束10eV的红光与一束10eV的蓝光包含的能量相同。为什么能量相同的红光和蓝光不会产生相同的效应？10eV的红光与10eV的蓝光不一样吗？爱因斯坦表示，如果认真看待普朗克的量子论会发现，它们就不一样，10并不总等于10。
rr 一个苹果在手，相当于两个诺贝尔奖rr想象有人伸出手臂，手里抓着一个苹果，而你用水枪对着他的手喷水（别问我为什么要这样做，物理类推法就是这样的），在水流强大到一定程度之后，苹果就会从手中脱离。这时，水的能量克服了手的抓力，苹果飞到了空中。
rr同样，电子与其原子的结合包含一定能量，当我们增加入射光的亮度，最终应该能使电子脱离—无论我们用什么颜色的光。可是，在实验室里我们没有得到这样的结果，所以我们需要再次把理论揉碎，尝试一些新的东西。
rr假设我们用一束红光，按照普朗克的建议把它切成小块，每一块都包含一定的能量。当然，一束蓝光也可以被切成同样数量的小块，但每一块包含的能量更大。
rr不要把光能想象成平滑的水柱，而要把它当成粒子。红光的光量子类似于乒乓球。你向那个人的手发射再多的乒乓球，苹果也不会掉落。你甚至可以把整桶乒乓球泼向那个人，但由于苹果与乒乓球之间的每一次相互作用都是无足轻重的，所以无论有多少乒乓球，都不会让苹果产生一丁点位移。
rr相比之下，蓝光的光量子更像是一枚炮弹。假设你向握着苹果的人发射一枚蓝光粒子，那么苹果和手都不保了。请仔细挑选志愿者。
rr100颗乒乓球的总能量可能相当于一枚炮弹，但炮弹的威力更大。因此，一束光如果分裂成粒子，它的总能量就无关紧要，唯一重要的是颜色。这就是我们观察到的。
rr在爱因斯坦看来，普朗克的光量子理论具有真正的物理学意义。这不仅仅是我们接近答案的一种方式，它可能就是答案本身。光终究是由粒子构成的。在爱因斯坦的证明发表之后不久，化学家吉尔伯特·路易斯认为这些粒子应该有个比“光量子”更好记的名字，并开始使用“光子”（希腊语中的“光”），且这个词沿用至今。[2]
rr因为推动了光物理学的新进展，普朗克和爱因斯坦分别于1918年和1921年获得了诺贝尔奖。遗憾的是，吉尔伯特·路易斯并没有获得诺贝尔奖，但他有一副令人敬畏的小胡子，而且被认为是“jiffy（瞬间）”一词的发明者，所以在某种程度上，每个人都是赢家。
rr 嗯……爱因斯坦？我们有个问题rr爱因斯坦证明了光是由粒子构成的，这不仅支持了普朗克的量子理论，也公然挑战了托马斯·杨的光波理论。
rr一方面，光电效应...
rr当两种假设发生冲突时，科学家只好通过实验解决分歧。可是如果实验本身也有分歧，那么以牛顿的苹果的幽灵之名，我们该怎么办？这在科学中是史无前例的，我们必须努力找出一个漏洞。
rr也许我们可以用光子来解释双缝实验的结果。我们的光源会像机关枪一样喷射出光子，它们会在空气中相互碰撞形成斑马条纹吗？
rr验证这一点的最好方法，是让光子在飞过双缝时不可能相互作用。我们不要一次性把光子都射出去，而应该试着一个接一个地发射，相当于用狙击步枪取代机关枪。
rr多年以来这个实验有很多版本，其中最好、最简易的是1994年外村彰在日立制作所工作时做的那个。[3]这家制造油箱、冰箱和按摩棒的公司，声称进行了有史以来最精确的双缝实验。
rr外村彰的设计细节与托马斯·杨的有很大不同，但它们都实现了相同的目的，所以为了简便，我会使用相同的术语，尽管它比我将要表述的复杂得多。
rr在实验中，外村彰的光束发射器朝着双缝发射光子，光可以由高亮度调节至低亮度。双缝的另一侧放置一块探测屏，该探测屏的制成材料在受到撞击时就会发光，因此粒子到达的每一个地方都会形成光点。
rr与托马斯·杨的原版一样，当一束完整的光射向双缝时，外村彰得到了预期中的斑马条纹，可是当他把强度降低到每次一个光子时，他得到了一些非常奇怪的东西。
rr最开始的几分钟很无聊。射向双缝的每一个光子随机地打在探测屏上。但随着他继续观察，光点的图案逐渐累加，形成这样的带状物……眼熟吗？
