來(lái)源頭條作者:中科院中國(guó)科普博覽在上文《真空里有什么——一部粒子物理發(fā)展史（上）》，我們用“真空顯微鏡”看到了原子，又打破原子看到了電子、質(zhì)子和中子，以及質(zhì)子和中子相互轉(zhuǎn)化過(guò)程中出現(xiàn)的中微子。那把這些粒子剔除，剩下的是不是我們想要的“真空”呢？

今天，讓我們?cè)俅文闷鹫婵诊@微鏡，繼續(xù)探索真空里的奧秘。

第三階段：正電子和夸克上次我們?cè)谖恼轮羞z留了一個(gè)問(wèn)題：“正電子”是什么？

讓我們把目光放回到1927年，這是量子力學(xué)發(fā)展史上重要的一年。這年狄拉克提出了狄拉克方程，它的具體內(nèi)容是啥我們暫時(shí)不需要了解，我們只要知道它是量子力學(xué)里一套非常完備的方程，讓量子力學(xué)更好地兼容了相對(duì)論。

但是狄拉克方程有一個(gè)問(wèn)題，就是它在求電子能量的時(shí)候，遇到了開根號(hào)的情況。我們知道開根號(hào)能得出兩個(gè)解：一正一負(fù)。一般情況下能量怎么會(huì)有負(fù)值呢？我們會(huì)很自然地把那個(gè)負(fù)值舍掉。但是大佬之所以成為大佬，就在于他能看到一般人忽略的東西。狄拉克想：這些有負(fù)能量的電子該如何解釋呢？負(fù)能量有啥物理意義呢？

按照量子力學(xué)，原子軌道都是分離的、不連續(xù)的，最里層的軌道能量最低，最外層的軌道能量最高。電子一個(gè)個(gè)地分布在這些軌道上，并且它們還要滿足泡利不相容原理（電子不能肆無(wú)忌憚地選軌道，每個(gè)軌道上最多容納兩個(gè)電子還得自旋不同）。

在此基礎(chǔ)上，狄拉克展開了想象：會(huì)不會(huì)能級(jí)的能量可以一直低到負(fù)能級(jí)去呢？這些負(fù)能級(jí)看不見，而且根據(jù)泡利不相容原理，這些負(fù)能級(jí)都被負(fù)質(zhì)量的電子填滿了，所以正能級(jí)上的電子都不能跌到負(fù)能級(jí)上，這些裝滿電子的負(fù)能級(jí)就被叫做“狄拉克海”。狄拉克海在哪呢？就在我們苦苦尋覓的真空里。

狄拉克海（圖片來(lái)源：作者自制）

填滿真空又無(wú)處不在，不知道讀者們看著有沒有一絲熟悉的感覺，沒錯(cuò)，這不就是以太嘛！

話說(shuō)回來(lái)，當(dāng)?shù)依撕Ｖ械呢?fù)能級(jí)上的負(fù)質(zhì)量電子吸收能量后，它會(huì)躍遷到正能級(jí)上，并在原來(lái)的真空中留下一個(gè)坑，這個(gè)坑是真實(shí)的粒子，它雖然有電子的質(zhì)量但卻帶正電，所以狄拉克叫它正電子。

雖然狄拉克海的理論在后來(lái)的量子場(chǎng)論中被拋棄了，但是狄拉克預(yù)言的正電子是真實(shí)的，并在1932年被安德森發(fā)現(xiàn)。

首張觀測(cè)到正電子存在的云室照片，由安德森所攝。云室的上下兩部分由一片6毫米厚的鉛片分開，可以肯定該正電子是從下方進(jìn)入。

（圖片來(lái)源：https://zh.wikipedia.org/wiki/）

正電子是人類發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)反粒子，它的發(fā)現(xiàn)也開啟了一條尋找粒子的全新道路——尋找反粒子，之后人們又找到了反質(zhì)子、反中子、反中微子等等。這里需要解釋一下什么是反物質(zhì)。人們可能很容易接受反電子和反質(zhì)子，認(rèn)為只要電荷相反，其他性質(zhì)相同就是反粒子了。

但事實(shí)并不是這樣，粒子的性質(zhì)我們知道有大小、質(zhì)量、壽命等等，在量子力學(xué)里，我們用量子數(shù)來(lái)描述粒子的某些性質(zhì)比如讀者熟悉的自旋、電荷，而像這樣的量子數(shù)還有很多，像奇異數(shù)、重子數(shù)等。

