量子世界：一个制造真实的粒子的简明指南

用我们的亚原子王国的清单来掌握我们知道的我们的最深层的真实，从像夸克和希格斯玻色子一样的已知粒子到假设包括第五力和 11 维中的弦

新科学家 By Jon Cartwright

5 April 2023

Physics

Ben Tolman

古希腊人推测了它可能是空气、火或水。一个世纪前，物理学家感觉了确保它是原子。今天，我们相信真实的最深层是一群被各种各样的基本粒子角色的群，都被子理论规制。从这个看不见的、无穷小的领域，我们看到和体验的一切浮现。这是一个充满奇迹的世界，但以它的诡异性能是秘密的。或者至少它能往往感觉那样的。

您将在下面发现一个对已知粒子和力从电子、夸克和中微子到光子和希格斯玻色子以及量子法则和赋予量子物理学它的奇怪性名声现象的简洁、清晰的指南，包括波粒二象性、纠缠和不确定性原理。您还将发现假设的可以有意义的诸如暗物质和暗能量宇宙学难题的粒子，以及可能潜伏在量子王国之下的更奇怪的东西。最后，您将有许多你的问题回答了，不管如何最少不是一个一切的理论？

物质

我们从我们确保相当更多知道的开始。可见物质由原子组成，在原子的中心是质子和中子。但甚至这些不是基本粒子，正如被当前粒子物理学的“标准模型”详述的那样，我们的在最微小尺度上真实的领先描述。因此，我们从物质真的构成的深处开始。

环绕一个原子核的电子。Cokada/Getty Images

电子

称约比质子或中子更轻约1800倍，电子对原子的总质量几乎不添加。然而，没有电子，毕竟我们几乎会不能来感觉物质。这是因为电子有一个负电荷并在一个围绕原子核的“轨道”或云中存在。当你触摸某物时，你的指尖的原子并没有直接针对一个物体中的原子对接起来。相反，你正在感受到的是经由电磁力你的手指中围绕原子核的负电子和那些这个物体中的负电子之间的相互排斥。(see “Photons: Electromagnetism”).

 电子也在日常生活的几乎所有其他方面起主导角色。总的来说，当原子与固体、液体和气体结合时，它是通过电子的转移或共享来平衡电荷并使东西稳定的。从光合作用到燃烧，从分解到涉及我们的味觉和嗅觉中的细微反应的所有化学反应都同样的归结为电子重新安排。它们也是电的载体：它们的在晶体管中的精细操作控制电流的，是使计算机和许多其他现代技术成为可能的。

夸克（上和下）

詹姆斯·乔伊斯（James Joyce）的著名的难以解密的小说《芬尼根觉醒》（Finnegans Wake）中一个角色质问“三个夸克给马斯特马克！”。乔伊斯显然的打算了“夸克”来意味一只乌鸦的叫声。然而，对物理学家默里·盖尔曼（Murray Gell-Mann），这个术语是合适的奇怪的来描述他在1960年代成功的预测的基本粒子，这些粒子结合来构成质子和中子。

在这里，夸克以两种类型上和下而来，但不要字面上才难这些标签。差异在于上夸克有一个为+？的分数电荷（即电子的电荷的一小部分）而不是下夸克的？，并且是更小质量的。中子包含两个下夸克和一个上夸克，质子，两个上夸克和一个下夸克，都与另一种基本粒子胶子粘在一起，(see “Gluons: The strong force”).做这些数学计算，你会看到这就是为什么质子比中子略更轻一点并且有一个总体正电荷的。正是这一点将负电子绑进围绕原子核的轨道中。

中微子

在粒子物理学的标准模型中，电子和中微子被归类为轻子，这个词源自希腊语 “小”。虽然电子的质量相对于质子、中子和夸克的质量是小的，但与中微子的质量相比它是一头野兽，据信中微子更少一百万倍。更重要的是，中微子是电中性的因此不注意电磁力是最细微的物质粒子，疾驰穿过物体几乎彻底的不可探测的。你注意到在阅读这篇文章时太阳中经由核聚变产生的数十亿个中微子正在穿过你的眼球的征途上？我们也注意不到。

