第二節：粒子世界
世界所有的物質都是由分子或直接由原子構成的。原子是化學反應的基本微粒，原子在化學反應中不可分割。原子直徑的數量級大約是10-10M。原子質量極小，且99.9%集中在原子核。原子核外分布著電子，電子決定了一個元素的化學性質，並且對原子的磁性有著很大的影響。所有質子數相同的原子組成元素，每一種元素至少有一種不穩定的同位素，可以進行放射性衰變。質子數等於電子數，因此正負抵消，原子就不顯電。原子是個空心球體，原子中大部分的質量都集中在原子核上，原子核假如是葡萄（20mm）大小，那麽整個原子的範圍應該在200米範圍左右。其他都是電磁場，電子好比這個200米原子運動場中運動的一粒沙子，質子大小好比一個米粒。而誇克是原子核的萬分之一，就好比一個微小的塵埃。
基本粒子要比原子、分子小得多，現有最高倍的電子顯微鏡也不能觀測到。質子、中子的大小，隻有原子的十萬分之一。而輕子和誇克更小，還不到質子、中子的萬分之一。粒子的質量是粒子的一個主要特征量，按照粒子物理的規範理論，所有規範粒子的質量為零，而規範不變性以某種方式被破壞了，使誇克、帶電輕子、中間玻色子獲得質量。現有的粒子質量範圍很大，光子、膠子是無質量的，電子質量很小，π介子質量為電子質量的280倍，質子、中子都很重，接近電子質量的2000倍，已知最重的粒子是頂誇克。已發現的六種誇克，從下誇克到頂誇克，質量從輕到重。中微子的質量非常小，目前已測得的電子中微子的質量為電子質量的七萬分之一，已非常接近於零。
在國際當前流行的量子構成方麵，最成功地被科學檢驗的是粒子模型。
粒子模型指的是物質構成單元有不可再分割的粒子構成，在誇克模型提出後，人們認識到基本粒子也有複雜的結構，故現在一般不提“基本粒子”這一說法。根據作用力的不同，粒子分為強子、輕子和傳播子三大類。
粒子標準模型
雖然標準模型對實驗結果的解釋很成功，但也有很大的缺陷。首先，模型中包含了許多參數，如各粒子的質量和各相互作用強度，這些數字不能隻從計算中得出，而必須由實驗決定。其次，關於標準模型理論所預測的希格斯玻色子問題。雖然歐洲大型對撞機發現了相似度非常高的完美疑似粒子，但是其被確認還需要經過一段時間的相關實驗的考驗，再者弱電對稱破缺還沒有滿意的解釋，另外還有標準模型理論中存在所謂的自然性問題。最後，這理論未能描述引力。
標準模型包含費米子及玻色子。費米子為擁有半整數的自旋並遵守泡利不相容原理（該原理指出沒有相同的費米子能占有同樣的量子態）的粒子，玻色子則擁有整數自旋而並不遵守泡利不相容原理。費米子就是組成物質的粒子而玻色子則負責傳遞各種作用力。在規範場中，費米子與玻色子配對使用。
標準模型包含的玻色子有：
膠子：強相互作用的媒介粒子，自旋為1，有8種。
光子：電磁相互作用的媒介粒子，自旋為1，隻有1種。
W及Z玻色子：弱相互作用的媒介粒子，自旋為1，有3種。賦予萬物以質量的希格斯粒子1種。
在玻色子中，隻有希格斯玻色子不是規範玻色子，而引力子不包含在標準模型之中。
標準模型包含了十二種“味道”的費米子。組成大部份物質的三種粒子：質子、中子及電子，其中隻有電子是這套理論的基本粒子。質子和中子隻是由更基本的誇克受強作用力吸引而組成。
標準模型的基本費米子：
標準模型中的費米子都是左旋的，費米子可以分為三個“世代”。第一代包括電子、上下誇克及電子中微子。所有普通物質都是由這一代的粒子組成；第二及第三代粒子隻能在宇宙射線或高能實驗中製造出來，而且會在短時間內衰變成第一代粒子。把這些粒子排列成三代是因為每一代的四種粒子與另一代相對應的四種粒子的性質幾乎一樣，唯一的區別就是它們的質量。
