物理學最大的難題是什么？大統一理論和萬有理論何時實現？

現代物理學天空還有很多烏云，要解決這些烏云最有效的方式，就是利用現有的理論，不斷填補漏洞 。

理論越先進，就越接近突破烏云的邊緣。

在往期的物理學烏云系列中，我只是陳述問題，不提出解決這些烏云的思路。

目前最有可能突破的烏云就是統一電磁力，弱力和強力的大統一理論。

而這期視頻則是用目前最前沿的量子場論，提供物理學家利用標準模型構建大統一理論的思路。

文章涉及的知識量極大，涉及量子電動力學，楊·米爾斯理論，量子色動力學，希格斯機制，對稱性，凝聚態超導理論，大爆炸理論，文案已經最大程度通俗化了，邏輯性也早已串聯到位，適合反復閱讀。（文章字數太長，分三篇文章發布）

這是一張粒子物理的標準模型圖，也可以說是人類目前為止掌握到最接近萬有理論的模型了。

想象一下，宇宙中的自然現象包羅萬象，千變萬化，有超新星爆發釋放的高能射線，又有黑洞合并產生的引力波，還有DNA合成的氨基酸。但從微觀層面來看，宇宙中所有的現象本質上都是千篇一律的，所有的自然現象都是由物質作為載體而開展的。

而物質有兩個最基本的屬性，一個是變化屬性（力），另一個是質量屬性。

所以宇宙中所有現象都可以歸納成物質，質量，力這三個維度來解釋。

這時候你再看標準模型，剛好就是解釋這三個維度的理論。

截止2023年，人類已經發現了61種基本粒子，這61種基本粒子都在標準模型中，在常見的標準模型表中，只呈現了17種基本粒子，剩下的粒子主要是這些粒子的反物質，以及夸克和膠子的色荷粒子。

所以其他44種基本粒子沒有在這張圖上，主要是它們都可以通過圖中這17種基本粒子延伸出來。就相當一個家庭只出一個代表就行。

比如夸克一共有36種，但是圖中只有6種，這主要是因為夸克有兩種屬性，一種是“味”，一種是“色”。當然，這里的味道和顏色和生活中說的那種完全不同，這兩種屬性對應的是兩種量子數。

夸克一共有6種“味”，對應的名字分布是上，下，粲，奇，頂，底。每一種味又有3種色荷，所以夸克在“味”和色荷上的區分，就變成了18種。而每一種夸克還有自己的反物質，加一起剛好就有36種夸克。