反物質(zhì)粒子是指質(zhì)量、壽命、自旋都與正常粒子相同，但是所有內(nèi)部相加性量子數(shù)比如電荷、重子數(shù)、奇異數(shù)等是大小相同方向相反的。

20世紀(jì)隨著大型對(duì)撞機(jī)的高速發(fā)展，人們又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了200多種大小不一、性質(zhì)各異的粒子，還用了一個(gè)相對(duì)“草率”的分類方法：把質(zhì)量介于質(zhì)子和電子之間的粒子叫介子，人們發(fā)現(xiàn)的介子有π介子、K介子等等；質(zhì)量大于質(zhì)子的叫超子，有λ超子、ξ超子等，20世紀(jì)后期人們發(fā)現(xiàn)的粒子大部分都是超子。

這些介子超子被統(tǒng)稱為奇異粒子。這些奇異粒子的壽命大都非常短，平均壽命大約是10^(-5)秒，遠(yuǎn)不如質(zhì)子、中子、電子哥仨，所以我們生活中很難遇到它們。

看著粒子種類越來(lái)越多，都快要超過(guò)元素的種類了。我們不禁會(huì)問(wèn)：難道就真的沒有那么幾種最基礎(chǔ)的粒子構(gòu)成了所有粒子嗎？其實(shí)物理學(xué)家對(duì)這件事也是非常執(zhí)著的，很多人提出過(guò)不同的所謂標(biāo)準(zhǔn)粒子模型，例如1949年費(fèi)米和楊振寧提出過(guò)費(fèi)米-楊模型，認(rèn)為只有中子、質(zhì)子和它們的反粒子才是基本粒子，后來(lái)被證實(shí)失敗了。

到了1964年，蓋爾曼根據(jù)群論分析提出了一種夸克模型，夸克模型認(rèn)為那些參與強(qiáng)相互作用的粒子（簡(jiǎn)稱強(qiáng)子），它們都是由更基礎(chǔ)的粒子——夸克和它們對(duì)應(yīng)的反夸克組成的。

這里得解釋一下強(qiáng)相互作用。原子核由中子和質(zhì)子組成，而原子核的體積只占原子體積的幾千億分之一，也就是說(shuō)一堆質(zhì)子和中子擠在一個(gè)很小的區(qū)域里。更要命的是質(zhì)子都帶正電，所以它們會(huì)相互排斥，僅憑萬(wàn)有引力是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠抵消這種排斥作用的，那么肯定有一種更強(qiáng)的相互作用把它們?nèi)υ谝黄穑@種作用被假設(shè)為強(qiáng)相互作用。

由兩個(gè)上夸克和一個(gè)下夸克構(gòu)成的質(zhì)子 （圖片來(lái)源：維基百科）

最初蓋爾曼提出了三種夸克：上夸克、下夸克、奇異夸克，后來(lái)人們又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了另外三種夸克：粲夸克、底夸克、頂夸克。根據(jù)量子色動(dòng)力學(xué)，這六味夸克還有三種“顏色”：紅綠藍(lán)，反夸克也具有反顏色。當(dāng)然這個(gè)顏色并不是真正的顏色，只是代表一種量子數(shù)而已。

經(jīng)過(guò)多年的理論和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，目前這個(gè)夸克模型還是很靠譜的，而且大部分奇異粒子都是強(qiáng)子，所以夸克模型在建立基本粒子模型上幫了大忙。

在得知夸克模型之后，讀者們是不是已經(jīng)急著要總結(jié)所有基本粒子，結(jié)束這次真空尋找工作了？但是在這之前還有一件事我們不得不考慮一下。

第四階段：看不見摸不著的“場(chǎng)”在上面的粒子探索之旅中，我們從電子講到夸克，基本已經(jīng)涵蓋了構(gòu)成已知“物質(zhì)”的所有原材料。但還有一個(gè)很重要的問(wèn)題：這些粒子是如何組合在一起的，它們之間有什么相互作用力？

這時(shí)候可能有人就要問(wèn)了，力又不是物質(zhì)，不管什么力都不會(huì)影響我們對(duì)真空的理解吧？其實(shí)不然，在物理學(xué)中粒子之間的力牽扯到了一種奇特的物質(zhì)，它與元素和原子都很不同，看不見摸不著，但卻是確實(shí)存在的，那就是場(chǎng)。