尽管如此，中微子确实与物质非常偶尔的经由弱力相互作用。(see “W & Z bosons: The weak force” ) 这被涉及在各种类型的核衰变中。但我们并不总是看到我们在这些事件中期望的。这是因为量子法则允许中微子在不同的风味之间振荡：“电子中微子”能转化成“μ介子中微子”或“τ介子中微子”。以这种方式，中微子是探究物质以粒子物理学家指为三代而来的奇怪事实的窗口。

其它夸克和轻子

对于四种原始的或“第一代”基本物质粒子中的每一个，物理学家也已经发现了不是一个而是两个重复，仅与原始粒子以它们的更大质量不同。对上夸克，更重的重复是魅夸克和顶夸克，对下夸克，有奇夸克和底夸克，对电子，我们有μ介子和τ介子，对电子中微子，μ介子中微子和τ介子中微子。

诺贝尔物理学奖获得者伊西多尔·拉比（Isidor Rabi）当1936年发现了μ介子时问道“谁订了那些？”。物理学家没有丧失他的怀疑。这些第二代和第三代粒子中的一些真的是重的，顶夸克甚至使强大的希格斯玻色子相形见绌，但就我们所知，它们在所有其他方面都与它们的祖先是同一的。没有人知道它们为什么存在。事实上，它们毕竟在宇宙中似乎没有一个非常活跃的角色。

我们能说的是它们使东西变得更复杂。例如，共有六种不同的夸克，已知自然来许可150多种复合粒子，除了熟悉的质子和中子外。我们已经发现了许多二夸克和三夸克复合物，现在正在发现四夸克和五夸克复合物。所有这些可能听起来都不过是集邮。但希望是在产生这些复合粒子的事件的速率中的小变化将解释为什么自然似乎更喜欢物质而不是反物质。(see “Where has all the antimatter gone?”).

波粒二象性

双缝实验是在科学史上最优雅的之中。它涉及发射一个单粒子电子的流，就说在两个一起靠近的狭窄狭缝处。狭缝后面的一个测量装置记录一个明暗条纹的图案，宛如穿过不同狭缝的电子像波一样与彼此衍射和干扰一样行为，就像在静止的湖面上掉落两块石头一样水涟漪。即便电子被一次发射一个这种模式浮现，提示一个单个电子能一下子穿过两个狭缝，像某种扩散出去的波一样。

这不是最奇怪的部分。将探测器放在狭缝处来计算出每个电子穿过哪个狭缝，你会发现它现在选择一个或另一个而干涉图案消失。当你检查时电子似乎像一个粒子一样来行为，但另外是一个波。

超位

往往说粒子能一下子在两个地方，但这并不相当正确。真正发生的是一个量子物体存在于一个超位状态中，一种其中一个粒子同时的处于所有可能的位置的情况，就说直到它被测量为止。在那个点上，一个叫波函数编码测量的所有可能结果的数学实体崩溃。突然的，粒子有我们会描述为真实的明确属性。(see "Who or what collapses the wave function?").

然后更准确地说粒子似乎同时处在两个地方中，区别是重要的。一个超位是一种来使我们观察到的有意义的数学方法，例如粒子也像波一样行为。我们不观测超位本身。它们是否是真实的取决于你认为数学是本身真实还是只是一个我们用来描述它的工具。