在這張圖中，每個粒子標注了三個量，分別是質量，電荷和自旋。

先看看這些粒子的自旋，就會發現，這些粒子的自旋無非就是0 ，1/2，和1(絕對值)，而這三個自旋值又可以分為整數和半整數兩大分類。

左邊這12種基本粒子也叫費米子，是遵守費米-狄拉克統計的粒子，說直白一點，費米子的共同特點就是它們的自旋都為半整數。它們的同一作用，就是負責形成物質結構。

而后邊這五種基本粒子的共同點就是自旋都為整數。

這些自旋為整數倍的粒子就是玻色子，他們遵守玻色－愛因斯坦統計。

在五種玻色子中，其中又有四種的自旋為1，這些自旋為1的玻色子又叫規范玻色子，當然還有一種尚未發現的引力子，其自旋為2，也屬于規范玻色子。

規范玻色子的作用就只有一個，它們不參與物質的構成，只負責費米子之間力的傳導。所以規范玻色子也叫傳播子。

這時候再看一下這幅圖，左邊這12種費米子負責構成物質，而右邊這四種玻色子負責力的傳遞。費米子和規范玻色子相互打配合，共同造就了物質運動現象。

在標準模型圖的最上面，是用希臘數字標注的一二三，這些表示一代，二代，三代。“代”指的是這些基本粒子的發現時間，最早發現的費米子就叫一代，依次類推。

你會發現，后一代的粒子除了質量會比前一代高很多，電荷和自旋都是一樣的。所以費米子的代差，只是質量上的差別。

而粒子的質量越大，越容易衰變，存在的時間也就越短。所以只有第一代費米子的質量最小，最穩定，存在時間最長，也最易發現。

而第二代和第三代費米子由于質量較大，所以從產生到衰變只是一瞬間的事，目前只能在加速器中找到，所以很難發現，找到它們的時間也就比較晚。

而下面這兩行費米子統稱為輕子，上面是電子家族，下面是中微子家族，最明顯的區別就是帶不帶電荷。帶電荷就是電子家族，不帶電荷就是中微子家族。

它們之所以叫輕子，并不是因為他們質量輕，而是因為它們都不參與強力。

而在標準模型圖的右上面只有一種粒子，也是最晚發現的，這就是希格斯粒子，它于2013年最終被確認，希格斯粒子的自旋為0，是目前唯一發現的標量玻色子。它的主要作用就是賦予其他基本粒子以質量。

希格斯玻色子會給wz玻色子，電子家族以及所有夸克賦予質量

而中微子質量來源目前還是另一朵烏云。

標準模型與大統一理論

如果我問你，你身體的質量來自哪里？

你可能有點懵，你下意識可能會回答到，我自身就有質量。

那你自身固有的質量又來自哪里？

當然，這就要從微觀層面入手，人體的質量來自于構成人體的所有原子的質量之和。

原子由核外電子和原子核構成。而原子核又由質子和中子構成，質子和中子的質量差不多是一樣的，但卻是電子質量的1836倍。所以原子質量的99.9%都來自原子核。

而原子核中的質子和中子又由夸克構成，而大部分人會認為質子或中子的質量來自內部夸克質量之和，其實這種看法是錯的。

以質子舉例，質子含有兩個上夸克和一個下夸克，而這三個夸克加一起能量只有9.4Mev，而質子總能量為938Mev,

所以夸克質量之和只占據質子質量的1%，其他99%的質量則來自于膠子產生強力的結合能。至于這種結合能產生的額外質量到底是怎么來的，文章接下來會講。

而對于夸克自身，它的質量則來自希格斯機制！

在我往期的視頻中，我經常說基本粒子本質上就是波，這條波可以延伸到宇宙各個角落，波上有個波包，波包在哪，我們就說粒子在哪。但是波包的概念也是比較傳統的說法。

按照量子場論的說法，波的概念被量子場取代。每一種基本粒子本質上都是自己的量子場，比如，光子場（電磁場），電子場，夸克場

粒子只是自身量子場的激發，電子場激發電子，光子場激發的光子，夸克場激發的夸克。

標準模型中所有的基本粒子都是自己對應的量子場，這種場彌漫整個宇宙，一般情況下，這些量子場處于基態，也就是能量最低狀態，由于能量的缺少，并不會激發出有質量的粒子。

但要注意，處于基態的量子場中會不斷產生正反虛粒子對，這些粒子對的能量是從真空中借的，很快就會湮滅，并將能量還給真空。這就是量子漲落，雖然每種量子場中不斷產生虛粒子對，但很快就會湮滅，最后量子場的真空期望能還是為0。

所以不要被量子場中的量子漲落迷惑了，量子漲落這種白嫖的能量并沒有什么卵用。

量子場要想在不白嫖的情況下，就能激發出粒子，就得獲取能量。

這種能量必須從非真空的外界攝入，也就是和其他量子場相互作用。

而大部分粒子會和希格斯場相互作用，也就是由希格斯場提供能量，比如夸克場與希格斯場作用后，會吸收能量，從而激發出夸克，但是要注意，這種吸收能量的數值是間隔的，并不是連續的，也就是說夸克場和希格斯場作用的時候，吸收的能量只能是激發整數個夸克所需的能量，假設一個夸克的能量為A，那夸克場吸收的能量只能是1A,2A,3A, 不可能存在0.5A,1.68A這種能量值。

因為量子場激發的粒子都是基本粒子，每一種基本粒子的能量都是一種基本單位，如果存在非整數的能量值，那么這種所謂的“基本粒子”就是一定還存在內部結構。

正是由于夸克場和希格斯場作用，所以才獲得了能量，而能量又等價于質量，所以夸克就擁有了質量。但是并不是所有基本粒子都會和希格斯場作用。比如光子場，膠子場就沒有和希格斯場相互作用，所以它們的沒有固有質量。

