粒子物理标准模型公式（粒子物理标准模型公式是什么）

大家好！今天让创意岭的小编来大家介绍下关于粒子物理标准模型公式的问题，以下是小编对此问题的归纳整理，让我们一起来看看吧。

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本文目录:

• 1、粒子物理学的理论模型中有多少个基本粒子？

• 2、粒子物理标准模型有多少粒子？

• 3、光是如何达到光速的？

• 4、统一场理论有公式吗？

一、粒子物理学的理论模型中有多少个基本粒子？

标准模型中62种基本粒子：（严格说未包括引力子共61种）

规范粒子13种：

传递强相互作用的媒介——胶子8种

传递弱相互作用的媒介——中间玻色子W+W-Z0

传递电磁作用的媒介——光子

传递万有引力的假想粒子——引力子

特殊粒子1种：

为了实现电弱相互作用在低于250Gev的能量范围内分解为电磁相互作用和弱相互作用的特殊粒子——希格斯 粒子。

夸克36种：

六味：上夸克，下夸克；粲夸克，奇异夸克；底夸克，顶夸克

三色：红 绿 蓝

夸克有六味，每味三色，再加上各自对应的反粒子，总共36种不同状态的夸克。

轻子12种：

电子e μ子 τ子 以及各自的中微子共六种，它们的反粒子六种

合计：13+1+36+12=62种

二、粒子物理标准模型有多少粒子？

粒子物理标准模型 基本粒子一共有62个

粒子物理学中，基本粒子（英语：elementary particle）是组成物质最基本的单位。目前在标准模型理论的架构下，已知的基本粒子可以分为费米子（包含夸克和轻子）以及玻色子（包含规范玻色子和希格斯粒子,也称传播子）。由两个或更多基本粒子所组成的则称作复合粒子(如中子、质子、和介子)。

我们日常生活中的物质由原子所组成。过去原子被认为是基本粒子，原子这个词来自古希腊语中“不可切分的”。之后，原子核被发现是由质子和中子所构成。20世纪前、中期的基本粒子是指质子、中子、电子、光子和各种介子，这是当时人类所能探测的最小粒子。随著实验和量子场论的进展，发现质子、中子、介子是由更基本的夸克和胶子所组成。同时人类也陆续发现了性质和电子类似的一系列轻子，还有性质和光子、胶子类似的一系列规范玻色子。这些都是现代的物理学所理解的基本粒子。

基本粒子(次原子粒子),分类如下:

费米子

基本费米子分为 2 类：夸克和轻子。

夸克

目前的实验显示共存在6种夸克，和他们各自的反粒子。这6种夸克又可分为3“代”。他们是

第一代：u（上夸克） d（下夸克）

第二代：s（奇异夸克） c（粲夸克）

第三代：b（底夸克） t（顶夸克）

它们的质量关系(见上图)。另外值得指出的是，他们之所以未能被早期的科学家发现，原因是夸克决不会单独存在（顶夸克例外，但是顶夸克太重了而衰变又太快，早期的实验无法制造）。他们总是成对地构成介子(见下图)，或者3个一起构成质子和中子这一类的重子(见下图)。这种现象称为夸克禁闭理论。这就是为什么早期科学家误以为介子和重子是基本粒子。

轻子

共存在6种轻子和他们各自的反粒子。其中3种是电子和与它性质相似的重电子。而这三种各有一个相伴的中微子。他们也可以分为三代：

第一代：（电子） （电中微子）

第二代：（μ子）（μ中微子）

第三代：（涛子） （τ中微子）

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玻色子

玻色子是依随玻色-爱因斯坦统计，自旋为整数的粒子。

规范玻色子

这是一类在粒子之间起媒介作用、传递相互作用的粒子。之所以它们称为“规范玻色子”，是因为它们与基本粒子的理论杨-米尔斯规范场理论有很密切的关系。

自然界一共存在四种相互作用，因此也可以把规范玻色子分成四类。

引力相互作用：引力子(尚惟理论性）

电磁相互作用：光子

弱相互作用（使粒子衰变的相互作用）：W及Z玻色子，共有3种：W+,W-,Z0

强相互作用（夸克之间的相互作用）：胶子

粒子物理学已经证明电磁相互作用和弱相互作用来源于宇宙早期能量极高时的同一种相互作用，称为“弱电相互作用”。有很多粒子物理学家猜想在更早期宇宙更高能量（普朗克尺度）时很可能这四种相互作用全都是统一的，这种理论称为"万有理论"。但是目前因为加速器能够达到的能量相对普朗克尺度仍然非常的低，所以很难验证。而大统一理论目前主要的发展方向是超弦理论。

