自然科学的首要目的就是要探究自然万物运行的规律，构建一个符合逻辑的模型，由此来理解自然，并指导人类的生产和生活。而其中组成物质的基本单元以及它们之间的基本相互作用是物理学研究的重要内容。

撰文

王丝雨、王雯宇、熊兆华

来源：物理与工程

自然科学的首要目的就是要探究自然万物运行的规律，构建一个符合逻辑的模型，由此来理解自然，并指导人类的生产和生活。而其中组成物质的基本单元，以及它们之间的基本相互作用是物理学研究的重要内容。

狭义上讲，此类研究通常被称为粒子物理或高能物理。这实际上是一门最能体现物理学还原论思想的学科。相对于在实际生活中广泛应用的其他物理学科，如光学、凝聚态物理等等，粒子物理更多属于理论研究的范畴。因此，公众以及很多物理学教师对粒子物理的研究内容、理论基础以及前沿现状了解较少。

高能物理相关的综述文数量虽然不少，但是其中有很多太过专业，而且以英文文献居多。为此，本文试图对粒子物理理论做一个较为全面的简介。论文中尽可能地不用物理公式来说明物理规律和思想。对粒子物理理论的理解其实要牵涉到整个量子力学的解释问题。本文作者也尽可能地把量子力学的解释、物理学对组成物质基元的理解，以通俗的方式进行描述。

需要说明的是，粒子物理标准模型是物理学家经过了长期的探索才得到的。其中既有奇妙的物理思想，又有大量的实验探测。失败与挫折充斥了整个探索过程。而作为理论的简介，论文并不是想做一个高能物理发展历史的综述，所以主要内容是讨论怎么理解现在已经成为高能物理理论基础的粒子物理标准模型。

论文做以下安排，第1部分介绍物质的基本组分；第2部分介绍基本相互作用；第3部分讲解理解物质基元和相互作用的理论；第4部分讲解标准模型的具体内容；最后我们给出总结以及标准模型所存在的问题。

1物质的基本组成部分

自从文明诞生以来，人类最向往的一个目标就是在纷繁复杂的自然界中建立秩序和规则。而把各种各样的物质和相互作用分解成简单的基本元素，研究这些基本元素相互作用的规律是自然科学的一种重要思想。这种思想通常也被称为“还原论”[1]。

著名物理学家费曼在其名著《费曼物理学讲义》的序言[2]中就表达了还原论思想对于物理学的重要性：“假如由于某种大灾难，所有的科学知识都丢失了，只有一句话可以传给下一代，那怎样才能用最少的词汇来传达最多的信息呢？我相信这句话是原子的假设……”

可以说物理学的发展过程其实也是人类不断深入探索物质基本组成的过程。比如中国古人就认为自然界所有的物质都由五种元素组成：金、木、水、火、土，并据此命名了这五颗经典行星。古希腊人则认为所有物质是由四种元素组成的：空气、火、水、土。后来的化学研究表明，这两种观点都过于简单化了。现在已知的物质由大约一百个不同的元素组成，而不是仅仅只有四五种元素。在年，道尔顿提出，在这些元素中有一个最基本的组成部分，它本身是不可改变或者是不可摧毁的。道尔顿将其命名为原子。19世纪中叶，门捷列耶夫在他著名的周期表中发现了化学元素的规律性[3]，而这些规律背后的原因直到20世纪初期量子力学建立之后才逐渐被人们所理解。

有趣的是，对元素周期表的理解打破了道尔顿的原子概念。年J.J.汤姆逊[4]发现了比原子更为基本的粒子：带负电的电子。年卢瑟福通过实验发现了α粒子的大角度散射过程。这使得人们对原子有了新的理解，即原子有内部结构，而且有点类似于太阳系的模型。原子是由原子核及绕其旋转的电子组成的，就像围绕太阳旋转的行星一样。这样的话，最基本的存在就不再是道尔顿所设想的原子，而应该是电子和原子核。打破道尔顿原子概念实际上为理解周期表打开了大门。有了电子，我们就能把不同的化学元素联系起来。元素之所以不同，仅仅是因为它们在原子中有不同数量的电子。化学性质的相似性现在被转化为电子排列的相似性，而电子排列的规律则可以由量子力学理论来理解。

一种化学元素可能含有几种同位素。它们具有相同的化学性质，每个原子中的电子数目相同，但它们的原子核质量不同。这表明，是原子的电子体现其化学性质而不是原子核。但是为什么同一元素有不同的原子核呢？

年，查德威克[5]发现了中子，最终解开了这个谜团。中子是位于原子核中呈电中性的粒子。原子核中的另一个粒子是质子，它携带一个正电荷单位，只不过是氢原子的原子核。所有的原子核都是由质子和中子组成的，这两个粒子统称为核子。电子的电荷与质子的电荷相等且相反，携带一个单位负电荷。给定的化学元素有确定数量的电子。由于原子是电中性的，所以每个原子中的质子和电子必须数量相同。然而，这个论点并没有限制原子核中子的数量，因为中子是电中性的。只是中子数目不同的原子互为同位素。这就是一种化学元素可能含有几种同位素的原因。根据这一推论，人们可以得出结论，只要加入越来越多的中子，就可以获得无限数量的同位素。事实证明，这种想法是错误的，因为有太多中子的原子核会因为β衰变而变得不稳定。下面再来讨论这个问题。现在，元素(物质基元)的桂冠已经不再属于原子，而应该传递给电子、质子和中子了。

20世纪30年代以后，许多其他新粒子在宇宙射线，或者高能加速器实验中产生和发现。(完整的粒子表可在粒子数据组网站上找到

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