现代物理学的天空仍布满阴云，而解决这些问题的有效途径便是不断完善现有理论，填补其中的空白。
理论越是先进，我们就越能接近穿透这些乌云的边界。
在之前的物理学系列中，我主要是阐述问题，并没有提供解决这些问题的方法。
目前看来，最有希望的突破是统一电磁力、弱力和强力的大统一理论。
本期视频将使用当前最先进的量子场论，为物理学家们在标准模型的基础上构建大统一理论提供新的思路。
这篇文章涉及的知识非常广泛，包括量子电动力学、杨-米尔斯理论、量子色动力学、希格斯机制、对称性理论、凝聚态超导理论及大爆炸理论等，文章已尽力采用通俗的方式表达，逻辑也已经紧密相连，适合多次阅读。（由于文章长度过长，将分为三部分发布）
这是一张展示粒子物理标准模型的图表，可以说是目前人类掌握的最接近万有理论的模型。
设想一下，宇宙中的自然现象无所不包，变化无常，既有超新星爆炸产生的高能射线，也有黑洞合并时释放的引力波，还包括DNA合成过程中的氨基酸。但从微观角度来看，所有这些宇宙现象的本质其实都是一样的，都是通过物质这一媒介展开的。
物质具有两个最基本的属性：变化属性（力）和质量属性。
因此，宇宙中所有现象都可以用物质、质量和力这三个维度来解释。
这时候再来看标准模型，正好是解释这三个维度的理论。
截至2023年，人类已经发现了61种基本粒子，这些粒子都包含在标准模型中，常见的标准模型表中只展示了17种基本粒子，其他的粒子主要是这些粒子的反物质，以及具有不同色荷的夸克和胶子。
因此，其他44种基本粒子并未显示在这张图上，主要是因为它们都可以通过图中这17种基本粒子派生出来。这就像一个家庭只需要一个代表一样。
例如，夸克总共有36种，但图中只显示了6种，这主要是因为夸克具有「味」和「色」两种属性。当然，这里的「味」和「色」与日常生活中的味道和颜色完全不同，这两种属性对应的是两种量子数。
夸克有6种「味」，分别是上、下、粲、奇、顶、底。每种「味」有3种色荷，因此在「味」和色荷上的组合就有18种。而每种夸克还有相对的反物质，总共就有36种夸克。
在这张图中，每个粒子都标注了三个量：质量、电荷和自旋。
首先看看这些粒子的自旋，会发现，这些粒子的自旋只有0、1/2和1（绝对值），这三种自旋值又可以分为整数和半整数两大类。
图中左边的12种基本粒子也称为费米子，遵守费米-狄拉克统计，简单来说，费米子的共同特征是它们的自旋为半整数。它们的主要作用是构成物质的结构。
而图中后面的五种基本粒子的共同点是自旋都为整数。
这些自旋为整数的粒子称为玻色子，它们遵守玻色-爱因斯坦统计。
在这五种玻色子中，有四种的自旋为1，这些自旋为1的玻色子又称为规范玻色子，还有一种尚未被发现的引力子，其自旋为2，也属于规范玻色子。
规范玻色子的作用仅有一个：它们不参与物质的构成，只负责在费米子之间传递力，因此规范玻色子也被称为传播子。
现在再看这幅图，左边的12种费米子负责构成物质，而右边的四种玻色子负责力的传递。费米子和规范玻色子相互协作，共同造就了物质运动现象。
在标准模型图的最上方，用希腊数字一、二、三标注，这些代表一代、二代、三代。「代」指的是这些基本粒子的发现时间，最早发现的费米子称为一代，以此类推。
你会发现，后一代的粒子虽然质量比前一代高很多，但电荷和自旋都是相同的。因此，费米子之间的代差仅在质量上有所不同。
而粒子质量越大，越容易衰变，存在的时间也就越短。因此，只有第一代费米子质量最小，最稳定，存在时间最长，也最容易被发现。