而關于希格斯機制為什么會賦予基本粒子質量，則暗示著大統一理論的線索。

剛才已經講過了，粒子只是各自量子場的激發，雖然量子場會產生量子漲落好像創造了能量，但是這是無效能量。

如果測量某個量子場所有可能出現的能量值，最后得出的真空期望值就為0，所以每一種量子場的期望值起初都為0，你可以直白理解成量子場起初的能量都為0，期望值為0就意味著，量子場要激發出有靜止質量的粒子，就需要和其他量子場作用獲取能量。

而如果所有量子場的期望值都為0，那量子場就無法從任何其他量子場中獲取能量。

就好像這61種基本粒子都是窮鬼，如果要想借錢花（激發有質量粒子），必須傍一個大款才行。這時候希格斯場就發揮這個大款的作用。

那為什么希格斯場就可以擁有能量？它的能量哪來的？

希格斯場自帶能量就要求希格斯場的期望不能為0。而量子場的真空期望值是否為0則取決于對稱性是否破缺。

在微觀世界，對稱性是很抽象的概念，而這東西本質上也無法用二維圖像呈現出來。比如強力的su3對稱性涉及8個維度，這根本就無法科普。

一般情況下，科普視頻中的對稱性都是找一些對稱性圖案比喻。

但要注意，這種科普絕對不是真實情況，比如生活中三原色合成白色也是一種對稱性。對稱性嚴格來說，就是物理屬性遵守一種還原和合成的一致性。

這種抽象概念無法具象呈現，所以視頻中的圖案比喻也是妥協后的無奈之舉。

所以接下來講到的對稱性，自己大概想想就是那么回事就行了，絕對不是動畫演繹的那樣，千萬不要對號入座。

對于基本粒子內在的對稱性而言，可以想象幾乎所有基本粒子都處于圖形中間，這是符合對稱性的。

而只有希格斯粒子會掉落到一旁，這就導致希格斯場的對稱性自發遭到破壞，類似于結構決定性質。對稱性的結構一旦遭到破壞，那么在性質上就導致希格斯場的期望值不為0，這就導致希格斯場擁有能量。所以其他量子場再和希格斯場作用的時候就會獲得能量，能量又等價于質量，從而激發出有質量的粒子。

而光子場由于沒和希格斯場作用，所以光子沒有獲得質量，那么光子場(電磁場)就不需要借助外部能量，就可以肆無忌憚的激發出光子，所以光子的激發成本為0。

講到這里，就剛好科普一下超導現象。

我們知道電子在線路運動會產生能量損耗。

這種損耗主要有兩種

第一種就是電阻，這個可以通過極低溫解決。

而另一種能量損耗就是電磁場會激發出光子，輻射部分能量。

對于第二種能量損耗來說，假設存在一種可以讓光子被類似希格斯場的機制賦予質量，那電磁場就不會肆無忌憚激發光子了，因為光子一旦擁有了靜質量，激發的門檻就存在了，在某些情況下，電磁場就不會向外輻射能量了。