问题：真实是由粒子还是场组成的？

我们谈论粒子，这是说在空间中占据点（或多或少）的东西，但粒子只是在支撑的量子场中的高能尖峰或“激发”。就说一个光子作为电磁的载体，是一个支撑的电磁场的激发。

这些场渗透到整个宇宙中，这意味着有到处有某些所谓的虚拟粒子的残余光子性，它们短暂的出现，然后消失甚至当周围没有足够的能量来展示一个粒子合适时。

然后场通常被考虑为更基本的。没有它们数学只是不起作用。但一个场的有矛盾的量子性质意味着它不能被直接的观测到：任何观察都需要一定剂量的能量，效果上迫使场来露出它的手并产生一个粒子。出于这个原因，粒子谈话似乎是不可避免的。粒子是我们看到的。

力

物质靠它自己将是无比的无聊：力使宇宙滴答。但我们的现代力的理解一点都不像经典概念一团东西把它自己施加在另一块东西上。相反，我们知道有四种基本力，它们本身由恒定的被物质发射和吸收的粒子组成。

微弱的核力保持太阳照耀。NASA/Goddard Space Flight Center

光子：电磁学

电子是一种日常物理学的物质粒子，与电磁力的载体光子合作工作。当两个电子相互排斥时，它们因为随其中一个发射一个光子另一个吸收光子以相反的方向反冲。原子电子的排列赋予物质它们的颜色，但正是被一个物质的光子的吸收和再发射将它的颜色输送到我们眼睛的视网膜。光子还通过投入能量或带走能量使电子在化学反应中的重排成为可能。

有时，我们将这些光子视为可见光，例如在一个燃烧反应中产生的火焰。更往往我们不的。一个火焰还以热（红外辐射）的形式产生光子。这些是看不见的，因为它们的能量太低，我们的眼睛不能检测到它。能量甚至更低的光子构成无线电波，而非常高能量的光子构成同样不可见但危险的紫外线、X射线和伽马辐射。

胶子：强力

将质子和中子内的夸克把持在一起的强核力被胶子交付，猜测它的名字从何而来没奖的。胶子通过某些对夸克是唯一的东西操作，一种与我们所知的颜色无关的称为颜色的一种特殊的量子属性。夸克和胶子以三种颜色而来，红色、绿色和蓝色，它们混合来制造白色。在一个相互作用中，一个胶子能改变一个夸克的颜色，但如果它做，另一个胶子将改变一个相邻夸克的颜色，以便白色仍然是它们的整体混合物。例如，一个质子的三个夸克可能在某一时刻是红色、蓝色和绿色，在另一时刻，它们可能是绿色、蓝色和红色。没有人说粒子物理学是简单的。

胶子有如此强大一个抓力以至于夸克永远不会被孤立观测到。这也意味着胶子蕴藏大量的能量，经由爱因斯坦的质量能等价转化为许多的质量。事实上，原子的绝大部分质量不是来自夸克和电子，而是来自胶子。

W&Z玻色子：弱力

规制某些类型放射性衰变的弱核力的载体是友好的巨人。与光子和胶子不同，它们是无质量并以光速旅行的，W和Z玻色子是慢的，可以甚至使天平对铁原子倾斜。然而，与光子和胶子相比，W和Z玻色子对其他粒子的影响要更弱数千亿倍。这是因为按量子物理学，质量不等同于强度而是达到，或者宁可缺乏强度：弱力有一个小于千万亿分之一毫米（10^-15毫米）的范围。

尽管如此，它们仍能有强大的后果。在太阳中氢聚变成氦中，氢质子中的一个上夸克变成一个下夸克，将该质子转化成一个中子是一个必要的步骤，因为与氢不同，氦需要中子和质子。为了使这发生，前质子的正电荷必须随一个W+粒子的发射被带走。以这种方式，谦逊的W玻色子保持太阳照耀并使地球上的生命以及你成为可能。

希格斯玻色子

质量并不是一个容易的概念。我们倾向于将它等同于重量，但这真的是引力吸引的一个量度，尽管重量和质量这两个术语往往互换的使用。质量的一个合适定义相关到惯性，以一个物体当一个给定力被施加时多抵抗加速度的意义。一辆自行车有一定的惯性质量，一列 50 节车厢的货运列车远更如此。

