标准模型简史（至1950s），描述粒子及其相互作用的最好理论

什么是标准模型？‍

宇宙是由极其微小的物质碎片组成的。物理学家把这些碎片称为粒子。据我们所知，有许多不同类型的粒子不能被进一步分解。它们是宇宙中最基本的物体。物理学家称这些基本物体为基本粒子（elementary particles）。你可能已经了解了其中的一些，比如电子就是一个基本粒子。

除此之外，这些基本粒子之间还存在着力，它们可以相互吸引或排斥。在适当的条件下，两个粒子甚至可能相互湮灭，只留下能量。这些力被称为 "相互作用"。同样，你可能在高中时学到过一种基本的相互作用，电磁力。

那么什么是标准模型？你可能已经在科普书籍中看到过这个术语。如果没有，我将在本文中从头解释一切。物理学是关于创建 "模型 "的。一个模型通常是一个数学方程，它是由一组观察结果构建的。根据一个模型，我们通过计算来预测某些事情的发生或某个粒子的存在。

标准模型就是这样一个模型。它是一个目前描述所有已知基本粒子及其相互作用的理论。它被编码在一个拉格朗日函数中。明确地写出标准模型并不难。其数学框架是基于相对论的量子场理论（QFT）。正如我在以前的文章中所写的，量子场理论是一个数学框架，用于将抽象的场变成粒子和其他可观测的量。

• 目前形式的标准模型

总的来说，标准模型是我们迄今为止最成功的物理理论之一，这一点没有什么争议。我将在这篇文章中谈及标准模型的历史，因为我认为这使我们更容易理解目前形式的模型。由于内容太多，这篇文章将只介绍前半部分（到1950年）

辐射和电子‍

标准模型涵盖了物理学中两种不同类型的重要概念。第一种是粒子，物质的基本成分。第二种，也是同样重要的，即相互作用。相互作用描述了标准模型所论述的亚原子粒子之间的力。

在20世纪之前，只有两种已知的相互作用，即重力（引力）和电磁力。牛顿和麦克斯韦对这些相互作用进行了重要的研究，他们都是来自剑桥大学的数学家。月球的运动激发了牛顿对引力的研究，牛顿在《原理》中概述了微积分的使用。麦克斯韦在《电磁场的动态理论》中提出了关于电磁波的理论。他提出，光本身就是一种电磁波。他还计算了光速，也就是电磁波的速度。光速是爱因斯坦后来用来制定狭义相对论的东西。

此时，物质的 "离散性 "还没有被发现，甚至还不清楚物质是由原子构成的。推动物理学继续发展的是对不同类型辐射的发现。1896年，玛丽·居里和皮埃尔·居里，以及贝克勒尔和卢瑟福对放射性进行了研究。这种形式的放射性是由不同原子的原子核放射出不同的粒子。

他们发现了三种类型的辐射，每一种都由不同的希腊字母代表α、β和γ射线。α射线是氦的原子核，β射线只是电子，而γ是光。α和β衰变是一个暗示，引力和电磁力并不是唯一的两类相互作用。我们现在知道，这些衰变分别来自强相互作用和弱相互作用。与电磁力和引力一起，强相互作用和弱相互作用共同描述了我们已经观察到的自然界的四种基本力量。弱相互作用负责核子的放射性发射。强作用力负责将夸克结合在一起，形成中子和质子。

• J·J·汤普森用来测量电子m/e的阴极射线装置。

此后，在1897年，J.J.汤普森是最早利用阴极射线实验测量电子特性的人之一。他计算出了电子的电荷与质量之比。多年以后，是他的儿子利用衍射实验观察到电子的行为是一种波。这个衍射实验是理解粒子可以同时像波一样运动的第一步。

质子和电子的进一步发展‍

即使在发现了电子之后，关于光的理论还有更多的谜团有待解决。例如，光电效应和紫外线灾难问题表明，光表现为离散的能量包，而不是纯电磁波。这些离散的能量包被称为量子，而我们现在把它们称为光子。

从1900年到1930年，这些观察结果为量子力学的发展提供了灵感。在这一过程中，爱因斯坦提出理论，认为光速就像 "宇宙的速度极限"，无论在什么参考系下，它都是恒定的。这一观察导致了现在所知道的狭义相对论。在1905年9月发表的一篇题为《论运动物体的电动力学》的开创性论文中。今天，这个理论是我最喜欢的。它已经在无数的实验中被观察到，证明了一些奇怪的现象。长度收缩、时间膨胀、相对论质量、普遍的速度限制和质能等价等等。

在20世纪初，卢瑟福、马斯登和盖格进行了一系列的散射实验，由此产生了原子的模型。散射实验是指将一个粒子射入另一个粒子或材料中的任何实验。这些实验证实，的确，原子的大部分正电荷都紧密地集中在其中心。我们现在知道，原子核由称为质子和中子的亚原子粒子组成。然而，在这个时候，人们对质子是什么仍有很多疑问。