而第二代和第三代费米子由于质量较大，从产生到衰变只是一瞬间的事情，目前只能在加速器中发现，因此发现它们的时间相对较晚。
下面这两行费米子统称为轻子，上面是电子家族，下面是中微子家族，最明显的区别是是否带电荷。带电的是电子家族，不带电的是中微子家族。
它们被称为轻子，并不是因为它们的质量轻，而是因为它们不参与强力。
而在标准模型图的右上方只有一种粒子，也是最晚被发现的，那就是希格斯粒子，于2013年被最终确认，希格斯粒子的自旋为0，是目前唯一被发现的标量玻色子。它的主要作用是赋予其他基本粒子以质量。
希格斯玻色子为W和Z玻色子、电子家族以及所有夸克赋予质量，而中微子的质量来源目前还是一个未解之谜。
标准模型与大统一理论
如果问你，你的身体质量来自哪里？
你可能会感到困惑，下意识地回答说，我本身就有质量。
那么你本身的质量又从哪里来呢？
当然，这需要从微观层面分析，人体的质量来源于构成人体的所有
原子的质量总和。
原子由原子核和核外电子组成。而原子核由质子和中子组成，质子和中子的质量几乎相同，但是它们是电子质量的1836倍。因此，原子的质量99.9%都来自原子核。
而原子核中的质子和中子由夸克组成，大多数人可能认为质子或中子的质量来自其中夸克质量的总和，但这种看法是错误的。
以质子为例，质子含有两个上夸克和一个下夸克，这三个夸克的总能量只有9.4Mev，而质子的总能量为938Mev，
因此，夸克质量之和只占质子质量的1%，其他99%的质量来自于胶子产生的强力结合能。关于这种结合能产生的额外质量究竟是如何形成的，文章接下来将进行讨论。
而夸克本身的质量则来源于希格斯机制！
在我之前的视频中，我经常提到基本粒子本质上就是波，这种波可以延伸至宇宙的每一个角落，波上有一个波包，波包的位置就是我们说的粒子所在的位置。但波包的概念也是一种比较传统的说法。
根据量子场论的描述，波的概念被量子场所取代。每一种基本粒子本质上都对应一个自己的量子场，例如光子场（电磁场）、电子场、夸克场等。
粒子只是自己的量子场中的一个激发状态，电子场激发出电子，光子场激发出光子，夸克场激发出夸克。
标准模型中的所有基本粒子都对应着自己的量子场，这些场遍布整个宇宙。在一般情况下，这些量子场处于基态，即能量最低的状态。由于能量不足，通常不会激发出有质量的粒子。
但需要注意的是，处于基态的量子场中会不断产生正反虚粒子对，这些粒子对的能量是从真空中借来的，它们很快就会湮灭并将能量返还给真空。这就是所谓的量子涨落，虽然每种量子场中不断产生虚粒子对，但它们很快就会湮灭，最终量子场的真空期望能量仍为0。
因此，不要被量子场中的量子涨落所迷惑，这种看似免费的能量并没有实际用处。
量子场想要在不借助外部能量的情况下激发粒子，就需要从外界获得能量。
这种能量必须通过与其他量子场的相互作用来获取。
而大部分粒子会与希格斯场发生相互作用，即通过希格斯场获取能量。例如，夸克场与希格斯场相互作用后，会吸收能量，从而激发出夸克。但需要注意的是，这种能量的吸收是间断的，不是连续的。也就是说，夸克场与希格斯场的作用时，吸收的能量只能满足激发整数个夸克所需的能量，假设一个夸克的能量为A，则夸克场吸收的能量只能是1A、2A、3A，不可能存在0.5A或1.68A这种能量值。
因为量子场激发的粒子都是基本粒子，每一种基本粒子的能量都是一种基本单位。如果存在非整数的能量值，那么所谓的「基本粒子」就一定还存在内部结构。