例如，電子跟μ子的自旋皆為半整數而電荷同樣是-1，但μ子的質量大約是電子的200倍。
電子與電子中微子以及在第二、三代中相對應的粒子被統稱為輕子。誇克擁有一種叫“色”的量子性質，並且與強作用力耦合。強作用力不同於其他的作用力（弱力、電磁力、引力），會隨距離增加變得越來越強。由於強作用力的色禁閉特性，誇克永遠隻會在色荷為零的組合中出現（如介子、重子），這些不同的組合被統稱為“強子”。
目前實驗中確認的強子有兩種：由三顆誇克組成的費米子，即重子（如質子及中子）；以及由誇克－反誇克對所組成的玻色子，即介子（比如π介子）。而由五個誇克所組成的五誇克粒子，目前實驗上的結果仍有爭議。
第一代：左旋電子、左旋電子中微子、左旋正電子、左旋電子反中微子、左旋上誇克、左旋下誇克、左旋反上誇克、左旋反下誇克。
第二代：左旋μ子、左旋μ子中微子、左旋反μ子、左旋μ子反中微子、左旋魅誇克、左旋奇誇克、左旋反魅誇克、左旋反奇誇克。
第三代：左旋τ子、左旋τ子中微子、左旋反τ子、左旋τ子反中微子、左旋頂誇克、左旋底誇克、左旋反頂誇克、左旋反底誇克。
誇克36有種：其中包括誇克、誇克有六味、每味三色、再加上各自對應的反粒子、總共36種不同狀態的誇克。
輕子12有種：電子e、μ子、τ子以及各自的中微子共六種它們的反粒子六種。
強子有兩種：由三顆誇克組成的費米子，即重子（如質子及中子），以及由誇克－反誇克對所組成的玻色子，即介子（如π介子）。
在W玻色子、Z玻色子、膠子、頂誇克及魅誇克未被發現前，標準模型已經預測到它們的存在，而且對它們的性質進行了精確的預測，加上歐洲大型對撞機發現最後一個沒有發現的而且非常重要的疑似粒子——希格斯粒子，所以標準模型受到更多的重視。
粒子物理學的標準模型是一套描述強力、弱力及電磁力，這三種基本力及組成所有物質的基本粒子的理論。它隸屬量子場論的範疇，並與量子力學及狹義相對論兼容。到現在為止，幾乎所有對以上三種力的實驗結果都合乎這套理論的預測。但是標準模型還不是一套萬有理論，主要是因為它沒有描述到引力。
首個與標準模型不相符的實驗是有關中微子振**的結果，顯示中微子擁有非零質量。標準模型的簡單修正（如非零質量的中微子）可以解釋這個實驗結果。這個新的模型仍叫做標準模型。
標準模型理論以外的理論性粒子
實驗已經證明了標準模型的精確性，但是科學家為了解釋某些現有理論無法解釋的物理現象，包括弦理論在內的研究者認為宇宙中可能存在超對稱粒子。它們質量非常大（相對一般粒子，如質子而言），加速器還無法製造它們。但是因為量子漲落的存在，它們可能在極短的時間內和非常小的概率下與我們可見的粒子發生相互作用，因此它們還是可以被間接地探測到。目前每種標準模型粒子都被認為存在對應的超對稱粒子。並且被用來解釋某些物理現象。例如誇克的超對稱粒子用來解釋正反粒子數目的不對稱，以及中微子的超對稱粒子用來解釋——為什麽中微子的質量如此之小。
超對稱粒子：軸子、伴膠子、伴引力子、伴希格斯玻色子、中性微子、標量費米子、標量輕子、標量誇克。
其它：引力子、希格斯玻色子、迅子、磁單極子。
假想的合成粒子：人們想象的實驗暫時沒發現或者根本不存在的粒子，比如暗物質，某些速度永遠大於光速的速子，以及磁單極子或加速子等。
假想的粒子：奇異強子、奇異重子、五誇克態、奇異介子、膠球—四誇克態。
其它：介子、分子。
準粒子：聲子、激子、電漿子、電磁極化子、極子、磁振子。
中微子質量之謎
中微子又譯作微中子，是組成自然界的最基本的粒子之一，常用符號ν表示。中微子不帶電，自旋為1/2，質量非常輕（小於電子的百萬分之一），以接近光速運動。
