走进科学
标准模型简史：关于几乎所有事物的理论
我们对构成现实的粒子和力量惊人的画面，需要数十年的发明和实验才能拼凑而成。
仔细看，我们所知道的宇宙中几乎所有事物都可以归结为少数几种基本粒子。这些实体构成了粒子物理标准模型这一科学杰作中的单个线索，它是我们目前对物质及其运作的最佳画面。
它的根源可追溯到20世纪早期的量子革命，经典的、符合常理的一切都是可预测的观点在那里遭到无情的推翻。相比之下，标准模型的发展与革命毫无关联。相反，它的发展更像是一种新的秩序的逐步形成，由数十位物理学家在数十年时间里一块块构建而成。
许多人预期这个新秩序注定要失败。但它并没有。事实上，标准模型在我们对它的每一次测试中幸存下来，包括试图创造它未预言的新粒子或发现新力量的尝试(见“我们终于可能发现标准模型之外的新物理的六种方法”)。那么，20世纪的物理学家们到底是如何想出这样一个牢不可破的框架的呢?这就是我们迄今为止设计的最成功理论的故事。
20世纪20年代，生活还很简单。据所知，唯一的基本粒子是组成光的光子;位于原子核心的质子;以及围绕原子核运转的电子。这是一个简单的画面，但也是一个令人不安的不变画面。
根据在那十年间出现的量子物理学，粒子本质上是无法被创造或毁灭的。然而，例如，当你打开手电筒时，手电筒里的电子看似会制造并喷射出光子。数学家保罗·狄拉克意识到，光的潜能无处不在，以某种基本场的形式存在。这个场是如此之弱以至于看不见，但给予适当的能量——如果与电子相互作用，比如说——它就会产生峰值或激发，我们将其观测为光子。
狄拉克称这个理论为量子电动力学(QED)。这是第一个量子场论——在这个理论中，根本性的实体不是粒子，而是无形的场。这样的理论后来成为粒子物理的主要工具;标准模型本身也仅仅是一个更复杂的理论。尽管它们非常成功，但这些理论难以接受。当一个场没有被激发成适当的粒子时，它令人沮丧地无法观察——一种物理学家称之为“虚粒子”的几乎不存在的背景噪音。
在狄拉克的QED提出几年内，其他理论家已经将场的概念扩展到电子和质子。这使物理学家恩里科·费米能够解释为什么放射性物质可以在原子核实际上不包含任何电子的情况下发射电子。子原子物质不变的画面已不复存在。在理论物理学家沃尔夫冈·泡利的工作基础上，费米展示，只要同时产生轻盈的中性粒子中微子，电子就可以被创造。《自然》杂志拒绝发表费米的这篇论文，称“它包含的猜想过于遥远，无法引起读者的兴趣”。然而，20世纪50年代实验发现的中微子，只是物理学家不得不面对的许多奇怪新粒子中的一个。
新基本粒子
首个补充来自1932年英国实验物理学家詹姆斯·查德威克，一个中性粒子，质量接近质子。在大西洋对岸，一位名叫卡尔·安德森的年轻美国物理学家在电子电离的照片中发现了一些倒退的轨迹。这被证明是狄拉克预言的:第一种反物质粒子的例子。
在这一点上，粒子物理世界仍然基本合乎情理。存在原子，由质子、中子和电子组成;存在光，或光子;以及正电子，或反物质。但在1936年，安德森与合作伙伴塞思·内德迈耶合作，发现了一个无人预料到的东西:一个名为μ子的看似更重的电子版本。
尽管如此，这个意外的μ子还不是理论物理学家最担心的。几年前，一个性格直爽的物理学家J. 罗伯特·奥本海默发现了QED中的一个相当大的问题。他意识到电子可以以无限多的方式发射和重新吸收虚光子——这意味着它的能量应该是无限的，这说不通。很快，这种无穷就到处出现了。奥本海默说，这个理论“糟糕透了”。随后爆发的二战也没能帮上忙。
二战结束后，三种约束无穷的方法出现了: 两种在美国，由朱利安·施温格和理查德·费曼提出;一种在日本，由朝永振一郎构思。最后，数学家弗里曼·戴森意识到它们都等同于同一件事。“它像爆炸一样进入我的意识，”他后来回忆道。
戴森的奇异方法称为重整化。它的做法是忽略电子能量中大部分无法在实验中测量的那一部分。只计算可以测量的部分，总能量就不再是无限的了。这是一个荒谬得简单的想法，但当时行之有效。
力的审视