讀者可能聽過(guò)這樣一個(gè)故事：老和尚分別給三個(gè)徒弟十文錢，叫他們各自買一樣?xùn)|西把禪房填滿。大徒弟買了一堆木頭，二徒弟買了一堆稻草，雙雙失敗；三徒弟買了一根蠟燭，光輝瞬間照亮了房間。不知道三徒弟佛法學(xué)得怎樣，但物理一定是不錯(cuò)的，因?yàn)樗粌H知道光是一種電磁場(chǎng)的波動(dòng)，還知道場(chǎng)是一種物質(zhì)。

場(chǎng)的思想最初是拉普拉斯為了解釋萬(wàn)有引力所提出的，但是它真正大放異彩還是在電磁學(xué)之中。17世紀(jì)20年代，奧斯特和法拉第等人相繼發(fā)現(xiàn)通電導(dǎo)線可以對(duì)磁針施加力，磁鐵也能對(duì)通電導(dǎo)線施加力的現(xiàn)象。雖然鐵證如山，但是就像當(dāng)年的萬(wàn)有引力一樣，人們很難接受兩個(gè)物體不接觸就能發(fā)生力的作用。

于是法拉第提出了他大膽的設(shè)想，既然人們不能接受沒有物質(zhì)接觸，那我假設(shè)有一種物質(zhì)作為媒介不就好了嗎？于是他借鑒了拉普拉斯的想法，將這種媒介命名為“場(chǎng)”。通電導(dǎo)體沒有對(duì)磁針施加作用力，而是它周圍的電場(chǎng)對(duì)磁針施加了力，磁鐵周圍有類似的磁場(chǎng)。

電磁場(chǎng)的成功對(duì)物理學(xué)的影響是不可估量的，從此以后，“場(chǎng)”在人們解釋相互作用的過(guò)程中頻頻出現(xiàn)。

在對(duì)物質(zhì)相互作用的研究過(guò)程中，人們先后提出了四種基本相互作用力，分別是：萬(wàn)有引力、電磁力、弱相互作用力、強(qiáng)相互作用力。萬(wàn)有引力和電磁力我們都比較熟悉，這里解釋一下弱力和強(qiáng)力。

還記得我們前面提到的β衰變理論吧，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)弱力就是控制質(zhì)子中子發(fā)生衰變的力，而強(qiáng)力是前面講到的原子核中質(zhì)子和中子之間的吸引力。

人們認(rèn)為這四種基本相互作用力足以描述物質(zhì)間的一切現(xiàn)象，而就像我們前面提到的那樣，沒有接觸的相互作用很難為人所接受，所以關(guān)于這四種相互作用的研究都離不開場(chǎng)的影子。

那么場(chǎng)是怎樣傳遞相互作用的？這就要用到一些量子力學(xué)的知識(shí)了。量子力學(xué)里有一個(gè)重要思想就是把原來(lái)連續(xù)的東西量子化，也就是把原來(lái)連續(xù)的東西看成不連續(xù)的，連續(xù)的波動(dòng)也可以看作是一個(gè)個(gè)的粒子。

舉個(gè)例子，光是電磁場(chǎng)的波動(dòng)，但是它也能看成是由一個(gè)個(gè)的光子組成的。很多人會(huì)疑惑那光到底是波還是粒子呢？答案是它既是波也是粒子。

光量子 光量子 （圖片來(lái)源：作者自制）

剛剛接觸這種東西確實(shí)很難接受，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)波粒二象性就像是看事物的兩個(gè)角度，從一個(gè)角度看是波，另一個(gè)角度看是粒子。理論最重要的還是能解釋客觀現(xiàn)象，量子力學(xué)通過(guò)波粒二象性可以解釋很多微觀現(xiàn)象。

舉個(gè)例子，赫茲在發(fā)現(xiàn)電磁波的同時(shí)還發(fā)現(xiàn)了一個(gè)現(xiàn)象，就是光照射到金屬表面會(huì)激發(fā)表面射出電子，而且能不能射出電子只跟光的頻率有關(guān)，無(wú)論你的光強(qiáng)有多大，只要頻率不對(duì)都不能激發(fā)出電子，這個(gè)現(xiàn)象就叫做光電效應(yīng)。

光電效應(yīng) （圖片來(lái)源：維基百科）

麥克斯韋的電磁理論對(duì)光電效應(yīng)束手無(wú)策，1905年，愛因斯坦提出了光量子的假設(shè)，他把光看成是一個(gè)個(gè)的粒子，單個(gè)粒子的能量只和光的頻率有關(guān)，光電效應(yīng)就簡(jiǎn)化成了光子和電子的彈性碰撞問(wèn)題。值得一提的是，愛因斯坦憑借這個(gè)發(fā)現(xiàn)獲得了1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，而非廣為人知的相對(duì)論。