正是由于夸克场与希格斯场的作用，夸克获得了能量，而能量又等同于质量，因此夸克就具有了质量。但并不是所有基本粒子都会与希格斯场发生作用。例如，光子场和胶子场就没有与希格斯场相互作用，因此它们没有固有质量。
而希格斯机制赋予基本粒子质量的原因，正是大统一理论的线索之一。
之前已经讨论过，粒子只是各自量子场的激发状态，尽管量子场会产生量子涨落，似乎创造了能量，但这是无效能量。
如果测量某个量子场所有可能出现的能量值，最后得出的真空期望值就为0，因此，每一种量子场的期望值最初都为0，你可以直接理解为量子场最初的能量为0，期望值为0意味着，量子场要激发出具有静止质量的粒子，就需要与其他量子场相互作用来获取能量。
如果所有量子场的期望值都为0，那么量子场就无法从任何其他量子场中获取能量。
这就像那61种基本粒子都是穷光蛋，如果想要借钱花（激发有质量的粒子），就必须依靠一个有钱的金主。这时候希格斯场就扮演了这个金主的角色。
那么为什么希格斯场可以拥有能量呢？它的能量从哪里来？
希格斯场自带能量，这要求希格斯场的期望不能为0。而量子场的真空期望值是否为0则取决于对称性是否破缺。
在微观世界中，对称性是一个非常抽象的概念，这种概念本质上无法用二维图像展现出来。例如，强力的SU3对称性涉及到8个维度，这根本无法通过科普视频呈现。
一般情况下，科普视频中的对称性都是通过一些对称图案来比喻。
但需要注意，这种科普绝对不代表真实情况，例如生活中三原色混合成白色也是一种对称性。严格来说，对称性就是物理属性遵循一种还原和合成的一致性。
这种抽象概念无法具象展示，因此视频中的图案比喻也是妥协后的无奈之举。
所以接下来讨论的对称性，你只需大概理解其意即可，绝对不是动画中演绎的那样，千万不要对号入座。
对于基本粒子内在的对称性来说，可以想象几乎所有基本粒子都处于图形的中间，这是符合对称
性的状态。
而只有希格斯粒子会偏离中心，这就导致希格斯场的对称性自发破坏，类似于「结构决定性质」。对称性一旦被破坏，在性质上就会导致希格斯场的期望值不为0，这就使得希格斯场拥有了能量。因此，其他量子场与希格斯场相互作用时就会获得能量，能量转化为质量，从而激发出具有质量的粒子。
由于光子场没有与希格斯场相互作用，因此光子没有获得质量，这意味着光子场（电磁场）无需借助外部能量，就可以自由地激发出光子，因此光子的激发成本为零。
讲到这里，正好可以科普一下超导现象。
我们知道，电子在电路中运动会产生能量损失。
这种损耗主要有两种形式：
第一种是电阻，这可以通过极低的温度来解决。
另一种能量损失是由于电磁场激发出光子，从而辐射掉部分能量。
对于第二种能量损耗来说，假设存在一种类似希格斯场的机制，能够赋予光子以质量，那么电磁场就不会轻易地激发出光子，因为一旦光子拥有了静质量，激发它就需要克服一定的能量门槛。在某些情况下，电磁场就不会向外辐射能量了。
而赋予光子质量的场就是所谓的库珀玻色场，这也是BCS超导理论所研究的内容！
希格斯机制与大统一理论
现在我们知道，电磁力、弱力和强力都来源于一种高度统一的对称性。这种对称性源自于杨-米尔斯理论，该理论基于SUn（n）群论的规范场论，由杨振宁和米尔斯于1954年提出。
现在我们知道，除了引力之外，其他三种力在对称性上都是高度统一的。
但这种对称性要求传播子的质量也必须为0，质量非零就会破坏这种对称性。
