物理学最大的难题是什么？大统一理论和万有理论何时实现？热议聚

　　现代物理学天空还有很多乌云，要解决这些乌云最有效的方式，就是利用现有的理论，不断填补漏洞。
　　理论越先进，就越接近突破乌云的边缘。
　　在往期的物理学乌云系列中，我只是陈述问题，不提出解决这些乌云的思路。
　　目前最有可能突破的乌云就是统一电磁力，弱力和强力的大统一理论。
　　而这期视频则是用目前最前沿的量子场论，提供物理学家利用标准模型构建大统一理论的思路。
　　文章涉及的知识量极大，涉及量子电动力学，杨米尔斯理论，量子色动力学，希格斯机制，对称性，凝聚态超导理论，大爆炸理论，文案已经最大程度通俗化了，逻辑性也早已串联到位，适合反复阅读。（文章字数太长，分三篇文章发布）
　　这是一张粒子物理的标准模型图，也可以说是人类目前为止掌握到最接近万有理论的模型了。
　　想象一下，宇宙中的自然现象包罗万象，千变万化，有超新星爆发释放的高能射线，又有黑洞合并产生的引力波，还有DNA合成的氨基酸。但从微观层面来看，宇宙中所有的现象本质上都是千篇一律的，所有的自然现象都是由物质作为载体而开展的。
　　而物质有两个最基本的属性，一个是变化属性（力），另一个是质量属性。
　　所以宇宙中所有现象都可以归纳成物质，质量，力这三个维度来解释。
　　这时候你再看标准模型，刚好就是解释这三个维度的理论。
　　截止2023年，人类已经发现了61种基本粒子，这61种基本粒子都在标准模型中，在常见的标准模型表中，只呈现了17种基本粒子，剩下的粒子主要是这些粒子的反物质，以及夸克和胶子的色荷粒子。
　　所以其他44种基本粒子没有在这张图上，主要是它们都可以通过图中这17种基本粒子延伸出来。就相当一个家庭只出一个代表就行。
　　比如夸克一共有36种，但是图中只有6种，这主要是因为夸克有两种属性，一种是“味”，一种是“色”。当然，这里的味道和颜色和生活中说的那种完全不同，这两种属性对应的是两种量子数。
　　夸克一共有6种“味”，对应的名字分布是上，下，粲，奇，顶，底。每一种味又有3种色荷，所以夸克在“味”和色荷上的区分，就变成了18种。而每一种夸克还有自己的反物质，加一起刚好就有36种夸克。
　　在这张图中，每个粒子标注了三个量，分别是质量，电荷和自旋。
　　先看看这些粒子的自旋，就会发现，这些粒子的自旋无非就是0，12，和1（绝对值），而这三个自旋值又可以分为整数和半整数两大分类。
　　左边这12种基本粒子也叫费米子，是遵守费米狄拉克统计的粒子，说直白一点，费米子的共同特点就是它们的自旋都为半整数。它们的同一作用，就是负责形成物质结构。
　　而后边这五种基本粒子的共同点就是自旋都为整数。
　　这些自旋为整数倍的粒子就是玻色子，他们遵守玻色爱因斯坦统计。
　　在五种玻色子中，其中又有四种的自旋为1，这些自旋为1的玻色子又叫规范玻色子，当然还有一种尚未发现的引力子，其自旋为2，也属于规范玻色子。
　　规范玻色子的作用就只有一个，它们不参与物质的构成，只负责费米子之间力的传导。所以规范玻色子也叫传播子。
　　这时候再看一下这幅图，左边这12种费米子负责构成物质，而右边这四种玻色子负责力的传递。费米子和规范玻色子相互打配合，共同造就了物质运动现象。
　　在标准模型图的最上面，是用希腊数字标注的一二三，这些表示一代，二代，三代。“代”指的是这些基本粒子的发现时间，最早发现的费米子就叫一代，依次类推。
　　你会发现，后一代的粒子除了质量会比前一代高很多，电荷和自旋都是一样的。所以费米子的代差，只是质量上的差别。
　　而粒子的质量越大，越容易衰变，存在的时间也就越短。所以只有第一代费米子的质量最小，最稳定，存在时间最长，也最易发现。
　　而第二代和第三代费米子由于质量较大，所以从产生到衰变只是一瞬间的事，目前只能在加速器中找到，所以很难发现，找到它们的时间也就比较晚。
　　而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，最明显的区别就是带不带电荷。带电荷就是电子家族，不带电荷就是中微子家族。
　　它们之所以叫轻子，并不是因为他们质量轻，而是因为它们都不参与强力。
　　而在标准模型图的右上面只有一种粒子，也是最晚发现的，这就是希格斯粒子，它于2013年最终被确认，希格斯粒子的自旋为0，是目前唯一发现的标量玻色子。它的主要作用就是赋予其他基本粒子以质量。
　　希格斯玻色子会给wz玻色子，电子家族以及所有夸克赋予质量
　　而中微子质量来源目前还是另一朵乌云。
　　标准模型与大统一理论
　　如果我问你，你身体的质量来自哪里？
　　你可能有点懵，你下意识可能会回答到，我自身就有质量。
　　那你自身固有的质量又来自哪里？
　　当然，这就要从微观层面入手，人体的质量来自于构成人体的所有原子的质量之和。