rr
这完全说不通，因为每个粒子都是单独发射的。斑马条纹的形成需要分别通过两条狭缝的两个光子相互混合。如果每个光子都是单独发射的，那么它与谁混合呢？在没有任何东西与光子发生干涉的情况下，它们是如何产生干涉条纹的呢？难道是光子以某种方式同时通过了两条狭缝？
rr 量子长裤rr我记得有一次我从洗衣店里取出一条长裤。我很困惑，因为我正穿着这条长裤。我茫然地站了几秒钟，确信自己是这条量子长裤的主人，而它正处于不同位置的长裤叠加态。
rr然后有人告诉我，我有两条一模一样的长裤，只是以前我没有留意。我之前的那种辩解是在考虑量子力学。在量子力学中，你永远不会做出简单的解释，简单的解释永远行不通。
rr发射器中激发的光可以像粒子一样运动，但双缝实验表明，它在穿过狭缝时可以像波一样运动。
rr在艾萨克·牛顿的“经典物理”中，一切都是合理的，粒子与波截然不同。量子论模糊了这个边界。
rr 原因很复杂rr爱因斯坦在瑞典领取诺贝尔奖的时候，年轻的丹麦物理学家兼足球爱好者[4]尼尔斯·玻尔正在把量子论应用到整个原子上。
rr原子由几种粒子构成，包括聚集在原子核中心的质子，以及在原子核外、像蜜蜂绕着蜂巢一样嗡嗡飞行的电子。（原子核里也有中子，但当时尚未被发现。）
rr众所周知，发光原子发出的光，其值是该原子所特有的。例如，热铁发出的光与热镍发出的光频率不同，相反，当光照射在原子表面时，它们吸收不同颜色的光。以前这很难解释，因为人们认为光是一种平滑的波状物质。可是，一旦我们知道光有时由特定能量的粒子构成，就有可能解释它与物质的相互作用。光子能有特定的值，所以电子能也有特定的值。
rr在玻尔的量子论中，电子并不是围绕着原子核快速地随机移动的。相反，它们穿越无形的球面，且这些球面间隔的距离是特定的。玻尔把这些球面称为“电子壳层”，但很明显他应该称之为“玻尔比特”
玻尔设想的原子是一个三维的太阳系，这是人们至今还在绘制的原子图像。然而，电子和行星的区别在于，行星能够以它喜欢的任意距离绕太阳运行。引力在空间的每一点都起作用，并随着距离的增大而平稳地减小。所以只要以正确的速度避免被吸过去，行星就能够在任意轨道上运行。
rr但电子壳层不同。电子不能吸收任意的能量，因为能量被分割成特定的值（我们说电子壳层是量子化的）。
rr低能量的电子固定在靠近原子核的壳层上，但如果它吸收一个光子，就会获得推力，从而绕着更远的壳层轨道运行。假设壳层之间的距离是固定的，只允许一定能量的跃迁，那么就只有特定的光束能与特定的原子相互作用。
rr假设两个壳层之间的距离是20eV。如果电子吸收一个20eV的光子，它就能完美地跃迁，但如果我们向原子发射19eV的光子，就什么也不会发生。原子中不允许发生19eV的跃迁，因此光子会继续穿过，就好像原子不在那里一样。
rr这意味着两个壳层之间的电子不存在中间能量值。因此，当电子吸收一个光子并跃迁到更高的壳层时，它不会通过中间的“真空地带”。它显然是瞬间从内壳层跳到外壳层的，这就是所谓的“量子跃迁”。我并不是说电子在壳层之间瞬间移动……但看起来就是这样。
rr量子跃迁是指电子从一个壳层消失，出现在下一个壳层，并在这个过程中吸收一个光子（如果获得能量）或释放一个光子（如果失去能量）。具有讽刺意味的是，“量子跃迁”一词在日常生活中往往意味着巨大的变化，但它实际上指的是可能发生的最小改变。
rr玻尔不确定为什么电子在特定的能量轨道上运行，而且还产生量子跃迁。但这解释了他想要的东西，所以他把一堆想法混杂在一起，决定不要想太多。
rr从本质上讲，玻尔利用现有的物理概念做了一幅拼贴画，就像一个孩子从父母的日用织品柜偷布料，然后把它们粘在一起，形成了真实但丑陋的画面。而且，由于没有人能做得更好，所以所有人都接受了，并把它贴在自己的冰箱上。
