現代物理學的天空仍布滿陰雲，而解決這些問題的有效途徑便是不斷完善現有理論，填補其中的空白。
理論越是先進，我們就越能接近穿透這些烏雲的邊界。
在之前的物理學系列中，我主要是闡述問題，並沒有提供解決這些問題的方法。
目前看來，最有希望的突破是統一電磁力、弱力和強力的大統一理論。
本期影片將使用當前最先進的量子場論，為物理學家們在標準模型的基礎上構建大統一理論提供新的思路。
這篇文章涉及的知識非常廣泛，包括量子電動力學、楊-米爾斯理論、量子色動力學、希格斯機制、對稱性理論、凝聚態超導理論及大爆炸理論等，文章已盡力采用通俗的方式表達，邏輯也已經緊密相連，適合多次閱讀。（由於文章長度過長，將分為三部份釋出）
這是一張展示粒子物理標準模型的圖表，可以說是目前人類掌握的最接近萬有理論的模型。
設想一下，宇宙中的自然現象無所不包，變化無常，既有超新星爆炸產生的高能射線，也有黑洞合並時釋放的重力波，還包括DNA合成過程中的胺基酸。但從微觀角度來看，所有這些宇宙現象的本質其實都是一樣的，都是透過物質這一媒介展開的。
物質具有兩個最基本的內容：變化內容（力）和質素內容。
因此，宇宙中所有現象都可以用物質、質素和力這三個維度來解釋。
這時候再來看標準模型，正好是解釋這三個維度的理論。
截至2023年，人類已經發現了61種基本粒子，這些粒子都包含在標準模型中，常見的標準模型表中只展示了17種基本粒子，其他的粒子主要是這些粒子的反物質，以及具有不同色荷的誇克和膠子。
因此，其他44種基本粒子並未顯示在這張圖上，主要是因為它們都可以透過圖中這17種基本粒子衍生出來。這就像一個家庭只需要一個代表一樣。
例如，誇克總共有36種，但圖中只顯示了6種，這主要是因為誇克具有「味」和「色」兩種內容。當然，這裏的「味」和「色」與日常生活中的味道和顏色完全不同，這兩種內容對應的是兩種量子數。
誇克有6種「味」，分別是上、下、粲、奇、頂、底。每種「味」有3種色荷，因此在「味」和色荷上的組合就有18種。而每種誇克還有相對的反物質，總共就有36種誇克。
在這張圖中，每個粒子都標註了三個量：質素、電荷和自旋。
首先看看這些粒子的自旋，會發現，這些粒子的自旋只有0、1/2和1（絕對值），這三種自旋值又可以分為整數和半整數兩大類。
圖中左邊的12種基本粒子也稱為費米子，遵守費米-狄拉克統計，簡單來說，費米子的共同特征是它們的自旋為半整數。它們的主要作用是構成物質的結構。
而圖中後面的五種基本粒子的共同點是自旋都為整數。
這些自旋為整數的粒子稱為玻色子，它們遵守玻色-愛因斯坦統計。
在這五種玻色子中，有四種的自旋為1，這些自旋為1的玻色子又稱為規範玻色子，還有一種尚未被發現的重力子，其自旋為2，也屬於規範玻色子。
規範玻色子的作用僅有一個：它們不參與物質的構成，只負責在費米子之間傳遞力，因此規範玻色子也被稱為傳播子。
現在再看這幅圖，左邊的12種費米子負責構成物質，而右邊的四種玻色子負責力的傳遞。費米子和規範玻色子相互協作，共同造就了物質運動現象。
在標準模型圖的最上方，用希臘數碼一、二、三標註，這些代表一代、二代、三代。「代」指的是這些基本粒子的發現時間，最早發現的費米子稱為一代，以此類推。
你會發現，後一代的粒子雖然質素比前一代高很多，但電荷和自旋都是相同的。因此，費米子之間的代差僅在質素上有所不同。
而粒子質素越大，越容易衰變，存在的時間也就越短。因此，只有第一代費米子質素最小，最穩定，存在時間最長，也最容易被發現。
而第二代和第三代費米子由於質素較大，從產生到衰變只是一瞬間的事情，目前只能在加速器中發現，因此發現它們的時間相對較晚。
下面這兩行費米子統稱為輕子，上面是電子家族，下面是微中子家族，最明顯的區別是是否帶電荷。帶電的是電子家族，不帶電的是微中子家族。
它們被稱為輕子，並不是因為它們的質素輕，而是因為它們不參與強力。
而在標準模型圖的右上方只有一種粒子，也是最晚被發現的，那就是希格斯粒子，於2013年被最終確認，希格斯粒子的自旋為0，是目前唯一被發現的純量玻色子。它的主要作用是賦予其他基本粒子以質素。
希格斯玻色子為W和Z玻色子、電子家族以及所有誇克賦予質素，而微中子的質素來源目前還是一個未解之謎。
標準模型與大統一理論
如果問你，你的身體質素來自哪裏？
你可能會感到困惑，下意識地回答說，我本身就有質素。