以理论家彼得·希格斯（Peter Higgs）的名字命名，他是预测了它的存在的人之一，希格斯场是赋予粒子惯性质量的。既非力也非物质，希格斯场在空间的所有点都有一个有限的强度的量子场中都是独一无二的，甚至在一个真空中，当没有足够的能量来表现它的粒子时希格斯玻色子是存在的。物质粒子以及弱相互作用的W和Z玻色子在不同程度上被希格斯场有效的陷住，从而获得惯性质量。否则，它们将是无质量的并且像光子和胶子一样以光速移动。

骑自行车的人等待货运列车通过。Cultura Creative Ltd/Alamy

许多问题围绕着希格斯粒子。它能与它自己相互作用来获得它自己的质量吗？是只有一种希格斯粒子还是有更多的，也许构成暗物质的希格斯粒子即阻止星系飞散开的神秘物质？然而，也许最大的秘密涉及希格斯玻色子质量的测量值和支撑场的强度。在125千兆电子伏特下，它是高的相当于100多个质子的质量或一个中等大小的分子的质量，但似乎被精确调整来使生命成为可能。如果它只是质量再大几倍，原子核就会不平衡，氢将是唯一稳定的元素，宇宙将非常平淡。

更糟糕的是，按照理论计算，希格斯场并不一定处于它的最有利的状态。在任何时候，它都可能滑入一个更稳定的配置不仅仅是几个，而是数十亿倍更强的，立即的将我们有序的宇宙变成混沌。这将是一个纯粹的随机事件，基于一种叫量子力学隧穿的现象，其中一个粒子能克服一个看似不可逾越的能量障碍。幸运的是这样一个事件被预计每10^100年左右才会发生一次。

奇怪的行为和量子法则

纠缠

如果您和您的朋友在几天内收到了一系列骰子并且您每天在同一时间掷骰子，您不会期望结果与彼此共相关的。结果将是不相关的。然而，如果你能用成对纠缠的电子重复这一点那正是会发生的。每次你收到一个自旋向上的电子时，自旋是一种类似于角动量的量子属性，你的朋友会发现他们的电子是自旋向下的，反之亦然。这是因为当两个这样的粒子以某种方式带在一起然后分开时，测量一个粒子似乎瞬间的来影响另一个的测量结果，即使这对粒子没有可以沟通的方式。

爱因斯坦轻蔑地叫之为“在距离上的一个幽灵行动”，因为信息不能超过光速旅行。但纠缠另外称为非局域性已经自此在无数的实验中被证明。它不仅已经改变了物理学家怎样思考现实，而且还形成了各种量子技术的基础，从密码学和信息隔空传送到量子计算。

排除原则

大多数人可能认为他们知道物质是什么。事实上，一个常识性的定义是不明显的。拿一个苹果。它的大部分物质由夸克组成，但没有人从来见过、感觉到或品尝过一个夸克。你对苹果的任何感觉都以某种方式涉及你和苹果之间，这是一个最轻的基本物质粒子（即电子）和无质量力载体（即光子）的不可思议的复杂交换。

物质和力被不可分的联系。即便如此，一个特征确实区分物质：它占用空间。由于一个描述物质粒子的数学中基本的不对称性，没有两个能进入相同的量子态。这种现象被称为不相容原理，防止围绕原子核的电子在同一轨道上重叠，这反过来又防止原子坍塌并诞生物体的体积。

问题：所有的反物质都去哪儿了？

我们所知的几乎每个粒子都有一个分身或反粒子。它们与标准对应物有一个相同的质量，并且也落在一个引力场中。不同的是，它们有相反的电荷，哦，而且周围有消失少的它们。反物质被我们在粒子碰撞中产生的，但可见宇宙绝大多数是由物质组成的，而不是它的对立面。没有人知道为什么。