rr 玻尔这样回答rr无论如何，量子跃迁的确解释了一些非常重要的事情。质子对其电子有吸引力，在我们前面看到的光电效应中，电子必须克服这种吸引力。我们把粒子的这种相互吸引的属性称为“电荷”，它有两种不同的形式，分别是正电荷（质子）和负电荷（电子）。带相同电荷的粒子相互排斥，就像磁铁的同名磁极一样；而带相反电荷的粒子相互吸引。
rr从本杰明·富兰克林和他的风筝-雷电实验开始，人们就知道了电荷（顺便说一句，这是个真实的实验，而不是什么都市传说）。[5]电荷究竟是什么，现在这个问题变得很复杂（我们将在第12章弄清楚）。但无论你知不知道是什么导致了电荷的复杂性，它都提出了一个很好的问题：如果电子携带的电荷与质子的相反并且吸引质子，那么为什么电子不会螺旋式地飞向原子核使原子萎缩？为什么原子不会灭亡？
rr玻尔的回答是，那将违背能量量子化的原理。靠近原子核的、最低壳层的电子，处于能量阶梯的最底层，它吸收任何能量值都不可能向内偏移。
rr一旦电子处于最低壳层，失去能量的唯一方法就是彻底摆脱能量阶梯，简单地说就是湮灭。电子可能拼命地想要往原子核移动，但能量量子化的原理比电荷吸引法则更深层、更本质。
rr 电子之王rr量子论刚开始在欧洲萌芽的那段时间，粒子物理领域无可争议的领袖是英国物理学家J. J.汤姆孙—他不仅指出电子带负电荷，还最早发现了电子。
rr今天，汤姆孙的骨灰被埋在艾萨克·牛顿旁边。在剑桥大学，物理系位于J. J.汤姆孙大道。哦，他还被授以爵位。他也获得了诺贝尔奖。他的六个学生也是如此。
rr但，是他发明了量子长裤吗？
rr发现电子及其性质是汤姆孙的至高荣耀。他利用电弧的偏转证明了电子的存在，并测量了电弧的重量。因为电有质量，所以它一定是由同样具有质量的粒子构成的。
rr汤姆孙于1897年4月30日宣布这一发现。几个人在讲座结束后跑来祝贺他成功愚弄了世人。[6]不可能有比原子更小的东西，对吧？
rr但毫无疑问，电子是真实存在的。最小的原子是氢原子，而电子的质量只比氢原子的两千分之一大点儿，但它仍然是真实的。汤姆孙最开始想要将其命名为“微粒”来纪念牛顿，而美国物理学家卡尔·安德森则想要称之为“负电子”[7]（我们都认为这是能想到的最好的名字），但“电子”这个名称取而代之。
rr汤姆孙有许多著名的学生，包括发现了原子核的欧内斯特·卢瑟福，以及指出电子必须在壳层轨道中绕原子核运行的尼尔斯·玻尔。
rr然而，在汤姆孙的学生里，有一个人的发现最具革命性：电子并非总是粒子，它们有时像光子一样具有波动性。J. J.汤姆孙的儿子乔治·汤姆孙发现了这一点。
rr光有时是粒子，有时是波，这一点令乔治很感兴趣，所以他决定看看电子是否具有同样的性质。
rr如果电子具有波动性，那它显然是很小的波，因此长期以来没有被探测到。为了在双缝实验中使电子衍射，乔治·汤姆孙需要一组很小的双缝（更小的波需要更小的间隔），这不是一件容易的事情。
rr为了解决这个问题，他找到了一些赛璐珞胶片，就像电影摄像机里使用的那种。之所以选择这种材质，是因为其中的原子按一定的间隔排列，就像原子尺度上的双缝，然后乔治发射了一束穿过它的电子。
rr果然，在双缝的另一侧，电子束分裂成斑马条纹，意味着电子必须像波一样相互干涉。（特别注意：实际上，在之前外村彰的实验中，他使用的粒子就是电子。但我觉得如果我在那时宣布电子是波，会引起大众的恐慌、骚乱和我们所知文明的终结，所以我撒谎了。）
rr人们都知道电子是一种粒子，原来它也可以像光波一样叠加和衍射。乔治因此获得了诺贝尔奖。
rr1908年，J. J.汤姆孙因为证明电子是粒子而获得诺贝尔奖；1937年，他的儿子又因为证明电子不是粒子而获得诺贝尔奖。这真是太有趣了。我喜欢想象汤姆孙家的圣诞晚餐有多么尴尬：J. J.汤姆孙和乔治·汤姆孙面对面坐着，两个人都面带愁容，他们戴着五颜六色的纸帽子，漫不经心地擦拭着自己的奖牌，汤姆孙夫人则局促不安地坐在他们中间。“亲爱的，你们谁想吃梅子布丁
