在看一些科普文章時，我們經常會遇到一些物理學名詞或術語，比如費米子、玻色子、希格斯玻色子、四個基本作用力等等。如果是沒有了解過粒子物理學的同學肯定會頭暈。今天我們就來把它們說清楚。

費米子、玻色子、希格斯玻色子在物理學上統稱為“粒子”。它們是構成我們這個世界物質不可或缺的主要成分。

物質是由原子構成的

要理解這些“粒子”，我們得先從物質是由什麼構成說起。

在古希臘時代，許多的智者們已經開始認真的思考，我們這個世界上的物質到底是由什麼組成的？比如泰勒斯就認為，組成物質的基本元素是水，而亞里士多德則認為萬物都是由四種基本物質以不同的組合形式構成的——它們是土、氣、火和水。

亞里士多德

最早提出物質是由原子構成的是留基伯和德謨克里特斯。雖然當時還是猜想，但是原子這一概念的提出，可說是人類瞭解物質瞭解這個世界的一大創舉。物理學家理查德.費曼曾經說過：如果讓他選擇一句話來概括現代科學中最重要的發現，他會選“世界是由原子組成的”這句話。

2000多年過去了，直到19世紀，科學家們通過實驗的確發現很多熟悉的物質都有一種可以識別的最小組成單元，按照古希臘人的傳統，他們還是稱這些最小單元為原子。

可是後來發現，原子並不是物質不可分割的最小單元。20世紀30年代，先是有科學家發現了電子，之後通過撞擊原子核發現了質子和中子。湯姆遜和盧瑟福，玻爾等人根據對原子核和電子性質的理解，他們建立起了各種不同的原子結構的模型：原子核由質子和中子構成，它的週週環繞著有規則運動的電子。

電子到底是如何圍繞著原子核在轉的？這個曾經掀起了不小的爭論。最後海森堡根據不確定性原理得出了最終的模型：電子是沒有規則運動的，它似雲一樣圍繞著原子核轉動。

在20世紀30年代末，物理學家在研究從外太空向地球傾瀉的粒子流時，又發現了一種叫μ子的基本粒子——除了比電子重200倍左右，它們的性質是一樣的。

接著20世紀50年代中期，物理學家雷恩和柯萬又發現了基本粒子—中微子。

如果至此科學家們就一錘定音止步不前了，那他們就不叫做科學家了。他們就是想知道，質子、中子還能不能再分？電子還能不能再分？他們採取的辦法就是：撞它！撞它！（不是盤它）

1968年，斯坦福直線加速器中心的實驗家們利用強大的技術力量探索了物質的微觀層次，發現質子和中子確實並不是最基本的，它們分別是由三個夸克組成。

物理學們就是這樣憑著先進的科學技術，用更快更強的對撞機去撞擊物質的碎片，不斷得出新的“粒子”。

組成物質的基本粒子—費米子

至此，組成物質的基本粒子已經發現的有：6種夸克（上夸克，下夸克，頂夸克，底夸克，粲夸克）；6種輕子（電子，電子中微子，μ子，μ中微子，τ子，τ中微子）。

中微子、μ子、τ子都是一些來無影去無蹤的粒子，我們一般都很少注意到它們，熟悉的輕子主要只是電子。就如中微子，它很少與其他物質發生相互作用，能穿透幾百億千米厚的鉛，而運動幾乎不受影響，它們可以隨意的穿越你我的身體，穿越地球飛向遙遠的宇宙，而不留任何痕跡。

這6種夸克和6種輕子是物質組成的基礎單元，它們目前是不能再分割了，也不能相容、不能疊加在一起，它們只能像樂高積木一樣堆積成各種各樣的物質。這6種夸克和6種輕子就稱做費米子。在量子力學上，費米子角動量的自旋量子數為半奇數整數倍的粒子，遵守泡利不相容原理。由意大利物理學家費米而得名。

力的信使粒子—玻色子

有了費米子，就可以組成物質了嗎？還是不可以。就像做房子一樣，有了磚塊、瓦塊還是不能堆成房子，還得有水泥等各種粘合劑才能把房間堆得牢固結實。費米子之間得有一種相互作用力，讓它們結合在一起。

過去100來年間，物理學家們通過無數次的實驗驗證發現，我們宇宙間的萬物之間的相互作用無非就是這四個基本作用力：引力，電磁力，強核力和弱核力。

電磁力是我們身邊最常見的力，如電話溝通，電視信號，各種電子產品，太陽的熱，日常生活中的摩擦力等都存在電磁力。電磁力是由電磁場產生的影響力。光子是電磁場的基本組成，我們可以將它看作電磁力的傳遞者。

強核力和弱核力是原子和亞原子中的力，所以是大家最不容易理解的力。強核力是讓夸克，質子，中子結合在一起的力，它傳輸力的信使粒子是膠子。弱核力是物質放射性衰變的力，它傳遞力的粒子是w玻色子和z玻色子。

引力則是宏觀上物體之間的相互作用力。地球有了引力，我們才能站穩在地球上；太陽有了引力，地球和其他行星才能繞著太陽旋轉。我們身邊的物體和物體之間也有引力，只是小質量物體間的引力太小了，幾乎感覺不到。