                                                           普朗克尺度粒子

胶子

胶子是强相互作用的媒介子，带有色与反色并由于色紧闭而从未被探测器观察到过。不过，像单个的夸克一样，它们产生强子喷注。在高能态环境下电子与正电子的对灭有时产生三个喷注：一个夸克，一个反夸克和一个胶子是最先证明胶子存在的证据。

希格斯玻色子

希格斯玻色子是一种具有质量的玻色子，没有自旋，不带电荷，非常不稳定，在生成后会立刻衰变。在标准模型预言的61种基本粒子中，希格斯玻色子是最后一种被实验证实的粒子。

图中＋－号代表不可分割的最小正负电磁信息单位-量子比特（qubit）

（名物理学家约翰.惠勒John Wheeler曾有句名言:万物源图于比特 It from bit

量子信息研究兴盛后,此概念升华为，万物源于量子比特）

注：位元即比特

三、光是如何达到光速的？

如果要问宇宙中有什么是绝对的？

那么在众多的答案当中，“光速在真空的传播速度是物质、信息、能量的最快传播速度”很可能是最佳的答案。那么问题来了，光速为什么是物质、信息、能量传递的最快速度？光的动力来自于哪里？为什么光可以直接达到光速呢？

相对论

要了解这个问题，我们首先要从相对论说起。话说在1905年，爱因斯坦提出了著名的狭义相对论。在这个理论中，爱因斯坦破天荒地以“光速不变原理”和“相对性原理”作为基础构建起了一座全新的物理学大厦。而通过光速不变原理，我们可以推导出物质、信息、能量的极限速度是光速。

爱因斯坦的这个理论刚提出时，并没有引起很大的反响，只有学术圈里的几个人感觉爱因斯坦是水平不错的科学家，但是他们并不认同爱因斯坦的理论，其中最具代表性的人物就是量子力学的奠基人： 普朗克 。

这些科学家之所以无法接受爱因斯坦的理论，是因为这个理论实在是太颠覆三观了。不过，随着后来各种实验对相对论的验证，使得相对论越来越被科学界所接受，爱因斯坦也逐渐开始名声大噪，直至被公认为20世纪最伟大的科学家。

可是爱因斯坦的相对论只是告诉我们，光速是信息、物质、能量传递的最快速度，但却没有告诉我们为什么会是这样，这好像是冥冥之中注定的一样的，就好像是宇宙中最底层的属性。那后来科学家们搞明白这个问题了吗？

量子力学

如今流传着一句话“遇事不决，量子力学”。虽然这句话多少有点嘲讽的意味，但是量子力学本质上就是一种解释自然现象的思维方式。为什么这么说呢？

我们都知道，科学起源于2000多年前的古希腊。古希腊哲学家在思考“万物的本原”时，就提出了两条路径，一条路径是研究万物之所以成为万物的原因和规律，后来这条路径被称为形而上学；另一条路径是研究构成万物的最小单位，从微观的角度来解决这个问题，这条路径也被称为 自然哲学 ，后来演化成了如今的科学。由于科学的叫法是在19世纪初才有的，而牛顿生活在17，18世纪，因此，他的著作才会叫做《自然哲学的数学原理》。

而量子力学走的就是后一条路径，从微观的角度来解释万物运转的规律。光速这件事就可以用量子力学的角度来解释，那具体是如何解释的呢？

这就需要我们对微观世界有一定的了解。20世纪中期，科学家利用对撞机撬开了微观世界的大门，获取到了许多微观世界的物理学现象。结果他们大吃一惊，因为他们发现了好多的粒子，如何给这些粒子分类就成了当时科学家极其头疼的问题。

最终，科学家结合量子力学和狭义相对论，弄出了一套粒子物理标准模型。在这套理论中，构成万物的是 基本粒子 ，基本粒子分为两类，一类是 费米子 （费米子又分为夸克和轻子），一类是 玻色子 。

费米子可以粗暴地理解成为把物质切到最碎时的“颗粒”，无法再继续切下去了，它们的存在使得物质都具有一定的体积；而玻色子则是把这些“颗粒”连接起来的基本粒子，它们依靠的是传递相互作用，起到了胶水的作用。我们举个例子，就拿人体中所需要的氧气来说。