光是電磁波，既然它能和電子發(fā)生“碰撞”，那電子之間是不是也能通過(guò)這種“碰撞”來(lái)傳遞相互作用呢？還真是。

20世紀(jì)中葉，施溫格、費(fèi)曼、朝永振一郎分別建立了電子與電磁場(chǎng)相互作用的量子場(chǎng)論，簡(jiǎn)稱QED理論。在QED理論當(dāng)中，兩個(gè)電子之間就是通過(guò)相互發(fā)射虛光子來(lái)發(fā)生相互作用的。

這個(gè)虛光子在傳遞過(guò)程中還會(huì)發(fā)生“真空極化”現(xiàn)象，就是光子會(huì)變成一對(duì)虛正負(fù)電子，然后這對(duì)虛正負(fù)電子又湮滅成一個(gè)虛光子。之所以這里的光子和正負(fù)電子是虛的，就是因?yàn)樗鼈兇嬖诘臅r(shí)間太短了。

電子相互作用 （圖片來(lái)源：作者自制）

其他的三種相互作用力也有類似的量子場(chǎng)論，傳遞強(qiáng)作用力的是夸克之間的膠子，傳遞萬(wàn)有引力的是引力子，傳遞弱力的是W+-粒子和Z0粒子。除了引力子之外，其他的“傳遞粒子”都已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)了。

這時(shí)候在真空顯微鏡后的我們頭都要大了，不但又新出現(xiàn)了一堆粒子，更要命的是它們還是在不斷成對(duì)生成和消失的虛粒子！好在物理學(xué)家永遠(yuǎn)喜歡化繁為簡(jiǎn)，他們一直致力于統(tǒng)一這四種基本作用力，目前弱相互作用力和電磁力的統(tǒng)一理論已經(jīng)得到了驗(yàn)證，強(qiáng)力的統(tǒng)一也有幾種理論誕生，萬(wàn)有引力是最難統(tǒng)一的那個(gè)。

有人曾經(jīng)問(wèn)預(yù)言Z粒子的溫伯格為啥要叫它Z粒子，溫伯格說(shuō)他希望這是人類發(fā)現(xiàn)的最后一個(gè)粒子，看來(lái)物理學(xué)家也受夠了這種不斷修改理論的狀態(tài)了。但是我們的工作還是沒有完成，一種傳說(shuō)中的上帝粒子——希格斯玻色子在后面等待著我們。

第五階段：“上帝粒子”——希格斯玻色子所謂的玻色子和費(fèi)米子是量子力學(xué)中對(duì)粒子的一種分類辦法，自旋為整數(shù)的粒子叫做玻色子，自旋為半整數(shù)的粒子叫做費(fèi)米子。一般傳遞相互作用的粒子像光子、膠子等都屬于玻色子，而夸克和電子都屬于費(fèi)米子。

按照量子場(chǎng)論，不管是強(qiáng)力弱力，這些場(chǎng)都具有某種規(guī)范對(duì)稱性，即規(guī)范場(chǎng)。根據(jù)波粒二象性，場(chǎng)就是粒子，粒子就是場(chǎng)，這些場(chǎng)對(duì)應(yīng)的玻色子都是規(guī)范玻色子，而規(guī)范玻色子是不能有質(zhì)量的。

為啥不能有質(zhì)量？以電磁場(chǎng)為例，如果傳遞電磁力的光子有質(zhì)量，那么電磁場(chǎng)的規(guī)范對(duì)稱性會(huì)被打破，電荷就不能守恒。

但是人們發(fā)現(xiàn)傳遞弱力的W+-粒子和Z0粒子都是有質(zhì)量的，因此物理學(xué)家又一次大開腦洞：如果這個(gè)粒子本身沒有質(zhì)量，而是什么別的東西給了它質(zhì)量，那規(guī)范對(duì)稱性不就依然成立了嗎？

1961年美籍日裔理論物理學(xué)家南部陽(yáng)一郎提出了“真空對(duì)稱自發(fā)破缺”的概念，他認(rèn)為玻色子本身沒有質(zhì)量，滿足了對(duì)稱性，但是在真空中，有一種場(chǎng)賦予了粒子質(zhì)量，打破了對(duì)稱性，而且這個(gè)過(guò)程還是自發(fā)的沒有人為干預(yù)，所以叫做真空對(duì)稱自發(fā)破缺。