如果它们是简单的对立面，物质和反物质就会在大爆炸中已经被等量产生，并在不久之后相互湮灭。然而，自然似乎更喜欢物质。

大多数物理学家相信对此的解释是物理法则并不是完美的对称。也许一个轻微的不对称意味着正常物质总是占上风。实验已经检测到一定程度的这种“对称性违反” 的量，但还不足以解释物质主导地位的全部程度。

未发现的粒子

已知粒子的列表大约有 30 个，取决于您怎样计数它们。但是现在我们必须进入未知的已被提出来解决我们还不完全理解的东西的假设粒子的丛林，从引力和大爆炸到暗物质和暗能量的神秘存在。

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哈勃太空望远镜拍摄的螺旋星系NGC 1961。NASA, ESA, J. Dalcanton, R. Foley

引力子

引力本身不是问题：它是第四种基本力，也是唯一一种已经获得家喻户晓地位的力。但它的力载体引力子仍然是假设的。这部分是因为没有人确定引力能被量化。(see “Quantisation”)部分原因是即使可以，它的量子粒子也会是难以置信难被探测到。

这是因为引力是如此难忍受的弱。地球产生一个引力场足够强大来保持我们的脚大部分时间都留在地面上，但即使是孩子每次他们跳跃时能暂时摆脱它的拉力。这个场将必须强得多来表现一个单一的引力子。有多强？好吧，物理学家已经设想将一个有木星质量的引力子探测器放在围绕中子星的轨道上，这是臭名昭著的密，因此，可能除了黑洞之外最大的单一引力的来源。他们预测了探测器每10年可以记录一个引力子。如果探测器是100%有效的。也许。

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膨胀子

    我们观测到的宇宙出奇地均匀。在最宏大的尺度上，一片天空看起来很像另一片天空：恒星和星系的一种连续模式几乎就像它们从大爆炸膨胀期间平衡了它们自己一样。但按照爱因斯坦的狭义相对论，这是不可能的，因为它会需要信息以超过光速的速度旅行。

也许我们看到的宇宙只是一个原始超级宇宙的一个在短时间内膨胀的比一般膨胀远快得多。就像从一幅数字图像中炸起一个单个像素一样，我们的宇宙充满了一个相对平淡和无特征的空间。在这个想法中，这种宇宙膨胀被一种叫膨胀子的粒子驱动，该粒子有一些与希格斯玻色子相同的特征。事实上，一些理论家认为希格斯粒子可能是膨胀子，尽管它将在早期宇宙中的行为必须非常不同的行为。

实质

自“稳态”理论以来，我们已经走了很长一段路，该理论一直流行到20世纪中叶，该理论坚持空间本质上是不变的。所有的观测提示从前有过一次大爆炸，自此以来那个空间一直在扩张。许多物理学家相信早期有一个叫宇宙膨胀的特别快的扩张。现在，似乎那个空间的扩张正在再次加速，尽管比早期宇宙中更慢，由于某种仅被知道为暗能量的神秘实体。

在那里暗能量有一个是最神秘的东西的强宣称。没有人知道它是什么，物理学家正挣扎来精密的弄清楚它怎样行为，鉴于它的影响发生在数十亿年的时间里。不过，有一些候选。一是除了四种已知的基本力外，有一个第五种力或“实质”。相关粒子没有一个名称。我们确实知道的是实质必然比引力更弱，如此看我们将从来怎样探测到它的一个粒子是困难的。

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暗物质在局部宇宙中分布的模拟。Copyright: Max Planck Institute。Max Planck Institute

弱相互作用大质量粒子

人、行星、恒星：这些只是这个宇宙的物质的一个微小部分。事实上，比我们能看到的一定有至少五倍更多的物质，否则星系将不会产生足够的引力来阻止它们自己飞散。额外的物质被称为暗物质，但到底它是什么？