到20世纪50年代，除QED核心的电磁力外，自然界的其他两种力也越来越受到审视:弱力，它推动费米的放射性衰变和中微子;以及强力，它使质子和中子结合成原子核。对这些力来说，重整化就行不通了。
这次，关键的洞见来自温和的中国理论物理学家杨振宁，他已经移居到美国。他一直在思考粒子交互作用中的对称性，这是一种在某种变换下某些值保持不变的特性(见“上下颠倒，前后倒置”)。例如，当光子与电子相互作用时，方程式天然地在不需要电子电荷改变的情况下达到平衡。从这个意义上说，光子存在的理由是为了保守电子电荷。我们称此为电荷对称性。
杨与合作伙伴罗伯特·米尔斯提出，为了保守其他粒子质量，必须存在类似光子的传力粒子。问题是，他无法做出任何明确的预测——这令泡利大为光火，在杨的报告期间纠缠他，以至于后者默默坐下，紧张不安。主持研讨会的奥本海默出面为他辩护，宣称“我们应该让杨继续”。这是个正确的决定。通过展示QED(可重整理论)中的对称性概念在原则上如何应用于其他地方，杨为一类新的理论奠定了基础，这些理论构成了标准模型的支柱。
在20世纪60年代，史蒂文·温伯格与其他物理学家谢尔登·格拉肖和阿卜杜勒·萨拉姆共同创建了一个包含QED和弱力的可重整场论。它预言三个新的粒子W+、W- 和Z玻色子会固定中微子的某些特质。这些是我们所说的弱力的载体。
与此同时，包括默里·盖尔曼在内的物理学家正在制定一种新的关于约束质子和中子组成原子核的强力的理论。这种称为量子色动力学的理论表明，质子和中子是由一种称为夸克的更小实体组成的，夸克的特质由更多称为胶子的新粒子固定，胶子是强力的载体。
到这时，随着粒子对撞机成为发现的标准工具，被发现的粒子列表正在迅速增长。其中大多数是复合体，由不同组合的夸克组成。尽管质子和中子中的夸克是“上”或“下”味，但需要更多味道来解释其他复合体的多样性。
物理学家最终确定存在三代六种夸克。第一代有上夸克和下夸克，以及电子和与电子相关的中微子。第二和第三代粒子看似是第一代的逐渐复制。
至今，没有人知道，就基本粒子而言，自然为何如此奢侈。费米说:“如果我能记住所有这些粒子的名字，我本该当个植物学家。”还有一个完成这个套装的，那就是希格斯玻色子，它固定所有其他粒子的质量。早在1964年就由理论物理学家彼得·希格斯等人提出，但直到20世纪70年代初才被认真对待。发现它又花了40年时间，在2012年找到。“有时候猜对一件事还是很不错的，”希格斯在它被发现后说。
随着理论上的希格斯被接受入组，温伯格在1973年的演讲中提出了这个统治物理世界最基本方面的实体集合的命名:粒子物理标准模型。各区域的研究修补成一个完整的所有基本粒子的描述，直到今天，这从未被任何实验数据推翻过。“我们现在拥有的理论是一件完整的艺术品，”格拉肖在几年后写道，“拼凑的被子已经变成了挂毯。”
标准模型是何时发明的?
标准模型的产生没有一个确定的时刻，所以其周年纪念日有争议。2018年一个庆祝标准模型诞生50周年的会议将起源定在物理学家史蒂文·温伯格1967年的论文《轻子模型》。“标准模型”这个术语于1975年在文献中首次被顺带提及，说明它已经在使用了。
温伯格说他第一次使用这个术语是在1973年在法国艾克斯普罗旺斯的一次演讲中。但即使是他对其起源也表示怀疑。他在2010年说:“我想是我给它起的这个名字，我从来都不太确定这一点。”
上下颠倒，前后倒置
标准模型的指导原则是一个数学家埃米·诺特 1918年证明的: 每个对称性都暗示一个守恒定律。例如时间物理对称性暗示能量守恒，空间对称性暗示动量守恒。
这对早期粒子物理学家(见正文)极为重要，他们发现了大量新的对称性。从这些对称性中，他们推断出暗示某些相互作用是可能的的守恒定律。例如，电子和中微子的行为对称性导致电磁力和弱核力统一为电弱理论。
将对称性发展得更远，我们得到“超对称性”，这是标准模型的一个扩展，它说每个粒子都有一个更重的超伴侣。到目前为止，没有证据支持这一点。
本文译自 New Scientist，由 BALI 编辑发布。