首先，3个夸克（一种费米子）通过胶子（一种玻色子）传递的强相互作用结合形成了质子和中子。

而质子和中子通过介质（也就是一种玻色子）传递的核力结合形成了原子核，而原子核和电子（也是一种费米子）通过虚光子（一种玻色子）传递的电磁相互作用结合形成了氧原子，氧原子直接通过化学键（本质上也是电磁相互作用）结合形成了氧分子，一堆氧分子聚到一起也就是氧气了。

可能你要问了，说了这么多和光速有什么关系呢？

科学家发现这套理论有一个硬伤，如果那就是粒子的质量从哪来。科学家通过计算发现，传递物质99%的质量来自于传递强相互作用的能量（通过质能等价理论可以等价于相对应的质量）。那剩余的1%呢？

为了解决这个问题，科学家假设了宇宙中遍布着一种希格斯玻色子，它可以赋予粒子质量，通过的方法就是给粒子减速。也就是说，起初所有的粒子传播的速度都应该是光速，但是绝大多数的粒子都被希格斯粒子给减速了，并获得了质量。只有光子没有被减速，因此光子还保持着光速。因此，光的传播速度是光速，它并不需要动力。这同时也解释了为什么物质、信息、能量传递的速度不可能超过光速。当然，科学家只是做出了理论假设，凡事都要讲求证据。

后来，LHC大型粒子对撞机找到了希格斯玻色子存在的证据，提出理论预言的科学家还因此获得了诺贝尔物理学奖，希格斯玻色子的理论才成为了科学家的主流理论，被科学家们所认可。

总结

光子之所以可以达到光速是因为粒子在静止质量为0时传播速度就是光速，只是大多数的粒子由于被希格斯玻色子减速从而获得质量，所以大多数粒子并非光速，而光子并没有被希格斯玻色子减速，因此，可以保持光速。

“达到”这个词，让人感觉有一个加速的过程，从零逐渐增加，最后到光速。但是 光不会“达到”光速，因为光的速度永远不会低于光速 （这里说的是真空中，在介质里光速会降低，变成真空光速除以这种介质的折射率）。当然，也不会高于光速。

光的速度就是一个定值，——光速，大约每秒30万公里。这就是为什么“光速”是一个自然界的基本常数，而“你的速度”或者“一辆 汽车 的速度”不是自然界的基本常数，因为这些速度是可变的，而光速不变。

为什么你日常见到的物体速度会改变，会从零逐渐变化，而光却不会？因为这是狭义相对论决定的。

狭义相对论里，每一个物体都有一个“ 静质量 ”m0，就是它在静止时的质量，然后，当它运动起来时，质量会发生变化，——这是完全超越日常经验的，但却经过了无数实验证实！变成什么呢？

当速度为v时，“ 动质量 ” m = m0 / sqrt(1 - v^2/c^2) ，这里sqrt表示“开根号”，^2表示“平方”，c是光速。

当v很小时，v^2/c^2接近于0，1 - v^2/c^2接近于1，sqrt(1 - v^2/c^2)也接近于1，m接近于m0，也就是说，动质量跟静质量没有多少差别。多小算“很小”呢？你要考虑到光速是30万公里每秒，我们日常所见的速度跟它相比都差了好几个数量级。比如高铁列车，假设在以360公里每小时的运行（比最近要恢复的350还高一点），就是0.1公里每秒（一小时是3600秒），这个v只是c的300万分之一！在这个速度下，质量的变化只有几万亿分之一的量级，无法察觉。即使是以第一宇宙速度环绕地球的卫星，速度也不过是7.9公里每秒，虽然比高铁快多了，跟光速相比还是可以忽略不计。

但是当v接近光速时，动质量跟静质量的差别就显示出来了。例如v = c/2，这时你会算出m = 2/sqrt(3) m0 = 1.155 m0。如果v = 0.9 c，就有m = 2.294 m0。而如果v = 0.99 c呢？这时m = 7.089 m0。 随着速度接近光速，动质量迅速地增大。

如果速度达到光速了，会怎么样呢？这个公式告诉你，动质量会变成无穷大。

但这实际上是不可能发生的事情！因为质量越大，要再加速，需要外界给它的能量就越多。到接近光速的时候，你给它天文数字的能量，也只能让它的速度增加一点点，仍然达不到光速。而你能提供的能量总是有限的。

因此， 如果一个物体的静质量不为零，你就永远不可能把它加速到光速 。

但是，还有另一种情况。如果一个物体的静质量为零呢？这时你会发现，如果它的速度低于光速，动质量就必然是0，因为m0 / sqrt(1 - v^2/c^2)这个分式中，分子为零，分母不为零。但这又是不可能发生的事。因为按照相对论的质能关系，E = m c^2，能量等于动质量乘以光速的平方，如果动质量为零，这个物体的能量就是零了，它怎么可能既在运动又能量为零呢？

