标准模型：关于（大部分）事物的物理理论

描述自然的数学可以很简单，甚至优雅。想想爱因斯坦钟爱的E = mc²。短短三个字母告诉我们，物质和能量本质上是相同的。海森堡的不确定性原理，它限制了我们在微观尺度上对现实的认识，整齐地印在一只马克杯上。

然后就是标准模型。这个庞杂的方程在12号字下可以填满半页纸。它依靠“重整化”——数学上的“万能胶”——得以维系，并且包含一堆没有规律的任意数字，这些数字是手工填写的，以拟合实验结果。这是一种只有物理学家才会爱的、笨拙的理论。

但美并非一切。尽管标准模型显得笨拙，它恰好是迄今为止最能回答人类数千年来一直在问的问题的理论：宇宙是由什么组成的？

“标准模型在某种程度上是丑陋的，”诺贝尔奖得主史蒂文·温伯格（Steven Weinberg），也是其架构师之一，说道。“但我认为，一个优雅的理论是能让你感觉到有些东西得到了解释，并且我们通过标准模型在解释自然方面取得了真正的进展。”

Field Day

你可能听说过，物质在其最小尺度下是由微小的点——电子之类的——组成的，称为粒子。根据标准模型，你没有听到全部真相。

“粒子并不那么有趣，”温伯格说。“如果你见过一个电子，你就见过所有电子了。”

粒子源自更基本的东西：场。场是看不见的，无处不在。你以前也接触过场，上次你试图将两块磁铁推到一起时。你感受到的那种奇特压力就来自磁场在抵抗。

20世纪40年代，物理学家为一种将电磁力视为量子场的理论画上了句号：量子电动力学（QED）。它表明，每个电子都是同一个电子场中的一个涟漪，每一点光都是一个光子场中的涟漪。

一个场中的涟漪，就像一阵风能在湖面上激起波浪一样，可以激发另一个场中的涟漪。理解电子场和光子场如何协同作用，不仅可以解释电磁力以及带电粒子的相互作用，还可以解释光如何与物质相互作用。听起来可能很疯狂，但QED已经以出色的成绩通过了所有测试。

四大基本力和它们的场

强核力（胶子场）将原子核的组成部分结合在一起。

电磁力（光子场）产生了电场和磁场。

弱核力（W和Z场）导致放射性衰变。

引力在标准模型中缺失。

物质的构成

夸克存在于原子核中，并受到所有四种基本力的作用。

电子（及其同类，如宇宙射线μ介子和超重的τ粒子）忽略强核力。

中微子几乎不与物质宇宙的其他部分相互作用，因为它们只受到弱核力的作用。

希格斯场与所有物质的构成部分相互作用；它赋予它们质量。

超越电力

标准模型的创造者通过添加其他力的场来扩展QED：强核力（将原子核的组成部分结合在一起）和弱核力（描述原子如何分裂并释放辐射）。这些场有它们自己的粒子。

标准模型还添加了一系列负责构成物质的粒子的场，包括构成原子核的夸克，以及几乎不与其他物质相互作用的中微子。

今天，标准模型最著名的预测可能是希格斯玻色子的存在。你是否听说，这个粒子在2012年首次在大型强子对撞机中被发现，它赋予其他粒子质量？你被误导了。

是希格斯场赋予了质量。它与带有质量的粒子（物质粒子以及负责弱核力场的W和Z玻色子）的场相互作用，但不与与无质量粒子（如光子）相关的场相互作用。

标准偏差

尽管取得了所有成功，标准模型并不完整。为什么希格斯场赋予不同粒子不同的质量仍然是一个谜。该模型也无法解释宇宙中被认为存在的暗物质和暗能量。或许最引人注目的是，它完全忽略了自然界的四种力之一——引力。标准模型无法解释引力如何工作，或者为什么它比其他三种力弱得多。

一些研究人员（不成功地）试图添加更多能够解决标准模型某些问题的场，这是一种称为超对称的想法。另一些人认为场可能由更基本的东西组成——微小的振动弦——但检验弦理论一直存在问题。

“我们都同意，标准模型之外一定存在着什么，但我们不知道那是什么，”温伯格说。就目前而言，这个丑陋的理论是我们拥有的最好的。