空中楼阁理论|从空中楼阁到微观世界的理论基石

空中楼阁理论（从空中楼阁到微观世界的理论基石）
撰文 | 粲先生
来源：粲先生
2012年7月4日，在欧洲核子研究中心的主报告厅里举行了一场特别的报告会。
在这场报告会上，在欧洲大型强子对撞机LHC上运行的两个实验，分别宣布了他们的最新结果：他们同时发现了希格斯粒子。
半个多世纪以前预言了希格斯粒子彼得希格斯和弗朗索瓦恩格勒也被邀请到了这场报告会的现场。
报告会的过程中，彼得希格斯被媒体拍到时时擦拭眼角。显然，这位时年83岁的老人有些激动。

被媒体拍到的正在擦拭眼角的彼得希格斯

【空中楼阁理论|从空中楼阁到微观世界的理论基石】

报告会上，两个实验的科学家们分别展示了他们最新分析到的数据，在公布最后的结果的时候，科学家激动地向上挥拳，接受听众们的欢呼，“终于，我们发现了它！”

为发现希格斯粒子而欢呼的科学家们
这是一个几乎全体粒子物理学家们期待了半个世纪的结果，几位德高望重的理论物理学家们几乎半个世纪前的研究成果终于被实验物理学家们所证实了。
为什么这个发现如此的令人激动？因为，在物理学最顶端的分支——粒子物理学几十年的发展过程中，逐渐成立了一整套理论框架，这个框架被称为粒子物理学的标准模型。而这个框架下最底层的粒子几乎都被发现了，希格斯粒子被认为是最后一个最底层的粒子，所以也被人称作是“标准模型的最后一块拼图” 。

粒子物理的标准模型
现在，目前科学家们认知中的标准模型大厦的最后一层框架也被搭建了起来。这一套粒子物理标准模型的发展，凝聚了几代人近一个世纪的心血。
泡利的疑惑如果我问你，这个世界上有多少种“力”？你可能会列举“重力，摩擦力，磁力，压力，浮力……好多好多！”但是如果要问一个现代的粒子物理学家，世界上有多少种“力”，你得到的答案一定是四种：强核力（强相互作用）、弱核力（弱相互作用）、电磁力和万有引力。那么普通人眼中的力的种类为什么和物理学家眼中的不一样呢？那是因为，除了重力来源于万有引力之外，几乎所有在生活中能感受得到的力本质上都来自于电磁相互作用力。
你可能会有疑问，那些不带电的物体产生的力为什么本质上也是来自电磁力呢？其实，像是摩擦力、压力等等看似没有电和磁参与的力，从微观层面来看，都是分子之间的相互作用，而分子之间是通过它们本身的电磁场互相影响彼此的，所以，这些宏观上不带电和磁的力，从本源上来讲其实还是电磁相互作用力。
那么，为什么我们看到的世界感受不到引力和电磁力之外的那两种力呢？强核力，弱核力，它们究竟是什么？其实，就像它们的名字所暗示的那样，强核力和弱核力的影响范围都特别短，都只能在原子核内部才能发挥作用，也都是实验物理学家们通过对放射性衰变的分析才被发现的。强核力就像是橡皮筋一样，拉住了因为带着同样的电荷而互相排斥的原子核内的粒子，而弱核力则是启动放射性衰变，以及恒星中氢聚变过程的一种力。
人类最熟悉的基本作用力是万有引力，这也是在宇宙尺度上维系星体运动的最直观的作用力。而由于上百年来电磁学以及电动力学理论的发展，特别是19世纪中叶英国物理学家麦克斯韦总结了一组描述电场、磁场与电荷密度、电流密度之间关系的偏微分方程——麦克斯韦方程组之后，人类已经对于宏观的电磁力以及它的传播子光子有了深刻的了解。在二十世纪二十年代，赫尔曼外尔在试图统一广义相对论和电磁学的时候将麦克斯韦方程组所描绘的场在数学上总结为了规范场。
这里规范场是指的满足某种规范变换不变性的物质场。举一个例子：我们熟悉的地球引力。在地球附近的引力场中举起一个苹果，那么地球引力给苹果所带来的重力势能的大小会因为零点的选择的不同而不同，因此重力势能分布就不是一个规范场。但是不论重力势能的零点如何选取，在固定位置苹果所受的重力的大小是确定的，因此重力场才是规范场。类似地，电磁场也是规范场。
然而，不同于这类能够轻易观测到宏观效应的引力和电磁力，人类对于另外两种基本作用力的认知过程则艰难得多。因为对另外两种力的研究一开始都只能在放射性衰变这样的看不见摸不着的反应中才能进行。