暗物质是不可见的，在它不吸收或反射光的意义上。然而，我们能推断出一些关于它的属性的东西。它只微弱的与可见物质相互作用，否则我们会已经检测到它。它可能的由高达希格斯粒子10倍的大质量粒子组成，，否则它会在今天的宇宙中很容易被创造并使东西不稳定的。弱相互作用大质量粒子（WIMPs）似乎滴答所有这些盒子。这些长期以来一直是最受欢迎的暗物质候选，但尽管奇特的戏弄暗示，但它们从未被发现。

轴子

也许暗物质毕竟不是由物质粒子组成的，而是由力载体。如果是这样，这些粒子可能如此微弱的相互作用以至于与弱相互作用大质量粒子不同无论它们的质量它们在今天的宇宙中形成一个稳定的群体。基于这些标准，博彩公司最喜欢的是轴子。轴子以品牌洗涤剂命名，最初被引入来“清理”一个不同的问题：当基本理论允许野生区分时为什么强力以精确相同的方式影响夸克和反夸克。轴子场将以强力这么增强平衡，就像在天平上的一个手指一样。如果这种粒子也能解决暗物质，一切更好。

净化中微子

可以说暗物质最简单的候选是不做任何事但提升星系和其他大型结构的引力的东西。不像它的已知的对应物电子、μ介子和τ介子中微子一样，净化中微子对弱力将是不偏袒的或“净化的”。它将仅经由引力相互作用，又安静的坚定的保持星系原封不动。然后净化中微子的一个优势可能容易的是暗物质，也许可以解决其他一些问题。它们的场可以与已知的中微子混合，解释为什么这些有一个非常小但有限的质量。因为净化中微子会衰变来产生比反物质更多的物质，它们可以解释为什么我们的宇宙被物质统治。(see “Where has all the antimatter gone?”).

暗光子

如果黑暗宇宙和我们的自己的一样复杂会怎样呢？会有黑暗恒星吗？黑暗行星？黑暗文明？对任何的这个没有证据，但仍然诱人的来认为暗物质不仅仅是一些空闲的斑点。也许，就像可见物质一样，它至少有一种能叫它自己的自然力。进入暗力和它的载体：黑暗光子。这将使暗物质粒子在一个封闭的团体中彼此相互作用。如果它存在，一个暗光子的后果是诱人的，鉴于对其正常光子是负责的令人难以置信的现象多样性。例如，它可以将暗物质粒子结合成原子，或者形成一个暗化学的基础。

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量子法则

Shutterstock/rawf8

规制亚原子王国的规则和原则的选择

量子化

1900年，物理学家马克斯·普朗克（Max Planck）正试来使规制灯泡的能量输出的数学有意义。他采纳了一个不是连续的发射能量的踢悬空球，一个以包或“量子”释放它的辐射体。不久之后，阿尔伯特·爱因斯坦提出所有的光都是由不可分割的粒子一样的量子组成，这变成了著名的光子。在跟着的过程中，物理学家们相处了一切来自离散的包：能量、动量当然还有粒子本身的想法。可能的例外是引力的力，但今天的大多数物理学家怀疑甚至这个将最终证明是可量化的并写在量子物理法则中。(see "Gravitons").

随机性

或迟或早大多数粒子衰变。真的，正是通过分析它们衰变成什么新的粒子被发现。但粒子不会像一个树桩或潜伏在你的冰箱后面的那块奶酪那样逐渐的衰变。例如，一个自由中子可能是1分钟或100岁老，并且仍然有衰变成一个质子，电子和中微子的相同可能性。真实的，一个中子的平均寿命是15分钟，但在任何一刻，一个中子衰变的机会与其它任何中子精确的相同，无论它们的年龄。如果什么时候它发生，它是突然的和不可预测的。