然而，负责传递弱力的W和Z玻色子却具有质量，这严重破坏了规范场论的对称性。
在发现希格斯机制之前，物理学家无法解释W和Z玻色子的质量来源。
此外，弱力与电磁力的表现形式也截然不同。电磁力是一种明显的长程力。
而弱力的传播范围仅有质子的千分之一，其作用范围甚至无法突破原子核。
之所以如此，主要是因为传递弱力的传播子具有静止质量。
根据不确定性原理，传播子存在的时间△t符合以下公式：
其中，h为普朗克常数，伽马为洛伦兹因子，C为光速，M为传播子的质量。代入W和Z玻色子的静止质量，就会发现它们存在的时间极短，结合它们的速度，就能计算出W和Z玻色子的作用范围在10^-18米左右，大约相当于一个质子长度的千分之一。
因此，在当时，如果无法解释W和Z玻色子的质量来源，电弱统一就难以实现。
如果想在规范场理论的框架下继续统一电弱力，就必须假设W和Z玻色子本来是不带质量的，它们的质量是后天其他因素导致的。
因此，寻找给W和Z玻色子赋予质量的额外机制成了当务之急。
直到1967年，希格斯机制被提出后三年，温伯格、格拉肖以及阿卜杜勒首次将希格斯机制应用于解决弱电统一过程中W和Z玻色子的质量问题，最终完成了电弱理论。
电弱理论的成功也标志着标准模型的一次重大胜利。
在标准模型中，我们已经知道电磁力和弱力本质上是同一种力，之所以表现形式完全不同，只是因为希格斯机制在起作用。
只有当希格斯机制失效时，W和Z玻色子就无法获得质量，弱力和电磁力在表现形式上必然完全相同。这时，弱力的传播子也将变为光速，并像电磁力那样在宇宙中无限传递。
而希格斯机制的本质是由于对称性自发破坏，导致希格斯场的真空期望值不为0，从而获得能量。如果想让希格斯机制失效，就需要保持希格斯场的对称性不被破坏。
希格斯场的对称性是否破坏完全取决于温度。在宇宙初期，温度极高，希格斯机制就无法破坏，这时希格斯机制就会失效。因此，在温度极高时，弱力的传播子就无法通过希格斯机制获得质量，弱力和电磁力就会完全相同。
让希格斯机制失效的临界温度，也就是让弱力和电磁力统一的临界温度下的能量值为100GeV。
目前人类最强大的粒子对撞机完全可以产生这一量级的能量，因此在粒子对撞机中，我们可以模拟出弱力和电磁力的合并。
如今，电磁力和弱力已经统一成为电弱理论，如果电弱理论再与强力统一，那就将升级为大统一理论。
因此，接下来标准模型需要完成的是强力的统一。统一强力的思路与电弱力的统一过程相同。
首先，强力的传播子是胶子，静止质量为0，以光速运动。这两点与电磁力相同，唯一的不同是强力的传播子被限制在夸克之间，无法脱离夸克。这就是所谓的夸克禁闭效应。此外，夸克之间的距离越远，强力越强，距离越近，强力反而越弱，因此夸克之间的距离越近反而变得越自由。这种现象称为渐近自由。
因此，现在统一强力的唯一问题就是让强力的传播子突破夸克的限制，变成与电磁力一样的长程力。
我们知道，构成质子和中子的通常是三个夸克，这三个夸克由胶子以光速运动的形式结合在一起，主要起到色荷中和的作用。
每个夸克带有不同的色荷，夸克的色荷可以理解为红、绿、蓝，夸克总共有36种，其组合方式众多，但无论如何组合，都必须保持色中和，就像三原色混合成白色一样。色荷只是夸克的一种抽象概念，夸克本身并无颜色，只是这种组合方式与三原色类似，因此进行了这样的比喻。
夸克色荷中和有两种形式，但无论如何都必须保证是白色，例如，三个夸克组合时，它们必须分别是红、绿、蓝。如果两个夸克组合在一起，那么另一个必须是反色，即反物质。例如，红夸克可以与反红夸克中和，这样也可以形成白色。