中微子是不帶電的基本粒子，似乎也沒有質量，中微子隻參與非常微弱的弱相互作用，具有最強的穿透力。能毫不費力地穿到地球、恒星內部等，每天有數以千萬億的中微子穿過我們的身體。在100億個中微子中隻有一個會與物質發生反應，因此中微子的檢測非常困難。正因為如此，在所有的基本粒子中，人們對中微子的了解最晚，也最少。實際上，大多數粒子物理和核物理過程都伴隨著中微子的產生，例如，核反應堆發電（核裂變）、太陽發光（核聚變）、天然放射性（貝塔衰變）、超新星爆發、宇宙射線等。宇宙中充斥著大量的中微子，大部分為宇宙大爆炸的殘留，大約為每立方厘米100個。
由於宇宙中中微子的數量極其巨大，如果中微子有質量，其總質量也會非常驚人，那麽物理大統一理論模型（一種試圖把粒子間四種基本作用中的三種統一起來的理論）就需要重建。因為在現有的量子物理構架中，科學家是在用假設沒有質量的中微子來解釋粒子的電弱作用。
中微子有大量謎團尚未解開。首先它的質量尚未直接測到，大小未知；其次，它的反粒子是它自己還是另外一種粒子；第三，中微子振**還有兩個參數未測到，而這兩個參數很可能與宇宙中反物質缺失之謎有關；第四，它有沒有磁矩；等等。因此，中微子成了粒子物理、天體物理、宇宙學、地球物理的交叉熱點學科。而大量科學數據表明中微子是有質量的，如果中中微子有質量，那麽標準模型就是不正確的。粒子模型必須作出新的調整。
2012年3月8日大亞灣中微子實驗國際合作組發言人在北京宣布：大亞灣中微子實驗發現了一種新的中微子震**，並測量到其振**幾率。該發現被認為是對物質世界基本規律的一項新的認識，對中微子物理未來發展方向起到了決定性作用，並將有助於破解宇宙中“反物質消失之謎”
希格斯粒子
希格斯粒子被認為是一種自旋為零的玻色子亞原子粒子。標準模型預言了62種基本粒子，而希格斯玻色子是最後一種未被證明存在的基本粒子，被認為是物質的質量之源。由於它難以尋覓又極為重要。苦尋不至，人們把它稱為“上帝詛咒的粒子”，久而久之，就簡化成了“上帝粒子”。
牛頓認為蘋果是因為被地球吸引砸到地上，蘋果肯定有質量才會被地球吸引，而質量來源是物理學家的重要研究內容。
為解決質量問題，1964年希格斯提出了希格斯機製，此機製說：在宇宙大爆炸過程中，形成了一種無形卻到處存在的場，希格斯認為宇宙間遍布“希格斯場”，基本粒子在與希格斯場的相互作用下獲得了質量，而形成希格斯場的就是一種新的粒子，被命名為希格斯粒子。
希格斯理論提出在宇宙誕生的最初，並沒有希格斯粒子的存在，其他的各種基本粒子都如光子一般，以光速橫衝直撞。宇宙誕生十幾秒後，希格斯粒子誕生，形成了“希格斯場”。除了光子，其他的基本粒子與希格斯粒子發生碰撞後，就好比海洋中的魚，其他基本粒子“魚”，就好像在“希格斯場”海洋中遊動，因為受到水（希格斯粒子）的阻礙，從而產生重量。
其他基本粒子獲得質量後，速度就慢下來了。慢下來的基本粒子“誇克”在強相互作用下，抱團組成了質子、中子等粒子，質子和中子又組成了原子核，原子核與電子在電磁力作用下又形成了原子，原子構成分子。所有的粒子在除引力外的另三種力的框架中相互作用，統一於標準模型之下，構築成了大千世界。
如果沒有希格斯粒子，其他的基本粒子就仍然會以光速運行，不能聚合在一起，我們的宇宙將仍然是一鍋沸騰的基本粒子湯，根本不能組成物質，生命也無從談起。希格斯粒子使物質得到質量，萬有引力則將質量變成重量，使恒星和行星都得以誕生，最終孕育生命。如此，也解釋了為何蘋果會掉到地上的問題。