爱因斯坦对这种随机性没有兴趣，著名的坚持上帝不会与宇宙玩骰子。然而，一次又一次的实验已经表明了量子过程不是确定性的，而是内在的随机的。

不确定性原理

量子世界不通过常识性规则玩。毕竟，在适当的情况下，一个粒子能很容易地像一个波一样行为。但甚至一个粒子本身的概念在精查下变得模糊。试图来定位一个粒子和突然它的动量正在移动穿过空间变得模糊不清。另一方面，试图来记录粒子的动量，你会失去它实际上在的地方的任何意义。这是由维尔纳·海森堡（Werner Heisenberg）在1920年代中期识别的量子不确定性原理。

来认为这种不确定性只是我们的测量设备不完美的人工制品那将是再保证的。然而，更既成的观点是属性本身是模糊的概念。在这种情况下，我们天真地指为一个粒子的东西是一种嵌合体，而真正“存那里”的东西是某些超出我们的地点和运动、空间和时间的共同概念的东西。

问题：谁或什么坍塌波函数？

量子物理学的最令人吃惊的特征之一是需要来定义一个粒子的属性的缺乏性：基本上你需要的只是它的质量、电荷和角动量或“自旋”。知道了这些，就有可能求解一个数学方程并最终得到一个从字面上描述完整的粒子的术语，一切能可能的被知道关于它的。这是波函数，它告诉你粒子在一个任何特定时刻以某种方式行为的概率。它被紧密联系到波粒二象性和超位现象：留给它自己的装置，一个粒子在一个可能状态的平静的、波一样范围内存在，但一旦被观测，它的波函数 “坍塌”，粒子采用一个特定的状态，占据一个时间中的局部位置。

但是谁或什么实际上被需要来观测这个来发生呢？一个探测器会做还是需要一个人来监视它？量子物理学家被他们无能力来说确定说出作祟，并已经提出了无数的解释。也许人类的意识是必要的。或者波函数坍塌毕竟不会发生，而只出现也许所有可能的状态仍然存在于分叉的平行宇宙中，即量子理论的所谓多世界解释。没有容易的答案。

真实的更深层次

至少有四种基本力，但为什么是四种？事实上，物理学家希望它们原来是一个单一的、统一的力的方面，一组描述宇宙中一切的行为的通用方程。成功取决于调和20世纪最伟大的两种物理理论：量子理论和爱因斯坦的引力理论。是冒险进入最深的未知得的时候了。

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日内瓦附近大型强子对撞机上的CMS探测器。Shutterstock/D-VISIONS

X玻色子和轻夸克

电磁力和弱力的结合提供了从中我们预测希格斯玻色子的存在的理论基础（参见“What is a theory of everything?”），因此，它遵循结合强力也将带来新的粒子。这种“大统一理论”的可能性之一是被强力规制的夸克能转化为电子、中微子和其他被电磁力和弱力规制的轻子。这种转换不得不被新的载力粒子介导，称为X玻色子和轻夸克。

超粒子

在粒子物理学术语中，物质和力的不同之处仅在于物质粒子占用空间，而力粒子不占。(see “The exclusion principle”).然而，几十年来，物理学家们一直娱乐一种更深层的使物质和力成为同一枚硬币的两面的“超对称”理论。它坚持一切已知的物质粒子都有一个相应的、更重的力粒子，反之亦然，由一个“s”前缀或一个“ino”后缀指定。例如，一个夸克的力伙伴是一个重“超夸克（s夸克）”，而一个胶子的物质伙伴是一个重的“胶微子（gluino）”，依此类推。

长期以来，超对称性一直被引用为一个潜在的大统一理论。它还提供一种来解释为什么希格斯玻色子比理论预测远更轻否则意味着额外的重粒子平衡这些方程的简洁的方式。问题是世界上最大的粒子粉碎机，日内瓦附近欧洲核子研究中心的大型强子对撞机没有发现超对称性的证据。