而賦予光子質量的場就是庫珀玻色場，這也就是BCS超導理論研究的范疇了！

希格斯機制與大統一理論

現在我們知道，電磁力，弱力和強力都來自高度統一的對稱性。這種對稱性來自于規范場理論。

電磁力的傳播子只有一種，也就是光子，所以電磁力的U1對稱就像是一維的圓對稱。當然一維圓無法用動畫呈現，所以我們畫成二維的。

弱力的傳播子有三種玻色子，分別是正負w玻色子和z玻色子。(要注意±w玻色子是正反粒子對，而z玻色子反粒子是自身)。

所以弱力的SU2對稱就像是一個3維球體。

而強力的傳播子雖然只有膠子，但是膠子攜帶8種色荷（涉及混搭色荷，超綱了），所以就有8種膠子充當強力的傳播子，于是強力的SU3對稱性就像是一種8維球體。

而u1，su2，su3對稱的理論來源就是楊振寧和米爾斯于1954年提出的楊?米爾斯理論，這是一種基于SUn（n）群論的規范場論。

現在我們知道，除去引力，其他三種力在對稱性上高度統一。

但是這種對稱性要求傳播子的質量也必須為0，質量不為0就會打破這種對稱性。

而負責傳遞弱力的w和z玻色子卻具有質量。這就嚴重破壞了規范場論的對稱性。

在沒有發現希格斯機制之前，物理學家搞不懂w和z玻色子的質量到底是怎么來的。

而且弱力和電磁力表現形式完全不同。電磁力明顯是一種長程力。

而弱力的傳播范圍只有質子的千分之一，作用范圍連原子核都突破不了。

之所以會這樣，主要是因為傳遞弱力的傳播子具有靜止質量。

根據不確定性原理的推導，傳播子存在的時間△t符合這一公式

其中，h為普朗克常數，伽馬為洛倫茲因子，C為光速，M為傳播子的質量。代入w和z玻色子的靜止質量 ，就會發現他們存在的時間極短，結合他們的速度，就能算出，W和z波色子的作用范圍在10的負18次方米作用。這大概相當于一個質子長度的千分之一。

所以在當時，如果規范場論搞不清w和z玻色子的質量來源，電弱統一就難以完成。

如果想要繼續在規范場理論的框架下統一電弱力，則必須假定，W和z玻色子起初是不帶質量的，帶質量只是后天其他因素導致的。

所以尋找給W和Z玻色子賦予質量的額外機制就變成了當務之急。

直到1967年，希格斯機制被提出來三年之后，溫伯格，格拉肖以及阿卜杜勒首先應用希格斯機制來掃清了困擾弱電統一的過程中，w和z玻色子的質量問題，最終完成電弱理論。

電弱理論的成功，也是標準模型的一次重大勝利。

在標準模型中，我們已經知道電磁力和弱力本質上是同一種力，之所以表現形式完全不同，只是因為希格斯機制在作祟。

只有當希格斯機制失效的時候，w和z玻色子就無法獲得質量，所以弱力和電磁力必然在表現形式上都會完全一樣。這時弱力的傳播子也會變成光速，并且像電磁力一樣，在宇宙中無限傳遞。

而希格斯機制的本質，是由于對稱性自發破缺導致希格斯場的真空期望值不為0，從而獲得能量。如果想要希格斯機制失效，就得讓希格斯場的對稱性不破缺。

而希格斯場破不破缺完全取決于溫度，在宇宙誕生的早期，溫度極高，希格斯機制就無法破缺，這時候希格斯機制就會失效。所以在溫度極高的時候，弱力的傳播子就無法通過希格斯機制獲得質量。所以弱力和電磁力就完全是一樣的。

讓希格斯機制失效的臨界溫度，也就是讓弱力和電磁力統一的臨界溫度下的能量值為100GeV。

目前人類最強大的粒子對撞機完全可以制造出這一量級的能量，所以在粒子對撞機中，我們可以模擬出弱力和電磁力的合并。

如今電磁力和弱力已經統一，成為電弱理論，如果電弱理論再統一強力，那就晉升成了大統一理論。

所以接下來標準模型需要完成強力的統一。統一強力的思路和電弱力的統一過程是一樣的。

首先，強力的傳播子是膠子，靜止質量為0，以光速運動。這兩點和電磁力是一樣，唯一不同的是，強力的傳播子被鎖死到夸克之間了，無法脫離夸克。這就是夸克禁閉效應。并且夸克之間距離越遠，強力越強，距離越近，強力反而越弱，所以夸克之間距離越近反而變得越自由。這樣的現象就是漸近自由。

所以現在統一強力的唯一問題就是讓強力的傳播子突破夸克，變成和電磁力一樣的長程力。

我們知道構成質子和中子的一般是三個夸克，這三個夸克由膠子以光速運動的形式拉攏在一起，主要起色荷中和的作用。

每一個夸克帶不同的色荷，夸克的色荷可以理解成紅綠藍，夸克一共36種，其組合方式有很多，但不管怎么組合，必須保持色中和，就和三原色中和成白色一樣。色荷只是夸克的一種抽象概念，夸克沒有顏色，只是這種組合形式很類似三原色，所以才如此比喻。