由於希格斯玻色子是最後一種未被發現的基本粒子，對完善粒子物理學理論“大廈”有重要意義。科學界相信它的存在，並認為發現它隻是時間問題。希格斯玻色子的存在將正好補充描述整個宇宙如何運行的物理學標準模型的缺陷，因此它便顯得尤其重要。如果這個假設為真，那標準模型就可以得到徹底的驗證。如果不存在“上帝粒子”的話，理論學家則需要重新書寫標準模型理論。
著名物理學家溫伯格認為，隻要能夠建造能量足夠大的加速器，就一定可以找到這個最後的粒子。為了發現希格斯玻色子，也為了探索宇宙起源，包括中國在內的世界各國共同資助了歐洲核子研究中心興建了大型強子對撞機（LHC）。
歐洲原子核能中心（CERN）有著世界上最大的實驗裝置——大型強子對撞機（LHC），其橫跨法國和瑞士。這個長達二十八年之久、造價近百億歐元的龐大地下裝置，由全球包括中國在內的五十個國家、三千名科學家參與，其最主要的目的是為了尋找被稱為“上帝粒子”的希格斯玻色子。有科學家把此次LHC的成就比作發現DNA和登陸月球。
LHC位於瑞士和法國邊境地區地下50-150m米深的隧道中，環形隧道長達27公裏。質子束在全長27公裏的環形隧道中以每秒11245圈的速度狂飆然後相撞，在極細微的空間爆發由如十萬倍太陽溫度的超級高溫。這一刻就像宇宙大爆炸之時，釋放大量能量和基本粒子，冷卻後形成組成物質的質子和中子，希格斯粒子就有可能產生在其中。
希格斯粒子的發現非常困難，即使“撞出”希格斯粒子後，還有一個很麻煩的問題是希格斯玻色子無法直接觀測到，隻能通過觀測到某種粒子衰變之後產生的光子等其他粒子，反推這些光子會不會是粒子碰撞產生的希格斯玻色子衰變出來的。然而每1012次的質子對撞，才可能產生一次希格斯粒子。更加困難的是，這種粒子一旦產生就轉瞬即逝，在碰撞後10億分之一秒的時間內衰變，因此要想捕捉到它極不容易，需要進行足夠次數的相撞，並進行海量數據分析。因此理論物理學家霍金認為，人類在很長一段時間內不可能發現希格斯玻色子，為此他還打賭100美金。
時間推到2012年7月4日，這一天歐洲核子研究中心（CERN）的科學家們宣布發現了一種新的亞原子粒子，這可能是難以捉摸的希格斯玻色子（上帝粒子），英國科學技設施委員會行政長官約翰·沃默斯利在倫敦舉行的一個發布會上表示：“我可以證實，一個粒子已被發現，這個粒子與希格斯玻色子理論所描述的粒子是一致的。”
尋找希格斯玻色子的兩個小組中的一個小組的發言人喬·因坎迪拉在日內瓦附近的歐洲核子研究中心對人們說：“這是一個初步的結果，但我們認為這個結果非常強，非常堅實。”
歐洲核研究組織在聲明中說，兩座各自獨立的實驗室都發現了這種亞原子粒子，質量範圍在125至126吉電子伏特之間。兩家實驗室都宣布，數據結果的統計確定性為5西格瑪或5標準差。
5西格瑪，換算成統計誤差率，大約為0.00006%。成功率為99.99994%。
在粒子物理學界，若要證實某一發現，數據統計確定性需要達到5標準差；若要作為證據，統計確定性必須達到3標準差，所以現在說是“接近發現”。
在分析過程中，希格斯玻色子是否存在會從數據圖形的峰值中體現出來。然而即使發現了這樣的峰值，也不能就此宣布發現了希格斯玻色子，隻有當他們確認這一信號是統計誤差的概率低於一定標準時，並進行其他大量證實後才能比較有把握地宣布發現結果。
如果在數以十億計的對撞實驗中真的產生了希格斯玻色子，根據預測，它應當是不穩定的，會迅速衰變為更加穩定，質量更小的粒子。雖然實驗證明這種粒子最後衰變成兩個光子，但是還需要對這些衰變產物進行分析，並且通過分析來推斷這種粒子是否為真的希格斯粒子。