光子、膠子和w、z玻色子，這些在費米子之間傳遞力的粒子統稱做：規範玻色子。在量子力學上，玻色子是指自旋為整數的粒子，不遵守泡利不相容原理。由印度物理學家玻色而得名。

以上的粒子有點多，我們再總結一下：不可再分，不能相容的6種夸克和6種輕子統稱做費米子，它們是構成物質的主要基礎。光子是電磁力的信使粒子；膠子是強核力的信使粒子；w玻色子和z玻色子是弱核力的信使粒子。這種在費米子間傳遞力的粒子，如光子，膠子，w、z玻色子稱為規範玻色子。

這些傳輸力的粒子，已經在20世紀70年代末80年代初由德國和瑞士的加速器實驗證實和發現。物理學們把這些粒子總結成一個粒子物理的標準模型,如下圖：

關於引力，也有科學家認為，應該存在一個引力子，但是至今實驗上沒有發現引力子。引力也至今還沒有列入粒子物理標準模型中。

四種基本作用力中，引力是最微弱的。電磁斥力比引力強百億億億億億（10^42）倍。強核力比電磁力強100倍，而比弱核力強10萬倍。

希格斯玻色子

故事至此，是否就可以結束了？小心的同學這時肯定會發現，在粒子物理標準模型的最右邊還有一個希格斯玻色子。我們之所以把希格斯玻色子放到最後，是因為它是至今最後一個發現的粒子，也因為它實在是太重要了！

如果我們把費米子和規範玻色子比喻成一個個“棋子”，那希格希玻色子就是它們的“棋盤”。沒有棋盤，棋怎麼下呀？

希格斯玻色子的發現，起源於一個問題，就是玻色子中有些粒子有質量，有些就沒有，如w、z玻色子有質量，而光子卻沒有質量。而這些有質量粒子的質量又是如何來的？物理學家們於是假設，在這些粒子中應該有一個“場”，是這個場賦予了這些粒子的質量。

“場”的概念是很多現代物理學的理論框架。我們之前說過電磁場，引力也有引力場，強核力和弱核力也有它們的力場。場還可以應用於物質，叫物質場。

除了力場、物質場，那麼賦予這些粒子的質量的“場”，應該算是第3種場了，這是一個怎麼樣的場呢？我們這裡簡單的說一下它的機制。

1964年，蘇格蘭物理學家彼得.希格斯和其他科學家先後發表了相關論文，論文表明，假若將局部規範不變性理論與自發對稱性破缺的概念以某種特別方式連結在一起，則規範玻色子必然會獲得質量。後來，科學家們又得出結論，這種自發對稱性破缺的機制還會讓費米子也獲得質量。

這個機制後來就叫做希格斯機制，而假設的這個“場”也稱作希格斯場。

希格斯場充滿著整個宇宙，在宇宙大爆炸剛開始時，溫度極其的高，當時的溫度對場的影響和溫度對物質的影響是一樣的。溫度越高，場的值就會變化得越猛烈。而隨著宇宙漸漸膨脹，溫度也漸漸降低，場的波動也慢慢平息下來，當時的場值總體上也趨近於零。

然而，宇宙的溫度繼續降低到足夠低時，希格斯場又會在整個空間中凝聚成一個特別的非零場值。這種希格斯場的非零場值也是一種對稱性自發破缺。

如果希格斯場的值不為零值，而宇宙中的基本粒子與無所不在的希格斯場之間存在著相互作用，基本粒子在對抗自身速度的改變中就獲得了質量。如果基本粒子與希格斯場的相互作用很小，那它就具有很小的質量，如果相互作用很大就具有很大的質量，如果沒有相互作用則沒有質量。如光子，它可以完全不受影響的穿行於希格斯場之中，所以它沒有質量。

假如希格斯機制是正確的， 基本粒子因與希格斯場耦合而獲得質量。那麼希格斯場就應該像其它力場一樣存在著玻色子。比利時物理學家弗朗索瓦·恩格勒和英國物理學家彼得·希格斯描述了粒子物理學的標準模型，他們同時也預測了基本粒子——希格斯玻色子的存在。

於是科學家們就開始找。 如歐洲核子研究組織在瑞士建成了大型強子對撞機（LHC),它是全世界最先進的粒子加速器。它的主要研究目標之一就是證實希格斯玻色子是否存在。

大型強子對撞機（LHC)

最後希格斯玻色子真的被發現了！

2012年7月， 歐洲核子研究中心運行的大型強子對撞機通過實驗終於發現了希格斯玻色子。希格斯玻色子也成為了粒子物理標準模型的最後一塊拼圖。它被稱做“上帝粒子”。

大型強子對撞機發現的上帝粒子

目前，四個基本作用了，除了引力，物理學家們已經在理論上統一了其中三種力。電磁力和弱核力的統一已經在實驗上得到了證實。大統一理論，也是物理學家們孜孜以求的目標，如果哪個物理學家最終統一了四個基本作用力，那他的名字將與牛頓、愛因斯坦等人的名字並駕齊驅，名留千古。

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