那麽你本身的質素又從哪裏來呢？
當然，這需要從微觀層面分析，人體的質素來源於構成人體的所有
原子的質素總和。
原子由原子核和核外電子組成。而原子核由質子和中子組成，質子和中子的質素幾乎相同，但是它們是電子質素的1836倍。因此，原子的質素99.9%都來自原子核。
而原子核中的質子和中子由誇克組成，大多數人可能認為質子或中子的質素來自其中誇克質素的總和，但這種看法是錯誤的。
以質子為例，質子含有兩個上誇克和一個下誇克，這三個誇克的總能量只有9.4Mev，而質子的總能量為938Mev，
因此，誇克質素之和只占質子質素的1%，其他99%的質素來自於膠子產生的強力結合能。關於這種結合能產生的額外質素究竟是如何形成的，文章接下來將進行討論。
而誇克本身的質素則來源於希格斯機制！
在我之前的影片中，我經常提到基本粒子本質上就是波，這種波可以延伸至宇宙的每一個角落，波上有一個波包，波包的位置就是我們說的粒子所在的位置。但波包的概念也是一種比較傳統的說法。
根據量子場論的描述，波的概念被量子場所取代。每一種基本粒子本質上都對應一個自己的量子場，例如光子場（電磁場）、電子場、誇克場等。
粒子只是自己的量子場中的一個激發狀態，電子場激發出電子，光子場激發出光子，誇克場激發出誇克。
標準模型中的所有基本粒子都對應著自己的量子場，這些場遍布整個宇宙。在一般情況下，這些量子場處於基態，即能量最低的狀態。由於能量不足，通常不會激發出有質素的粒子。
但需要註意的是，處於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來的，它們很快就會湮滅並將能量返還給真空。這就是所謂的量子漲落，雖然每種量子場中不斷產生虛粒子對，但它們很快就會湮滅，最終量子場的真空期望能量仍為0。
因此，不要被量子場中的量子漲落所迷惑，這種看似免費的能量並沒有實際用處。
量子場想要在不借助外部能量的情況下激發粒子，就需要從外界獲得能量。
這種能量必須透過與其他量子場的相互作用來獲取。
而大部份粒子會與希格斯場發生相互作用，即透過希格斯場獲取能量。例如，誇克場與希格斯場相互作用後，會吸收能量，從而激發出誇克。但需要註意的是，這種能量的吸收是間斷的，不是連續的。也就是說，誇克場與希格斯場的作用時，吸收的能量只能滿足激發整數個誇克所需的能量，假設一個誇克的能量為A，則誇克場吸收的能量只能是1A、2A、3A，不可能存在0.5A或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，那麽所謂的「基本粒子」就一定還存在內部結構。
正是由於誇克場與希格斯場的作用，誇克獲得了能量，而能量又等同於質素，因此誇克就具有了質素。但並不是所有基本粒子都會與希格斯場發生作用。例如，光子場和膠子場就沒有與希格斯場相互作用，因此它們沒有固有質素。
而希格斯機制賦予基本粒子質素的原因，正是大統一理論的線索之一。
之前已經討論過，粒子只是各自量子場的激發狀態，盡管量子場會產生量子漲落，似乎創造了能量，但這是無效能量。
如果測量某個量子場所有可能出現的能量值，最後得出的真空期望值就為0，因此，每一種量子場的期望值最初都為0，你可以直接理解為量子場最初的能量為0，期望值為0意味著，量子場要激發出具有靜止質素的粒子，就需要與其他量子場相互作用來獲取能量。
如果所有量子場的期望值都為0，那麽量子場就無法從任何其他量子場中獲取能量。
這就像那61種基本粒子都是窮光蛋，如果想要借錢花（激發有質素的粒子），就必須依靠一個有錢的金主。這時候希格斯場就扮演了這個金主的角色。
那麽為什麽希格斯場可以擁有能量呢？它的能量從哪裏來？
希格斯場內建能量，這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則取決於對稱性是否破缺。
在微觀世界中，對稱性是一個非常抽象的概念，這種概念本質上無法用二維影像展現出來。例如，強力的SU3對稱性涉及到8個維度，這根本無法透過科普影片呈現。
一般情況下，科普影片中的對稱性都是透過一些對稱圖案來比喻。
但需要註意，這種科普絕對不代表真實情況，例如生活中三原色混合成白色也是一種對稱性。嚴格來說，對稱性就是物理內容遵循一種還原和合成的一致性。
