到底有多少基本粒子？

到底有多少基本粒子？评论 保存文章 稍后阅读 分享 Facebook 已复制！复制链接 发送电子邮件至 Pocket Reddit Ycombinator 评论 评论 保存文章 稍后阅读 稍后阅读 Qualia 真的有多少基本粒子？作者：Natalie Wolchover，2026 年 6 月 15 日 合理的答案范围从 17 到——严肃地说——995.5。评论 保存文章 稍后阅读 克里斯蒂娜·阿米蒂奇/Quanta 杂志 简介 每次我写有关粒子物理学的文章时，我都会遇到一个对乍一看应该很清楚的量的不确定时刻。我应该说基本粒子有多少种？在大型强子对撞机的实验中，物理学家将质子束粉碎在一起，将它们分解成所有可能的基本碎片。与此同时，他们有一套极其精确的数学方程来描述这些构建块以及它们组合在一起的所有方式。因此，由于自然界中已知的粒子既可以通过经验观察也可以通过理论描述，因此您可能会认为它们也可以被计算。但可惜没有。我知道，出于我们将会看到的原因，人口普查并不像看起来那么容易。因此，我最近给几位物理学家发了电子邮件，询问他们每个人如何亲自计算自然的基本成分。当我们安排视频通话时，剑桥大学物理学家兼教科书作者 David Tong 的回复首先表明了这个问题的复杂性：“附注：我认为你问题的真正答案不是整数！”我们会谈到这一点（它来自 2011 年的一项神秘计算），但让我们从顶部进入这个兔子洞。已知的基本粒子及其相互作用遵循一组称为粒子物理标准模型的方程。标准模型是一种“量子场论”，是对现实的数学描述，其中称为量子场的实体遍布宇宙。穿过这些场的涟漪就是我们所说的基本粒子。有些行为像物质，而另一些则赋予力量。标准模型中的量子场和相关粒子是除重力、暗物质和暗能量（所有这些在基本层面上都采取未知形式）之外的所有已知物理现象的基础。在教室墙上的海报中，标准模型显示了 17 个粒子。有 12 种物质粒子或费米子：电子、μ 子和 τ；三个中微子；和六个夸克。他们每个人对各种力量都有一套独特的敏感性。还有四种携带力的粒子或“玻色子”：光子（赋予电磁力）、W 和 Z 玻色子（弱力）和胶子（强力）。最后，还有希格斯玻色子，一种所谓的标量粒子，既不是物质也不是力。相反，它通过与其他粒子的相互作用而赋予它们质量。 Samuel Velasco/Quanta Magazine 可能就是这么简单。 “我认为 17 是正确的答案，”哈佛大学粒子物理学教授梅丽莎富兰克林告诉我。但包括富兰克林在内的每一位粒子物理学家都认识到存在一些警告。从17开始，你可以继续数。您停在哪里取决于您对复杂性和神秘性的品味。粒子数量的问题将我们带到了对物质最基本水平的了解的边缘。 17 有一个明显的问题。为了满足狭义相对论，每个标准模型的物质场都支持粒子和“反粒子”，“反粒子”与粒子相同，只是具有相反的电荷。这就是我们俗称的反物质。因此，物质粒子不是 12 个，而是实际有 24 个。同样，W 玻色子也有带相反电荷的类型，称为 W+ 和 W−。 （Z玻色子、光子或胶子不会发生这种情况；它们是电中性的。）富兰克林将反粒子排除在她的普查之外，她说，因为从数学上讲，它们或多或少反映了它们的粒子版本。 （奇怪的是，反粒子相当于在时间上向后移动的粒子，反之亦然。）两者缺一不可，因此不应将它们计算两次。但我觉得这个理由缺乏说服力。无可否认，粒子和反粒子是不同的，即使它们是秘密双胞胎。它们不能相互转化（中微子可能是个例外，中微子可能是也可能不是它们自己的反粒子），而且它们在功能上远非等效，在现实中扮演着完全不同的角色。物质在我们的宇宙中占据主导地位，任何反物质通常都会很快遇到物质并湮灭。宇宙物质与反物质不对称的原因是一个重大的物理谜团。反粒子使总数达到 30 个。但是，只有一个胶子的概念又是一种过于简单化的说法。实际上，强力是由八个胶子（及其相关场）传递的，每个胶子都具有独特的电荷混合，称为“颜色”和“反色”。不同之处