夸克色荷中和有兩種形式，但不管如何都得保證是白色，比如三個夸克在一起，那這時候必須分別是紅，綠，藍 。如果兩個夸克組合在一起，那另一個必須是反色，也就是反物質。比如，紅夸克可以和反紅夸克中和，這樣也可以中和成白色。

除了夸克帶色荷，膠子也帶色荷，膠子的色荷也在夸克之間不斷傳遞，負責維持色荷平衡。

要注意，真實色荷平衡是動態過程，遠沒有我說的三原色那么簡單。大家了解一下，便于理解即可。

色荷的概念在研究夸克的運動現象時極為重要，所以研究夸克的理論也就被稱為量子色動力學。

膠子由于色荷平衡的需要就被困在夸克之間。而夸克無法單獨脫離出來，也可以理解成，脫離膠子的夸克就無法找到色中荷對象了，所以只能束縛在一起。

抱著大力出奇跡的理念。如果加大能量不斷撞擊夸克，還就不信把膠子撞不出來。

事實上，還真就可以撞出來，但是撞開夸克的能量必須達到剛好可以變成新的夸克才行。所以撞擊的結果就是，夸克撞開了，但是這些能量瞬間就會形成正-反夸克對，這兩個夸克的顏色就是正-反色組合，膠子又在新的正-反夸克對中傳遞強力。

這種新形成的正反夸克對就是介子。

這時候你可能會問，正反夸克在一起難道不會湮滅嗎？

其實一般情況下，正反物質在一起肯定會湮滅。

但是介子中的正反夸克不會湮滅，這主要是就涉及手性對稱性，就和左右手對稱一樣。

假設正夸克手性是左手性，那么反夸克就是右手性。如果手性對稱成立，那么正反夸克就會湮滅。而一旦手性遭到破壞，正反夸克就不會湮滅，而膠子由于色中荷需要，就會將正反夸克拉攏在一起，這就在夸克之間產生了結合能。

其實夸克手性對稱破缺不僅存在于正反夸克對 構成的介子中，還存在質子和中子中，這種手性自發對稱性破缺就在夸克之間產生了結合能，這種結合能也構成了質子和中子質量的99%

所以在由明物質構成的宇宙中，由希格斯機制對稱性破缺創造的質量之只占據總質量的1%。而剩下99%的質量則由手性破缺引起。

事實上，膠子無法脫離夸克，色中和只是表象原因，本質原因是手性破缺創造的結合能束縛住了膠子。

根據標準模型的預測，手性對稱性破缺不破缺依舊取決于溫度。

目前的預測認為，如果能量在10∧15Gev以上，那么手性對稱性就不會被破壞，那么夸克之間就不會被膠子拉攏住，夸克禁閉和漸進自由就會失效，膠子就會以光速的形式沖出原子，這樣一來，強力就變成長程力了，當然能達到這樣的溫度，原子也就不存在了。

而要完成這樣的實驗，所需的能量是目前最強粒子對撞機機的1000億倍。

如果沒有其他實驗方式驗證大統一理論，這實驗幾乎無法完成。

而對于引力來說，先找到引力子再說吧。假設找到引力子了，如果要想驗證電磁力，弱力，強力和引力的統一性，那需要的能量得達到10∧19Gev，這一能量也就是普朗克能量。

其實，建造可以達到普朗克能量的對撞機也不難，只需將加速器的直徑做到1000億光年即可。

如果，標準模型沒有問題的話，這樣一來，就直接可以完成萬有理論了！

事實上，四種作用力的統一主要是尋找他們的內在一致性。

而這種一致性貌似都取決于能量，能量越高，四種作用力越趨近相同。

直到達到能量的極限，所有基本粒子以及所有作用力都趨于同一事物。

從這個層面來看，大爆炸理論還是比較可靠的。

宇宙爆炸之初，溫度最高，萬物歸一。

隨著溫度的降低，各種對稱性開始自發破缺，才導致基本粒子出現差異，并且分化出不同的作用力。

所以按照大爆炸理論的反向推理，人類完成萬有理論還是十分有希望的。

但這依舊只是猜想，自然規律神奇的是，用過往的理論預測未來，往往會發現更多的未知項，最后的結果反而事與愿違。

最后還是那句話，已知圈越大，未知圈就更大。