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極簡量子力學:壹張圖看懂什麽是玻色子、費米子、希格斯子

大家都知道,量子力學是現代物理學的核心,物理學家對宇宙中“極小構成”的 探索 壹直延續至今。從分子、原子,到組成原子的質子、中子、電子,可能都是很多人所熟知的。

然而,隨著各種名稱怪異的誇克(上誇克,下誇克、頂誇克、奇誇克等),到中微子、玻色子的發現,還有2012年發現的希格斯玻色子,普通大眾就開始雲裏霧裏了,這都是些啥……

如果用非常簡單的語言解釋,可以概括為:這些粒子的分類和作用,其實是在解釋微觀量子是如何相互作用、如何黏在壹起構成我們所看到的宏觀世界的。

簡單來說,基本粒子分為兩大類,玻色子和費米子。

費米子是構成物質的基本粒子,遵循不相容原理。

玻色子(如光子)作為交換粒子,在粒子之間傳來傳去,負責產生相互作用力。

自然界中有12種費米子以及對應的反粒子,它們每四種為壹代,壹***分為三代:

要理解這些,需要了解粒子間的相互作用力,而現代物理學就是在統壹這些力,完成“大壹統”。

萬有引力:幾乎可以忽略不計 粒子交換引力子產生引力。

電磁力:就是帶電粒子間的相互作用,把原子約束在壹起;是化學反應的基礎。

量子電動力學(Quantum Electrodynamics,QED)是解釋粒子間電磁作用的理論——粒子通過相互傳遞光子,來產生作用力。量子電動力學是20世紀40年代由費曼等物理學家創立的,費曼還發明了著名的“費曼圖”把粒子間的這種相互作用力畫了出來。

強相互作用力:束縛著原子核,也就是有質子和中子的部分,使原子核不至於因為電磁力互斥的作用四分五裂;

量子色動力學(Quantum Chromodynamics,QCD)解釋了強相互作用力——當誇克互相交換膠子,就會產生強相互作用力。(這些粒子叫做膠子,也是因為他們把誇克黏在了壹起)

弱相互作用力:壹些放射現象的起因,也是在恒星內部發生原子合成的作用力之壹。

弱相互作用力通過交換三種玻色子發揮作用,這個理論預言了希格斯玻色子的存在。

(2017年7月4日,歐洲和研究組織宣布發現了希格斯玻色子。這是繼法拉第和麥克斯韋在150年前統壹電磁力後,最重大的壹次力的統壹。)

如果說費米子構成物質,那麽玻色子則負責產生它們之間的力:強相互作用力、電磁力和弱相互用力。這也就是基本粒子的標準模型。