后来，就原子核中发现的粒子而言，在数学和理论方面都有了进一步的发展。1919年，阿斯顿发现了“整数法则”的偏差，并用同位素来解释这一点。同位素是指原子核中，质子数量相同，中子数量不同的元素。整数法则是19世纪提出的一个理论，即元素的重量是氢原子的整数倍。这意味着质子是作为基本粒子的存在。

在那十年里，通过云室发现了宇宙射线，这也是一个重要的实验发展。云室是蒸汽室，从中可以看到粒子的轨迹。

• 云室图像被用来证明正电子的存在、

20世纪20年代，博塞、爱因斯坦、狄拉克和费米提出了量子统计的概念。量子统计学是一套规则，它定义了物理上难以区分的粒子在同一位置时的行为。它推测粒子被分成两种类型：玻色子和费米子，取决于它们的自旋。玻色子有一个整数的自旋，玻色子可以在一起并占据相同的能量状态。费米子具有像1/2这样的半整数自旋，并遵泡利不相容原理，即两个或多个费米子不能同时处于同一量子态。1940年的自旋统计学定理提出，所有粒子不是玻色子就是费米子。

量子场理论和正电子‍

在这段时间里，我们也看到了量子场论的发展，主要是海森堡和狄拉克。量子场理论是一种数学工具，它认为自然界的基本组成部分是场。一个场只是一个函数，它将一个数字分配给空间和时间中的一个特定点。因此，例如，温度是一个场，在空间的每一个点，可以给出一个数字。这个数字的测量单位是华氏度或摄氏度。在我们第一次构造场之后，我们用量子化把它们变成粒子。量子化是将场的振动解释为粒子本身的数学过程，然后预测当粒子相互作用时会发生什么。

• 保罗-狄拉克。

第一次尝试用量子理论来描述电子的动态是狄拉克。狄拉克描述了电子，但也预测了正电子的存在（有趣的是，他最初以为是质子）。1931年，狄拉克提出了这个关于正电子的预测。他在关于单极子的论文的介绍中也提到了这一点。不久，在1932年， 安德森在实验中发现了正电子。安德森当时在加州理工学院，而在伦敦，布莱克特也发现了正电子。通过在云室中找到在磁场中向不同方向反射的粒子，观察到了这个位置。

除了电子，泡利在1930年预测了中微子。查德威克在1932年发现了中子。1934年，费米提出了弱相互作用的理论来解释β衰变。

强相互作用和量子电动力学的发展（20世纪30年代至20世纪50年代）‍

1934年，汤川秀树提出了强相互作用的理论。这一力的理论化是为了解释使质子和中子等核子在原子中保持一致的力。一般来说，由于质子是带正电的，我们预计它们会相互排斥。然而，我们从卢瑟福的实验中知道，情况并非如此，必须有其他更强的力来将核子结合在一起。这种力的强度最初是用汤川势来量化的，这是一个争论激烈的方程式，物理学家认为它将 "超过 "电子磁脉冲的排斥力。

尤卡瓦势最初被用来量化将质子固定在一起的力的强度。

汤川提出了一种被称为π介子的粒子，它们是强相互作用的标量介质。他进行了计算，并计算了相互作用的强度。随着距离的增加，这种力会急剧下降到零，因为强相互作用的范围非常短。他估计质子的质量为100MeV。有了这个质量，强相互作用在很短的距离内就会非常重要。

在这一预测之后，人们开始寻找质子，并在1936年，安德森发现了我们现在称之为μ介子的东西。μ介子的质量与质子相似。但是，很快就发现，μ介子是由弱相互作用产生的，而不是由强相互作用产生的。质子是后来才被发现的，质子会衰变成μ介子。

在20世纪30年代，人们意识到事情变得混乱，显然需要对粒子进行分类和调和。1936年，人们开始看到更多的粒子，海森堡意识到，中子和质子非常相似。因此，他们认为，就像电子有两个自旋一样，应该有另一个内部对称性，将中子和质子联系起来。

在20世纪40年代初没有任何进展。但是，事情在1947年有所起色。那是物理学的一个奇妙的年份。人们开始重新思考自然界，并发现了兰姆移位。兰姆移位最初是氢的2S和2P的能级中的一个奇怪的差异，物理学家认为它们应该是相同的。然而，人们观察到，在能量上存在着轻微的差异，这无法用狄拉克方程的量子力学来解释。兰姆在1947年的兰姆-里瑟福德实验中首次测量了兰姆位移。

兰姆位移引发了量子电动力学的新一轮研究热潮。事实证明，解释这一差异的方法是真空中的量子波动，而这些波动以前由于数学中出现的分歧而没有包括在量子场理论中。然而，施温格、费曼、戴森和朝永振一郎用重正化技术克服了这一点，并成功地解释了这一现象。理论上与实验的一致是量子场理论的一次巨大胜利。最重要的是，在这个时候，汤川的π介子也被发现了。

这是标准模型历史系列的第一部分，敬请关注下一篇。