在這個(gè)基礎(chǔ)上，1964年英國(guó)物理學(xué)家希格斯等人發(fā)現(xiàn)，如果真空中一個(gè)假想的標(biāo)量場(chǎng)（沒有方向的場(chǎng)）與傳遞相互作用的那個(gè)規(guī)范場(chǎng)耦合，那么真空中發(fā)生的自發(fā)性對(duì)稱破缺可以使玻色子獲得質(zhì)量。而且在這個(gè)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一種有質(zhì)量的粒子，即“希格斯玻色子”，能夠賦予玻色子質(zhì)量的那個(gè)標(biāo)量場(chǎng)就是希格斯場(chǎng)。

這里我要引用一個(gè)很著名的比喻，希格斯玻色子就像是一群接機(jī)的粉絲，作者就像光子，當(dāng)作者下飛機(jī)的時(shí)候他們對(duì)我毫無(wú)作用，于是作者沒有質(zhì)量。而大明星是Z0粒子，當(dāng)TA下飛機(jī)的時(shí)候，他們都沖上去要簽名，大明星受到了阻礙有了質(zhì)量。

可以說(shuō)正是真空當(dāng)中充滿的希格斯粒子或希格斯場(chǎng)，給予了除光子膠子之外的基本粒子以質(zhì)量。由于質(zhì)量是粒子的基本屬性，所以人們又把“希格斯玻色子”稱為“上帝粒子”，認(rèn)為它型塑了萬(wàn)物。

2013年歐洲核子研究組織CERN宣布發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子，人們得以一睹上帝粒子的真容。

粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型 （圖片來(lái)源：維基百科）

至此，人類所謂的標(biāo)準(zhǔn)粒子模型基本上已經(jīng)建立完成了。其中包括包括輕子（電子類）12種、夸克類（6味×3色×正反粒子）36種、傳遞強(qiáng)力的膠子8種、傳遞電磁力的光子1種、傳遞弱力的W+-、Z粒子3種、賦予粒子質(zhì)量的希格斯粒子1種，總共61種。

可以說(shuō)就是這61種粒子再加上還沒被發(fā)現(xiàn)的引力子構(gòu)成了物理世界的所有現(xiàn)象。

這時(shí)候我們的真空尋找工作變得簡(jiǎn)單明了起來(lái)，只要“真空顯微鏡”能夠通過(guò)某種方式繞過(guò)量子漲落（就是我們前面說(shuō)的粒子不停生成和消失的現(xiàn)象），然后把這61種粒子和未發(fā)現(xiàn)的引力子剔除出來(lái)，那顯微鏡下就是目前人類所知的真空了！

之所以說(shuō)真空還是“目前所知”，就是因?yàn)檎婵者@個(gè)概念總是依賴于人類已知的物質(zhì)存在。老子云“有無(wú)相生”，當(dāng)我們說(shuō)出這是真空，真正的意思僅僅是這片區(qū)域沒有目前人類已知的物質(zhì)。

結(jié)語(yǔ)對(duì)真空的認(rèn)識(shí)幾乎伴隨了整個(gè)人類物理學(xué)的發(fā)展過(guò)程，期間無(wú)數(shù)的理論物理學(xué)家提出的大膽設(shè)想令人拍案叫絕。為了驗(yàn)證理論，還有很多實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家也在尋找粒子的過(guò)程中迸發(fā)出了驚人的創(chuàng)造力和毅力。

由于篇幅問(wèn)題，文章中很多事件都沒有細(xì)談，簡(jiǎn)單一句“人類發(fā)現(xiàn)了中微子”，背后卻是戴維斯在地下1500米的實(shí)驗(yàn)室里30年的探測(cè)，在這里也向這些先行者致敬。

開爾文勛爵曾認(rèn)為物理學(xué)有兩朵烏云：一是黑體輻射，二是消失的以太。揭開這兩朵烏云，量子力學(xué)和相對(duì)論橫空出世，大大提升了人類對(duì)真空的認(rèn)知。

21世紀(jì)李政道先生提出過(guò)現(xiàn)代物理的兩大疑云：一是缺失的對(duì)稱性，二是看不見的夸克。李政道認(rèn)為這兩個(gè)問(wèn)題的答案還蘊(yùn)藏在真空的性質(zhì)之中，可能未來(lái)物理學(xué)家能從真空中再次薅出什么大開腦洞的東西，幫我們更好地理解這個(gè)神秘的宇宙。

參考文獻(xiàn)：

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.真空不空[J].物理,2018,47(09):549-556.

出品：科普中國(guó)

制作：張俊達(dá)

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