　　原子由核外电子和原子核构成。而原子核又由质子和中子构成，质子和中子的质量差不多是一样的，但却是电子质量的1836倍。所以原子质量的99。9都来自原子核。
　　而原子核中的质子和中子又由夸克构成，而大部分人会认为质子或中子的质量来自内部夸克质量之和，其实这种看法是错的。
　　以质子举例，质子含有两个上夸克和一个下夸克，而这三个夸克加一起能量只有9。4Mev，而质子总能量为938Mev，
　　所以夸克质量之和只占据质子质量的1，其他99的质量则来自于胶子产生强力的结合能。至于这种结合能产生的额外质量到底是怎么来的，文章接下来会讲。
　　而对于夸克自身，它的质量则来自希格斯机制！
　　在我往期的视频中，我经常说基本粒子本质上就是波，这条波可以延伸到宇宙各个角落，波上有个波包，波包在哪，我们就说粒子在哪。但是波包的概念也是比较传统的说法。
　　按照量子场论的说法，波的概念被量子场取代。每一种基本粒子本质上都是自己的量子场，比如，光子场（电磁场），电子场，夸克场
　　粒子只是自身量子场的激发，电子场激发电子，光子场激发的光子，夸克场激发的夸克。
　　标准模型中所有的基本粒子都是自己对应的量子场，这种场弥漫整个宇宙，一般情况下，这些量子场处于基态，也就是能量最低状态，由于能量的缺少，并不会激发出有质量的粒子。
　　但要注意，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的，很快就会湮灭，并将能量还给真空。这就是量子涨落，虽然每种量子场中不断产生虚粒子对，但很快就会湮灭，最后量子场的真空期望能还是为0。
　　所以不要被量子场中的量子涨落迷惑了，量子涨落这种白嫖的能量并没有什么卵用。
　　量子场要想在不白嫖的情况下，就能激发出粒子，就得获取能量。
　　这种能量必须从非真空的外界摄入，也就是和其他量子场相互作用。
　　而大部分粒子会和希格斯场相互作用，也就是由希格斯场提供能量，比如夸克场与希格斯场作用后，会吸收能量，从而激发出夸克，但是要注意，这种吸收能量的数值是间隔的，并不是连续的，也就是说夸克场和希格斯场作用的时候，吸收的能量只能是激发整数个夸克所需的能量，假设一个夸克的能量为A，那夸克场吸收的能量只能是1A，2A，3A，不可能存在0。5A，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，那么这种所谓的“基本粒子”就是一定还存在内部结构。
　　正是由于夸克场和希格斯场作用，所以才获得了能量，而能量又等价于质量，所以夸克就拥有了质量。但是并不是所有基本粒子都会和希格斯场作用。比如光子场，胶子场就没有和希格斯场相互作用，所以它们的没有固有质量。
　　而关于希格斯机制为什么会赋予基本粒子质量，则暗示着大统一理论的线索。
　　刚才已经讲过了，粒子只是各自量子场的激发，虽然量子场会产生量子涨落好像创造了能量，但是这是无效能量。
　　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，所以每一种量子场的期望值起初都为0，你可以直白理解成量子场起初的能量都为0，期望值为0就意味着，量子场要激发出有静止质量的粒子，就需要和其他量子场作用获取能量。
　　而如果所有量子场的期望值都为0，那量子场就无法从任何其他量子场中获取能量。
　　就好像这61种基本粒子都是穷鬼，如果要想借钱花（激发有质量粒子），必须傍一个大款才行。这时候希格斯场就发挥这个大款的作用。
　　那为什么希格斯场就可以拥有能量？它的能量哪来的？
　　希格斯场自带能量就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，对称性是很抽象的概念，而这东西本质上也无法用二维图像呈现出来。比如强力的su3对称性涉及8个维度，这根本就无法科普。
　　一般情况下，科普视频中的对称性都是找一些对称性图案比喻。
　　但要注意，这种科普绝对不是真实情况，比如生活中三原色合成白色也是一种对称性。对称性严格来说，就是物理属性遵守一种还原和合成的一致性。
　　这种抽象概念无法具象呈现，所以视频中的图案比喻也是妥协后的无奈之举。
　　所以接下来讲到的对称性，自己大概想想就是那么回事就行了，绝对不是动画演绎的那样，千万不要对号入座。
　　对于基本粒子内在的对称性而言，可以想象几乎所有基本粒子都处于图形中间，这是符合对称性的。
　　而只有希格斯粒子会掉落到一旁，这就导致希格斯场的对称性自发遭到破坏，类似于结构决定性质。对称性的结构一旦遭到破坏，那么在性质上就导致希格斯场的期望值不为0，这就导致希格斯场拥有能量。所以其他量子场再和希格斯场作用的时候就会获得能量，能量又等价于质量，从而激发出有质量的粒子。
　　而光子场由于没和希格斯场作用，所以光子没有获得质量，那么光子场（电磁场）就不需要借助外部能量，就可以肆无忌惮的激发出光子，所以光子的激发成本为0。