磁单极子

    每个磁铁都有两个极：北极和南极。当你思考它时这是奇怪的。电气端子也经常成正负对而来，但有可能通过将电子集中在一个点或将它们带走来单独创建一个单个负极或正电极。磁被相关到电， 它们都被电磁规制。因此为什么我们不能生产磁单极子呢？

物理学家保罗·狄拉克（Paul Dirac）是最早提出磁单极子可能存在的人之一，在1930年代早期。直到几十年后，物理学家以任何信念重新访问它们，被数学提示如果我们将所有四种自然力都纳入一个单一的一切的理论中它们就必须存在驱动。我们还没有发现它们。

弦

一个一切的理论最著名的竞争者弦理论说自然的最基本的东西不是点一样粒子而是振动的弦。所有这些弦都都由相同的东西组成，但其中弦振动的模式决定它表现为哪种粒子。就像能表达不同音调的音乐弦一样，一个粒子弦能“听起来”像一个夸克、一个电子、一个光子或当前标准模型中的任何其他粒子一样。它甚至能像最难以捉摸的力载体引力子一样振动(see “Gravitons”)。问题是弦需要在 11 个维度中振动。

倡导者说，这并不像听起来那么奇幻的，因为额外的维度可能如此被紧紧蜷在弦周围，以至于超出我们来探测的能力。尽管如此，弦理论近年来已经受到了打击，因为它对超对称性及其众多后代起一个大师理论的作用，但没有一个已经被发现。

圈

另一种被称为圈量子引力的理论的出发点是第四种力能永远不被像其他三种力一样对待。从某种意义上说它更根本。因此，该理论纯粹集中在通过提出空时本身有某些类似一个原子结构的东西来调和量子物理学和引力。特别的，它说空时以有限的循环而来，它们扣在一起来创造一个为真实在叫一个自旋泡沫上演出的新舞台。圈量子引力距离纳入所有我们知道和在粒子物理学的标准模型中描述的还有很长的路要走，而它在做出可测试的预测上不比弦理论更好。

扭曲者

追溯回到1960 年代，扭曲者理论在一切的理论中非常退居下风。诺贝尔奖获得者罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）的心血结晶说空时及它的力表现引力更不用说其他场和粒子只是构成因果链的更深真实的光泽。尽管这个链本身永远不能被打破，但他之内的事件的明显位置和时间是可变的，以便它们的完整描述是某些宽泛和被扭曲的东西：扭曲者。

如果这听起来令人困惑，您是好伙伴。扭曲者理论是如此概念上困难以至于甚至彭罗斯在采访中也回避解释它。但尽管它几十年来一直不受欢迎，但近年它已经体验了复兴，理论家发现与弦理论的有趣联系。

问题：什么是一个一切的理论？

来认为基本力中的差异只是表面的有好的理由。在很长一段时间里，电和磁被考虑为是分开的力，直到物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）在1860年代证明了它们实际上是一个单一现象的两个方面：电磁学。然后，从1950年代开始，电磁力和弱力成了被视为一种单一现象，尽管仅在大爆炸后十亿分之一秒的自然中发现的能量上被统一。出自这种“电弱”力的数学弹出希格斯玻色子。

计算提示在甚至更大的能量下，那些甚至更接近大爆炸存在的更大能量，电弱力和强力的强度是同一的。这就是为什么理论家也怀疑这些能被作为一个单一的力结合，被一个大统一理论描述。其中大多数搅拌出所谓的超对称粒子(see "Sparticles").

关于引力的呢？第四种力在量子理论中是更难来拥抱的，因为它被与在其上粒子去关于它们的业务的非常舞台空时绑在了一起。出于这个原因，包括引力在内的“一切的理论”通常摆出粒子是更基本的和更弯曲思维的实体例如弦或环的外表，。

Jon Cartwright is a science journalist based in Bristol, UK

https://www.newscientist.com/article/2367423-the-quantum-world-a-concise-guide-to-the-particles-that-make-reality/