喬和費碧歐拉在會後的新聞發布會上反複向媒體表示，今天的結果隻能證明我們發現了符合標準模型的新玻色子，這種玻色子究竟是什麽還無法確認，但羅爾夫·豪雅表示，“我們發現的是一種新粒子，這才是讓我們激動的地方”。CMS小組也在其網站上表示，雖然我們發現了符合希格斯玻色子基本模型的粒子，但並沒有確認發現希格斯玻色子，因為我們僅僅關注了該粒子的質量本身，它可能是其他具有該質量的粒子。為了確認所發現的就是希格斯玻色子，我們還需要確認它的自旋為0，正確的耦合比等等。這些將是我們今後的工作，但這個發現依然讓人激動。
曾獲諾貝爾獎的著名粒子物理學家萊德曼表示，如果發現的新粒子不是格斯粒子，標準模型理論將被推翻，至少需要進行修改。歐洲核研究組織物理學家伊夫斯·西羅伊斯說：“發現的那個粒子也許不是希格斯玻色子，而是一種比希格斯玻色子大很多的粒子。那麽，它也會打開一扇門，開啟一套比‘標準模型’走得更遠的新理論。”
美國能源部下屬的費米國家加速器實驗室項目發言人羅布·羅澤說：“我們的數據有力地顯示希格斯粒子的存在。”在2010年，美國費米國家實驗室的萬億電子伏特加速器工作的粒子物理學家提出了一個命題：希格斯玻色子是否還具有五種不同的形態，但實驗結果卻令任何一個粒子物理學家感到驚訝，宇宙中可能不止存在一種希格斯粒子。
為了要獲取更多的信息，大型強子對撞機的各種實驗還要不停做下去，而且還要提高能力級別。預計在2013年，LHC會達到滿負荷14萬億電子伏特運轉是現在的兩倍。到時候新的奇跡是否會誕生，並且在大型對撞機實驗裏，是否還會誕生新的粒子打破標準模型的粒子數量，如何再定義標準模型也是值得關注的。
當然，如果本身這種粒子並非希格斯粒子，那麽解釋世界就可能會有另外的假說，而且這樣的假說也未必不能解釋世界。宇宙和我們生存的世界一直存在，隻是科學家們現在尚無法圓滿解釋這個世界而已。
希格斯粒子與標準模型的最後疑問：希格斯粒子假如被發現了，粒子的標準模型達到圓滿成功，那麽依然有更多的疑問：
第一，發現希格斯粒子，隻是穩固了既有理論體係的基礎，證明了標準模型理論的可靠性。可是粒子標準模型依然是不完整的，而在標準模型的基礎上，科學家尋求最終的大一統的物理理論，還有很長的路要走。這是因為物理學標準模型本身也並非解釋物質世界一切奧秘的“終極理論”。盡管標準模型解釋了電磁力和強核力之類的基本作用力，但由於引力的作用實在太過微弱，到目前為止，一切試圖將引力統一到標準模型內的努力都失敗了。
第二，在一個暗能量、暗物質、物質的混合宇宙裏，很顯然物質世界並不占據宇宙創生的主導。假如真的存在希格斯粒子場機製，很顯然希格斯粒子場機製比萬有引力，更具有統治性、普遍性，那麽萬有引力地位如何定義？但是，即便科學家找到了“上帝粒子”也並不意味著宇宙物理獲得了最終解釋。因為標準模型隻能解釋4%的宇宙，宇宙裏的暗物質與暗能量分別占有剩餘的23%和73%，這些暗物質、暗能量仍然得不到解釋。對於暗能量、中微子質量、物質與反物質不平行等領域，標準模型無能為力。這些將涉及更高層麵、更高維度、更高能量的統一理論，甚至弦理論。
第三，希格斯粒子的性質問題：在希格斯機製中，希格斯粒子漫布整個宇宙，無所不在。那麽希格斯是一種還是多種，希格斯粒子之間是如何作用的，宇宙空間中希格斯粒子組成的希格斯場符合希格斯整體量子糾纏行為嗎？如果宇宙中所有的希格斯粒子性質一樣，那麽就有可能存在整個宇宙希格斯粒子場的糾纏行為，在宇宙中整個希格斯粒子場是糾纏的。在宇宙中這是一個龐大的糾纏的粒子場群，它們不僅僅微觀影響及賦予基本粒子以質量，那麽在龐大的宇宙希格斯粒子場糾纏空間中，必然也會影響宇宙的狀態、結構、及其運轉，甚至影響到星係的形成及其運轉。