這種抽象概念無法具象展示，因此影片中的圖案比喻也是妥協後的無奈之舉。
所以接下來討論的對稱性，你只需大概理解其意即可，絕對不是動畫中演繹的那樣，千萬不要對號入座。
對於基本粒子內在的對稱性來說，可以想象幾乎所有基本粒子都處於圖形的中間，這是符合對稱
性的狀態。
而只有希格斯粒子會偏離中心，這就導致希格斯場的對稱性自發破壞，類似於「結構決定性質」。對稱性一旦被破壞，在性質上就會導致希格斯場的期望值不為0，這就使得希格斯場擁有了能量。因此，其他量子場與希格斯場相互作用時就會獲得能量，能量轉化為質素，從而激發出具有質素的粒子。
由於光子場沒有與希格斯場相互作用，因此光子沒有獲得質素，這意味著光子場（電磁場）無需借助外部能量，就可以自由地激發出光子，因此光子的激發成本為零。
講到這裏，正好可以科普一下超導現象。
我們知道，電子在電路中運動會產生能量損失。
這種損耗主要有兩種形式：
第一種是電阻，這可以透過極低的溫度來解決。
另一種能量損失是由於電磁場激發出光子，從而輻射掉部份能量。
對於第二種能量損耗來說，假設存在一種類似希格斯場的機制，能夠賦予光子以質素，那麽電磁場就不會輕易地激發出光子，因為一旦光子擁有了靜質素，激發它就需要克服一定的能量門檻。在某些情況下，電磁場就不會向外輻射能量了。
而賦予光子質素的場就是所謂的庫珀玻色場，這也是BCS超導理論所研究的內容！
希格斯機制與大統一理論
現在我們知道，電磁力、弱力和強力都來源於一種高度統一的對稱性。這種對稱性源自於楊-米爾斯理論，該理論基於SUn（n）群論的規範場論，由楊振寧和米爾斯於1954年提出。
現在我們知道，除了重力之外，其他三種力在對稱性上都是高度統一的。
但這種對稱性要求傳播子的質素也必須為0，質素非零就會破壞這種對稱性。
然而，負責傳遞弱力的W和Z玻色子卻具有質素，這嚴重破壞了規範場論的對稱性。
在發現希格斯機制之前，物理學家無法解釋W和Z玻色子的質素來源。
此外，弱力與電磁力的表現形式也截然不同。電磁力是一種明顯的長程力。
而弱力的傳播範圍僅有質子的千分之一，其作用範圍甚至無法突破原子核。
之所以如此，主要是因為傳遞弱力的傳播子具有靜止質素。
根據不確定性原理，傳播子存在的時間△t符合以下公式：
其中，h為普朗克常數，Gamma為勞侖茲因子，C為光速，M為傳播子的質素。代入W和Z玻色子的靜止質素，就會發現它們存在的時間極短，結合它們的速度，就能計算出W和Z玻色子的作用範圍在10^-18米左右，大約相當於一個質子長度的千分之一。
因此，在當時，如果無法解釋W和Z玻色子的質素來源，電弱統一就難以實作。
如果想在規範場理論的框架下繼續統一電弱力，就必須假設W和Z玻色子本來是不帶質素的，它們的質素是後天其他因素導致的。
因此，尋找給W和Z玻色子賦予質素的額外機制成了當務之急。
直到1967年，希格斯機制被提出後三年，拜因貝魯克、格拉肖以及阿杜首次將希格斯機制套用於解決弱電統一過程中W和Z玻色子的質素問題，最終完成了電弱理論。
電弱理論的成功也標誌著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起作用。
只有當希格斯機制失效時，W和Z玻色子就無法獲得質素，弱力和電磁力在表現形式上必然完全相同。這時，弱力的傳播子也將變為光速，並像電磁力那樣在宇宙中無限傳遞。
而希格斯機制的本質是由於對稱性自發破壞，導致希格斯場的真空期望值不為0，從而獲得能量。如果想讓希格斯機制失效，就需要保持希格斯場的對稱性不被破壞。
希格斯場的對稱性是否破壞完全取決於溫度。在宇宙初期，溫度極高，希格斯機制就無法破壞，這時希格斯機制就會失效。因此，在溫度極高時，弱力的傳播子就無法透過希格斯機制獲得質素，弱力和電磁力就會完全相同。
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產生這一量級的能量，因此在粒子對撞機中，我們可以模擬出弱力和電磁力的合並。
如今，電磁力和弱力已經統一成為電弱理論，如果電弱理論再與強力統一，那就將升級為大統一理論。
因此，接下來標準模型需要完成的是強力的統一。統一強力的思路與電弱力的統一過程相同。