所以，唯一合理的情况，就是这个物体的静质量为零，但动质量不为零。这种情况怎么可能出现？只能要求m0 / sqrt(1 - v^2/c^2)这个分式的分子分母都等于0，也就是说，v只能等于c。

因此， 静质量为零的物体，只能以光速运动，速度不可能降到光速以下 。

光是什么样的物体？就是这种静质量为零、动质量不为零、只能以光速运动的物体。

光能够达到光速并不是因为它需要动力，而是因为在宇宙中，凡是静止质量为0的东西都可以达到光速，而光子恰好就是静止质量为零。那为什么静止质量为0就可以达到光速呢？这其实和量子力学的理论模型有关。具体原因我们还得从理论物理学的发展说起。

如果要给科学史上的理论物理学家做一个排名，可能不同的人给出的答案会是完全不同的。不过，有两位大神肯定会被大家排到最前列，这两个人就是牛顿和爱因斯坦。牛顿代表的是经典物理学，而爱因斯坦则代表的是现代科学，爱因斯坦以及他所在时代的科学家更像革新者，革了经典物理学的地基，建立了现代物理学的两大支柱： 相对论 和 量子力学 。

其中，相对论几乎是爱因斯坦一个人做出来的。相对论被分为 狭义相对论 和 广义相对论 。在狭义相对论中，爱因斯坦以 光速不变原理 和 相对性原理 为基本假设建构出来的。

我们通过光速不变原理进行推导，就可以得到 光速是信息、物质和能量传播的最快速度， 它们都无法超越这个光速（3*10^8m/s）。这个看法起初很多科学家都无法接受，狭义相对论诞生后很久才逐渐在实验中被验证，被开始被接受。很多人都会有一个疑问：为什么光速是宇宙中物质、信息、能量的极限速度，而不是其他的速度？还有光是如何一下子达到光速的？它的动力之源到底是什么？

关于这个问题，与爱因斯坦同一时代的物理学家就在研究，前前后后上百位杰出的物理学家先是创立了量子力学，紧接着结合狭义相对论和量子力学推导出了量子场论，进而得到到了 粒子物理标准模型 。

之所以需要这样一个理论，很大原因是实验惹的祸。上世纪初有一个叫做卢瑟福的科学家通过简单的“α粒子”轰击（撞）金箔，就让他了解到原子模型，并开启了研究核物理的先河。

后来的科学家照葫芦画瓢开始用粒子"对撞”来获得微观世界的物理学现象。这一“撞”，撞出了上百种粒子，那这些粒子改如何安排的明明白白呢？

物理学家就搞出了一套标准模型，在这套标准模型中就把这些粒子都安排明白了。这套模型实际上很复杂，不过我们可以简单粗暴地来说一下。

话说在古希腊时代，就已经有哲学家在思考这个宇宙到底是咋来的了？

他们当时提供了两个思考这个问题的方向，一 个是研究万物的本源，一个是研究万物之所以是万物背后的规律。 前者最后最终逐渐演化成研究万物最小的构成单位，并且在德谟克利特和亚里士多德时代达到了高峰，不过他们还停留在哲学思辨的层次，并没有和微观的物理学现象相结合。

而标准模型则弥补了这个空白，是基于微观世界的物理学现象构建起来模型。在这个模型当中，有两种构成这个世界的粒子，一种叫做 费米子 ，一种叫做 玻色子 。费米子就好比是把万物切到最小剩下的粒子，费米子不能处于同一个量子态，因此，它们的存在使得物质具有体积的属性。而玻色子就好比是胶水（通过传递相互作用来实现），把费米子粘黏起来形成物质。

这么说可能太抽象了，我们来举个例子，夸克就是费米子，而胶子就是规范玻色子，三个夸克通过胶子传递的强相互作用就可以构成质子或者中子。

而质子和中子可以通过介子传递的强相互作用来构成原子核，原子核和电子之间是依靠光子传递的相互作用来构成原子。这里没有提到的弱相互作用则是用来维持原子核的稳定性的。有了原子，通过原子之间的电磁力，就可以构成费分子，分子再构成物质。所以，费米子和规范玻色子实际上就是古希腊先哲心目中的万物本源，它们共同构成了这个世界。