除了夸克带色荷外，胶子也带色荷，胶子的色荷在夸克之间不断传递，负责维持色荷平衡。
需要注意的是，真实的色荷平衡是一个动态过程，远比我所描述的三原色更为复杂。大家只需了解基本概念，便于理解即可。
色荷的概念在研究夸克的运动现象时极为重要，因此研究夸克的理论也被称为量子色动力学。
由于色荷平衡的需要，胶子被困在夸克之间。而夸克无法单独脱离出来，也可以理解为，脱离胶子的夸克无法找到色中和对象，因此只能束缚在一起。
如果持有「大力出奇迹」的理念，不断加大能量撞击夸克，应该能将胶子撞出来。
事实上，确实可以通过撞击将胶子撞出来，但撞开夸克的能量必须达到恰好可以形成新的夸克的水平。因此，撞击的结果就是，夸克被撞开了，但这些能量瞬间就会形成正-反夸克对，这两个夸克的颜色正好是正-反色组合，胶子又在新的正-反夸克对中传递强力。
这种新形成的正反夸克对就是介子。
这时你可能会问，正反夸克在一起难道不会湮灭吗？
其实，在一般情况下，正反物质相遇肯定会湮灭。
但在介子中的正反夸克不会湮灭，这主要涉及到手性对称性，类似于左右手的对称。
假设正夸克的手性为左手性，那么反夸克的手性就是右手性。如果手性对称成立，则正反夸克会湮灭。但一旦手性遭到破坏，正反夸克就不会湮灭，而胶子会因为色中和的需要，将正反夸克拉拢在一起，从而在夸克间产生结合能。
实际上，夸克的手性对称破坏不仅存在于正反夸克对构成的介子中，还存在于质子和中子中，这种手性自发对称破坏就在夸克间产生了结合能，这种结合能也构成了质子和中子质量的99%。
因此，在由可见物质构成的宇宙中，由希格斯机制对称性破坏创造的质量仅占总质量的1%。而剩下99%的质量则由手性破坏引起。
事实上，胶子无法脱离夸克，色中和只是表面原因，本质原因是手性破坏创造的结合能束缚了胶子。
根据标准模型的预测，手性对称性破坏与否仍然取决于温度。
目前的预测认为，如果能量达到10^15GeV以上，则手性对称性不会被破坏，那么夸克间就不会被胶子拉拢，夸克禁闭和渐进自由就会失效，胶子将以光速的形式冲出原子，这样一来，强力就变成长程力了，当然，能达到这样的温度，原子也就不存在了。
而要完成这样的实验，所需的能量是目前最强大的粒子对撞机的一千亿倍。
如果没有其他实验方式来验证大统一理论，这种实验几乎是不可能完成的。
至于引力，我们先得找到引力子。假设找到了引力子，如果要验证电磁力、弱力、强力和引力的统一性，所需的能量将达到10^19GeV，这一能量也是普朗克能量。
其实，构建能达到普朗克能量的对撞机并不难，只需要将加速器的直径做到1000亿光年即可。
如果标准模型没有问题的话，这样一来，我们就可以直接完成万有理论了！
事实上，四种作用力的统一主要是寻找它们的内在一致性。
这种一致性似乎都取决于能量，能量越高，四种作用力越趋向于相同。
只有在达到能量的极限时，所有基本粒子以及所有作用力都会趋于统一。
从这个角度来看，大爆炸理论还是相当可靠的。
宇宙大爆炸之初，温度极高，万物归一。
随着温度的降低，各种对称性开始自发破坏，从而导致基本粒子出现差异，并分化出不同的作用力。
因此，根据大爆炸理论的逆向推理，人类完成万有理论的希望还是非常大的。
但这仍然只是一种猜测，自然规律的神奇之处在于，用过往的理论预测未来，往往会发现更多的未知项，最终的结果往往与预期相反。