在一個多平行宇宙的宇宙海洋中，希格斯粒子場也同樣會無所不在，甚至做為暗能量的一種，推動萬物的運轉及其規律。一個龐大的希格斯糾纏場涉及到是否超越光速，從糾纏本身來講，希格斯粒子本身就可能屬於糾纏傳遞粒子，其速度完全可以遠遠超越光速，一秒之內跨越整個宇宙。希格斯粒子其大小、結構、自身的質量結構、力的作用方式、方向等都還有疑問。同時希格斯粒子在物質粒子的內外表現是否相同，希格斯粒子場隻在粒子內部表現嗎？如果在外部，那麽是如何作用的，強度如何？粒子內外的希格斯粒子場作用原理相同嗎？
希格斯粒子的誕生機製，為什麽不同於其他粒子，光在希格斯粒子場中的傳播、作用及其影響。這些都意味著物理學的終極拷問，甚至無限的探究，完全可以創造出新的物理學理論。而新的物理學在涉及到宇宙粒子深處的性質時候，有可能涉及到本書提出的“刹那空間”“聚合而生”的宇宙觀念來合理解釋其真正的本質。當然探索希格斯粒子本質的問題，也完全可以用本書提到的觀點重新定義物理學理論，讓本書提到的無所不在的宇宙基本“無”
元素與希格斯粒子聯係起來解釋希格斯粒子及物理學的困惑。
在第三章宇宙的背景深度裏講到，宇宙模型假如不是大爆炸而來，而是更大範圍內比如幾千億光年、萬億光年聚合而來，那麽對撞機發現的粒子可能是實驗室本身創造的，而不是宇宙形成的原因，就好比化學實驗室裏可以創造萬種的有機物，但並不是自然界存在的一樣。無疑科學精神是應該存疑的，對於宇宙深處的微觀與宏觀的關係、作用原理、形成機製，我們還知之甚少。當幾年後歐洲大型粒子對撞機繼續提高能量後，如果再發現新型粒子痕跡，非常有可能的就是對撞機本身創造了粒子。
宇宙的粒子深度
在量子力學裏，真空並不意味著沒有任何場、粒子或能量。量子真空是一種能量最低的狀態，它隻是被稱作“真空”而已，實際上能量嚴格為零的狀態是不可能存在的。霍金與惠勒都提到無中生有，有與無本身隻是相對的。
按照近代物理學的觀點，真空不是虛空，而是量子場係統的基態，具有複雜的結構。處於基態的量子場在不斷地振動，具有零點振動能，且具有相互作用（包括自作用），真空中各種量子場不斷地有各種虛粒子在產生、消失和轉化。在某種意義上真空像是介質，類似於電磁學中電場對電介質的極化、真空與外電磁場的相互作用產生真空極化。真空極化反過來會影響粒子的性質，導致可觀測的後果。氫原子能級的蘭姆移位和電子的反常磁矩是其兩個典型的實例。實驗觀測的結果與量子電動力學考慮真空極化效應的計算結果，在非常高的精度上完全一致，證實了真空極化效應。
很顯然，按照標準模型，構成我們世界的62種粒子，再加上主導宇宙的暗物質與暗能量，似乎相對於我們表觀可以更詳細觀察的電子、質子、中子這樣簡單的原子構成結構元素來說，62種基本粒子有些複雜了，而且很多時候人們忽略了粒子與外界的聯係，忽略了暗能量、暗物質與粒子之間的因果關係，就好比人本身與周圍空氣沒有關係一樣。而量子的本性按照量子力學來講，首先是不確定性。
在第三章宇宙的背景深度裏同樣講到，新的模型是粒子應該是力與粒子的結合，任何的粒子不應該是孤立的，越是深層微觀的粒子，越是與真正的更大範圍的宇宙空間結合存在相關聯性。
即使標準模型與希格斯粒子被證明，人們依然會問，這62種粒子的本質是什麽，內部結構是什麽，粒子之間是否有宇宙深度的內在聯係，是否在深度裏麵存在著更大的統一，人們依然會追問、探索宇宙微觀與宏觀的關聯性。但是本書提到的：圓轉的宇宙，充滿內部的“基本”無元素，多層聚合運動，卻為宇宙探索提供了一種簡單不能再簡單的原理。這正是霍金與愛因斯坦提出的簡潔不能再簡潔的理念。