首先，強力的傳播子是膠子，靜止質素為0，以光速運動。這兩點與電磁力相同，唯一的不同是強力的傳播子被限制在誇克之間，無法脫離誇克。這就是所謂的誇克禁閉效應。此外，誇克之間的距離越遠，強力越強，距離越近，強力反而越弱，因此誇克之間的距離越近反而變得越自由。這種現象稱為漸近自由。
因此，現在統一強力的唯一問題就是讓強力的傳播子突破誇克的限制，變成與電磁力一樣的長程力。
我們知道，構成質子和中子的通常是三個誇克，這三個誇克由膠子以光速運動的形式結合在一起，主要起到色荷中和的作用。
每個誇克帶有不同的色荷，誇克的色荷可以理解為紅、綠、藍，誇克總共有36種，其組合方式眾多，但無論如何組合，都必須保持色中和，就像三原色混合成白色一樣。色荷只是誇克的一種抽象概念，誇克本身並無顏色，只是這種組合方式與三原色類似，因此進行了這樣的比喻。
誇克色荷中和有兩種形式，但無論如何都必須保證是白色，例如，三個誇克組合時，它們必須分別是紅、綠、藍。如果兩個誇克組合在一起，那麽另一個必須是反色，即反物質。例如，紅誇克可以與反紅誇克中和，這樣也可以形成白色。
除了誇克帶色荷外，膠子也帶色荷，膠子的色荷在誇克之間不斷傳遞，負責維持色荷平衡。
需要註意的是，真實的色荷平衡是一個動態過程，遠比我所描述的三原色更為復雜。大家只需了解基本概念，便於理解即可。
色荷的概念在研究誇克的運動現象時極為重要，因此研究誇克的理論也被稱為量子色動力學。
由於色荷平衡的需要，膠子被困在誇克之間。而誇克無法單獨脫離出來，也可以理解為，脫離膠子的誇克無法找到色中和物件，因此只能束縛在一起。
如果持有「大力出奇跡」的理念，不斷加大能量撞擊誇克，應該能將膠子撞出來。
事實上，確實可以透過撞擊將膠子撞出來，但撞開誇克的能量必須達到恰好可以形成新的誇克的水平。因此，撞擊的結果就是，誇克被撞開了，但這些能量瞬間就會形成正-反誇克對，這兩個誇克的顏色正好是正-反色組合，膠子又在新的正-反誇克對中傳遞強力。
這種新形成的正反誇克對就是介子。
這時你可能會問，正反誇克在一起難道不會湮滅嗎？
其實，在一般情況下，正反物質相遇肯定會湮滅。
但在介子中的正反誇克不會湮滅，這主要涉及到手性對稱性，類似於左右手的對稱。
假設正誇克的手性為左手性，那麽反誇克的手性就是右手性。如果手性對稱成立，則正反誇克會湮滅。但一旦手性遭到破壞，正反誇克就不會湮滅，而膠子會因為色中和的需要，將正反誇克拉攏在一起，從而在誇克間產生結合能。
實際上，誇克的手性對稱破壞不僅存在於正反誇克對構成的介子中，還存在於質子和中子中，這種手性自發對稱破壞就在誇克間產生了結合能，這種結合能也構成了質子和中子質素的99%。
因此，在由可見物質構成的宇宙中，由希格斯機制對稱性破壞創造的質素僅占總質素的1%。而剩下99%的質素則由手性破壞引起。
事實上，膠子無法脫離誇克，色中和只是表面原因，本質原因是手性破壞創造的結合能束縛了膠子。
根據標準模型的預測，手性對稱性破壞與否仍然取決於溫度。
目前的預測認為，如果能量達到10^15GeV以上，則手性對稱性不會被破壞，那麽誇克間就不會被膠子拉攏，誇克禁閉和漸進自由就會失效，膠子將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大的粒子對撞機的一千億倍。
如果沒有其他實驗方式來驗證大統一理論，這種實驗幾乎是不可能完成的。
至於重力，我們先得找到重力子。假設找到了重力子，如果要驗證電磁力、弱力、強力和重力的統一性，所需的能量將達到10^19GeV，這一能量也是普朗克能量。
其實，構建能達到普朗克能量的對撞機並不難，只需要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，我們就可以直接完成萬有理論了！
事實上，四種作用力的統一主要是尋找它們的內在一致性。
這種一致性似乎都取決於能量，能量越高，四種作用力越趨向於相同。
只有在達到能量的極限時，所有基本粒子以及所有作用力都會趨於統一。
從這個角度來看，大爆炸理論還是相當可靠的。
宇宙大爆炸之初，溫度極高，萬物歸一。
隨著溫度的降低，各種對稱性開始自發破壞，從而導致基本粒子出現差異，並分化出不同的作用力。
因此，根據大爆炸理論的逆向推理，人類完成萬有理論的希望還是非常大的。
但這仍然只是一種猜測，自然規律的神奇之處在於，用過往的理論預測未來，往往會發現更多的未知項，最終的結果往往與預期相反。