说了这么多，你可能要问了，那这和光速有什么关系呢？

这个理论看似完美，但是却存在着一个致命的问题： 粒子的质量从哪来？

根据这个理论，粒子都应该是不具有质量的。可是，科学家通过计算就发现，物质的质量99%来自于强互相作用，却还有剩余的1%不知去向。

为了解决这个问题，几位科学家提出了著名的希格斯机制。他们认为宇宙中还存在着一种标量玻色子： 希格斯玻色子 。它们可以赋予粒子质量，那它们是如何赋予粒子质量的呢？

它们可以让粒子减速，以此让粒子获得质量。也就是说，如果没有任何阻拦，粒子本身就应该是以光速传播，但是有一部分粒子被希格斯玻色子“拦着”，以至于速度被拖慢，并且获得了质量。

万万没想到的是，科学家的这个理论猜想后来还真的被大型粒子对撞机的实验所验证，其中2位物理学家在2012年还因为提出希格斯机制而获得了诺贝尔奖。

但并不是所有的粒子都会被“拖慢”，光子就不会，所以它具有的速度就是粒子本该有的速度：光速。光子不是慢慢加速到光速的，而是它天生就是光速，也因此它的静止质量为零。

四、统一场理论有公式吗？

从某种意义上说，统一的经典几何场论，我们已经有了，那就是规范场论。但这个理论形式并不等于物理概念上的统一场，因为，量子层面上的统一还很遥远。杨振宁和米尔斯建立了规范场论，吸取了对称性破缺的思想之后，这使得理论中的某些没有质量的粒子可以自发地获得质量。正因为如此，中间玻色子和光子才得以被格拉肖等人包含在同一个框架内…

规范理论通常用微分几何的语言讨论。数学上，一个规范就是某个主丛的（局部）截面的一个选择。一个规范变换也就是两个截面间的变换…

数学家注意到杨－米尔斯场中的规范势恰是数学家在20世纪30～40年代以来深入研究过的纤维丛上的联络。1975年以来数学家对杨－米尔斯方程进行了许多深入的研究，这些研究对于纯粹数学的发展，也起了推动作用。

杨一米尔斯方程(Yang-Mills equation)是一个重要的微分方程，指杨一米尔斯作用量所确定的欧拉一拉格朗日方程。杨一米尔斯方程也叫做杨—米尔斯理论。

杨氏理论是基于SU(N)组的一种量规理论，或者更普遍地说，是一个紧凑、半简单的李群。杨振宁米尔斯理论旨在描述基本粒子的行为使用这些非阿贝尔李群和统一的核心的电磁和弱力(即U(1)×SU(2))以及量子色动力学理论的强力(基于SU(3))。从而形成了我们对粒子物理标准模型理解的基础。

以杨-米尔斯理论为核心的现代规范场论,在此基础上形成了所谓的粒子物理的标准模型,因此,现代量子场论以规范场论为核心.量子场论作为描述亚原子世界的最成功的物理框架,不论在计算能力还是在概念覆盖范围上都是无以伦比的,它对电子跟光子之间相互作用的预计精确到10<'8>分之一,而且它能准确解释宇宙中四种已知基本力中的三种.量子场论作为亚原子力的成功理论今天主要体现在所谓的标准模型中,事实上,目前没有从标准模型中推导不出的已知实验(引力除外)，正是由于规范场论的成功,理论物理的处境,已经从找不到一个理论框架来理解实验数据的局面,转变成如果物理学家提出的理论比标准模型还新，那么就会超出目前的实验技术水平而得不到检验的局面.可见,规范场论在人类认识史上一定前进了一大步,一定有其深刻的形而上学基础、重大的认识论意义和科学方法论意义，规范场论中引进协变导数的物理实质…

爱因斯坦后半生苦苦思索的统一场论至去世都没有实现，而杨振宁的规范场理论却直接统一了弱相互作用力和强相互作用力，并且杨米尔斯方程对引力的描述也能媲美广义相对论，居然一举统一了宇宙四种基本力的三种，算的上完成了统一场论四分之三。其实中国从不缺少大师，只是大师再也不能闪耀整个时代。

如果整个是由一个人作出来的，那他的成就和爱因斯坦一样大了，甚至可以说是超过爱因斯坦！只有爱因斯坦曾经以一人之力建立了相对论。其它的物理理论，如量子力学，特别是后来的量子场论，都是由很多人，有时是经过几代人很多年的持续努力才建立起来的。

因此，有物理学家将扬振宁排名在牛顿、爱因斯坦之后的为第三位的伟大科学家…

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