极简量子力学：一张图看懂什么是玻色子、费米子、希格斯子
大家都知道，量子力学是现代物理学的核心，物理学家对宇宙中“极小构成”的 探索 一直延续至今。从分子、原子，到组成原子的质子、中子、电子，可能都是很多人所熟知的。
然而，随着各种名称怪异的夸克（上夸克，下夸克、顶夸克、奇夸克等），到中微子、玻色子的发现，还有2012年发现的希格斯玻色子，普通大众就开始云里雾里了，这都是些啥……
如果用非常简单的语言解释，可以概括为：这些粒子的分类和作用，其实是在解释微观量子是如何相互作用、如何黏在一起构成我们所看到的宏观世界的。
简单来说，基本粒子分为两大类，玻色子和费米子。
费米子是构成物质的基本粒子，遵循不相容原理。
玻色子（如光子）作为交换粒子，在粒子之间传来传去，负责产生相互作用力。
自然界中有12种费米子以及对应的反粒子，它们每四种为一代，一共分为三代：
要理解这些，需要了解粒子间的相互作用力，而现代物理学就是在统一这些力，完成“大一统”。
万有引力：几乎可以忽略不计 ； 粒子交换引力子产生引力。
电磁力：就是带电粒子间的相互作用，把原子约束在一起；是化学反应的基础。
量子电动力学（Quantum Electrodynamics，QED）是解释粒子间电磁作用的理论——粒子通过相互传递光子，来产生作用力。量子电动力学是20世纪40年代由费曼等物理学家创立的，费曼还发明了著名的“费曼图”把粒子间的这种相互作用力画了出来。
强相互作用力：束缚着原子核，也就是有质子和中子的部分，使原子核不至于因为电磁力互斥的作用四分五裂；
量子色动力学（Quantum Chromodynamics，QCD）解释了强相互作用力——当夸克互相交换胶子，就会产生强相互作用力。（这些粒子叫做胶子，也是因为他们把夸克黏在了一起）
弱相互作用力：一些放射现象的起因，也是在恒星内部发生原子合成的作用力之一。
弱相互作用力通过交换三种玻色子发挥作用，这个理论预言了希格斯玻色子的存在。
（2017年7月4日，欧洲和研究组织宣布发现了希格斯玻色子。这是继法拉第和麦克斯韦在150年前统一电磁力后，最重大的一次力的统一。）
如果说费米子构成物质，那么玻色子则负责产生它们之间的力：强相互作用力、电磁力和弱相互用力。这也就是基本粒子的标准模型。
希格斯玻色子和夸克有何奥秘？
希格斯玻色子最早在1964年由彼得·希格斯和弗朗索瓦·恩格勒等在内的6位物理学家提出。希格斯玻色子能够利用自发对称性破缺来赋予基本粒子质量，同时又不会抵触到规范场论。这机制被称为希格斯机制，希格斯机制已被实验证实。但是，物理学者仍旧不清团此楚关于希格斯机制的诸多细节。
希子是伴随着希格斯场的带质量玻色子，是希格斯场的量子激发。希格斯玻色子是在高能量的极端环境中的能量演变，并且伴随着衰变生成耦合粒子的对称，生成正负电子对撞的实粒子一种超对称性的超对称粒子耦合激发，正负电子对正反粒子耦合被称为‘马约拉纳费米子天使粒子’手征粒子，激发态是检验这一种粒子能动的谱能。不仅如此，希格斯机制也可被确认为基本无误。
夸克有着多种不同的内在特性，包括电荷、色荷、自旋及质量等。在粒子物理的标准模型中，夸克是唯一一种能经受全部四种基本相互作用（电磁、引力、强相互作用及弱相互作用）的基本粒子。另外，夸克也是现在已知唯一一种启旅基本电荷为非整数的粒子。夸克的每一种味都有一种对应的反粒子，叫反夸克，它跟塌旁迅夸克的不同之处只在于它的一些特性跟夸克大小一样但符号不同。
由夸克构成的强子根据其自旋可以分为重子（自旋为半奇数）和介子（自旋为整数）。所有的重子，比如质子和中子，都是由三个夸克组成的（反重子则是由三个反夸克组成的）。质子由两个上夸克和一个下夸克组成，中子是由两个下夸克和一个上夸克组成。而所有的介子都是由一对正–反夸克构成。
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