迄今最准确的科学理论
编译 | Quest
排版 | 徐徐
标准模型，对于人类已知的科学理论来说，这个名字显得毫无意义。但是上个世纪诺贝尔物理学奖的四分之一以上都是标准模型的直接或间接结果。
许多人回想起科学家和媒体对2012年发现希格斯玻色子的兴奋之情。但那场大肆宣传的事件并没有突然出现 - 这标志着标准模型五十年不败的历史。每一次推翻它的尝试都要在实验室中证明它必须进行重大修改 - 而且在过去的50年中已经有很多 - 已经失败了。
简而言之，标准模型回答了这个问题：什么是由什么组成的，它们是如何结合在一起的？
元素周期表
Credit: RubénVera Koster
最小的积木
众所周知，我们周围的世界是由分子组成的，分子是由原子组成的。化学家门捷列夫在19世纪60年代就认识到这一点，并将所有原子 - 即元素 - 排列成周期表。但是有118种不同的化学元素。有锑，砷，铝，硒......物理学家喜欢简单的事情。我们想把东西归结为它们的本质，一些基本的构建块。超过一百个化学元素并不简洁。古人认为，一切都只由五个元素组成 - 土，水，火，空气和以太。五是比118简单得多，但这是错误的。
到1932年，科学家们知道所有这些原子都是由三种粒子组成 - 中子，质子和电子。中子和质子紧密地结合在核内。电子以接近光的速度在原子核周围旋转。物理学家普朗克，玻尔，海森堡和朋友们发明了一种新的科学 - 量子力学 - 来解释这种运动。
那将是一个令人满意的结果，只有三种粒子。三比五更简单。但是如何结合在一起？带负电荷的电子和带正电荷的质子通过电磁结合在一起。但是质子全都挤在核中，它们的正电荷应该将它们强有力地分开，显然中性中子不能帮什么忙。
让这些质子和中子结合在一起的是什么？有人会说这是神的旨意，但是，即使作为一个神圣的存在，这种情况看起来上帝也有一个很大的麻烦 - 密切关注宇宙中10⁸⁰个质子和中子，并按照自己意志将它们结合在一起。
扩大粒子的动物园
与此同时，残酷的大自然拒绝将它的动物园种数保持在三个。因为我们应该数一下爱因斯坦所描述的光子粒子，真的是四？当安德森探测到来自外太空的正电子时，毫无疑问，四变成了五。而这正是狄拉克曾预测到的反物质粒子。然后当汤川秀树预测将会发现把核结合在一起的π介子时，五又变成了六。
然后拉比又发现了比电子重200倍，但性质又与之相同的μ子，我们来到七面前，显然这不再简洁了，但事情没那么简单。
到20世纪60年代，有数百个“基本”粒子。排列整齐的元素周期表，已经被很长的重子（像质子和中子），介子（如π介子）和轻子（如电子和难以捉摸的中微子）这些列表所代替，物质世界显得杂乱又没有指导原则。
进入这一突破口的是标准模型，这不是一夜之间的光辉。没有阿基米德从呼喊“尤里卡”时从浴缸中跳出来类似的场景。相反，在20世纪60年代中期，一些关键人物发表了一系列重要见解，将这一泥潭转变为一个简单的理论，然后进行了五十年的实验验证和理论阐述。
夸克，他们有六种我们称之为不同口味的品种。像冰淇淋一样，除了不如香草那么美味。我们有上，下，奇，粲，底和顶。 1964年，盖尔曼和茨威格给我们带来了食谱：混合搭配任何三个夸克来获得重子。质子是两个上夸克和一个下夸克结合而来;中子是两个下夸克和一个上夸克组成。一个夸克和一个反夸克组合可以成为一个介子。一个π介子是一个上夸克或一个下夸克，与一个下夸克或上夸克结合而成。
基本粒子的标准模型：夸克，轻子和载力重子
Credit:费米国家加速器实验室
有趣的是这些夸克它们彼此紧密相连，以至于你永远无法找到单独一个夸克或反夸克。这种使夸克结合的粒子称为胶子，研究这种粒子与夸克相互作用的理论被称为量子色动力学。这是标准模型中至关重要的一部分，但在数学上解决这个问题困难重重，甚至构成了一个未解决的基础数学问题。物理学家尽力用它来计算，但我们仍在学习如何使用。
标准模型的另一方面是“轻子模型”。这是史蒂文.温伯格1967年的标志性论文的主要内容，他结合了给出基本粒子质量的希格斯机制，融合了我们熟悉的电磁学和导致某些放射性衰变的“弱核力”，并解释说它们是同一种力的不同方面。从那以后，标准模型预测了一次又一次的实验结果，包括发现了几种夸克和用于弱相互作用的重粒子W和Z玻色子。在20世纪60年代关于中微子具有质量的可能性被忽略了，但是在20世纪90年代进入标准模型，中微子加入了这个粒子大家庭。
在CERN粒子加速器记录的事件的三维视图显示希格斯玻色子的一对光子（黄色虚线和绿色点）Credit:CERN
2012年科学家发现了长期以来被标准模型预测并长期受到追捧的希格斯玻色子，令人兴奋但并不意外。这是标准模型对粒子物理学家的关键性胜利。因为物理学家们已经为超越标准的理论提出了许多建议模型。这些名称包括大统一理论，超对称和弦理论等令人兴奋的名称。
至少对于他们的支持者来说，超标准模型理论尚未成功预测任何新的实验现象或与标准模型有任何实验差异，经过五十年的发展，标准模型值得庆祝，它还远不需要升级，它仍旧是万事万物的绝对完美理论。
完
参考原文：
theconversation/the-standard-model-of-particle-physics-the-absolutely-amazing-theory-of-almost-everything-94700
每日一图
目前为止，我们只能猜测希格斯玻色子可能是什么样子
Credit：DESY Zeuthen
谢谢阅读