　　讲到这里，就刚好科普一下超导现象。
　　我们知道电子在线路运动会产生能量损耗。
　　这种损耗主要有两种
　　第一种就是电阻，这个可以通过极低温解决。
　　而另一种能量损耗就是电磁场会激发出光子，辐射部分能量。
　　对于第二种能量损耗来说，假设存在一种可以让光子被类似希格斯场的机制赋予质量，那电磁场就不会肆无忌惮激发光子了，因为光子一旦拥有了静质量，激发的门槛就存在了，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库珀玻色场，这也就是BCS超导理论研究的范畴了！
　　希格斯机制与大统一理论
　　现在我们知道，电磁力，弱力和强力都来自高度统一的对称性。这种对称性来自于规范场理论。
　　电磁力的传播子只有一种，也就是光子，所以电磁力的U1对称就像是一维的圆对称。当然一维圆无法用动画呈现，所以我们画成二维的。
　　弱力的传播子有三种玻色子，分别是正负w玻色子和z玻色子。（要注意w玻色子是正反粒子对，而z玻色子反粒子是自身）。
　　所以弱力的SU2对称就像是一个3维球体。
　　而强力的传播子虽然只有胶子，但是胶子携带8种色荷（涉及混搭色荷，超纲了），所以就有8种胶子充当强力的传播子，于是强力的SU3对称性就像是一种8维球体。
　　而u1，su2，su3对称的理论来源就是杨振宁和米尔斯于1954年提出的杨米尔斯理论，这是一种基于SUn（n）群论的规范场论。
　　现在我们知道，除去引力，其他三种力在对称性上高度统一。
　　但是这种对称性要求传播子的质量也必须为0，质量不为0就会打破这种对称性。
　　而负责传递弱力的w和z玻色子却具有质量。这就严重破坏了规范场论的对称性。
　　在没有发现希格斯机制之前，物理学家搞不懂w和z玻色子的质量到底是怎么来的。
　　而且弱力和电磁力表现形式完全不同。电磁力明显是一种长程力。
　　而弱力的传播范围只有质子的千分之一，作用范围连原子核都突破不了。
　　之所以会这样，主要是因为传递弱力的传播子具有静止质量。
　　根据不确定性原理的推导，传播子存在的时间t符合这一公式
　　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，就会发现他们存在的时间极短，结合他们的速度，就能算出，W和z波色子的作用范围在10的负18次方米作用。这大概相当于一个质子长度的千分之一。
　　所以在当时，如果规范场论搞不清w和z玻色子的质量来源，电弱统一就难以完成。
　　如果想要继续在规范场理论的框架下统一电弱力，则必须假定，W和z玻色子起初是不带质量的，带质量只是后天其他因素导致的。
　　所以寻找给W和Z玻色子赋予质量的额外机制就变成了当务之急。
　　直到1967年，希格斯机制被提出来三年之后，温伯格，格拉肖以及阿卜杜勒首先应用希格斯机制来扫清了困扰弱电统一的过程中，w和z玻色子的质量问题，最终完成电弱理论。
　　电弱理论的成功，也是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作祟。
　　只有当希格斯机制失效的时候，w和z玻色子就无法获得质量，所以弱力和电磁力必然在表现形式上都会完全一样。这时弱力的传播子也会变成光速，并且像电磁力一样，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缺导致希格斯场的真空期望值不为0，从而获得能量。如果想要希格斯机制失效，就得让希格斯场的对称性不破缺。
　　而希格斯场破不破缺完全取决于温度，在宇宙诞生的早期，温度极高，希格斯机制就无法破缺，这时候希格斯机制就会失效。所以在温度极高的时候，弱力的传播子就无法通过希格斯机制获得质量。所以弱力和电磁力就完全是一样的。
　　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制造出这一量级的能量，所以在粒子对撞机中，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，如果电弱理论再统一强力，那就晋升成了大统一理论。
　　所以接下来标准模型需要完成强力的统一。统一强力的思路和电弱力的统一过程是一样的。
　　首先，强力的传播子是胶子，静止质量为0，以光速运动。这两点和电磁力是一样，唯一不同的是，强力的传播子被锁死到夸克之间了，无法脱离夸克。这就是夸克禁闭效应。并且夸克之间距离越远，强力越强，距离越近，强力反而越弱，所以夸克之间距离越近反而变得越自由。这样的现象就是渐近自由。
　　所以现在统一强力的唯一问题就是让强力的传播子突破夸克，变成和电磁力一样的长程力。
　　我们知道构成质子和中子的一般是三个夸克，这三个夸克由胶子以光速运动的形式拉拢在一起，主要起色荷中和的作用。
　　每一个夸克带不同的色荷，夸克的色荷可以理解成红绿蓝，夸克一共36种，其组合方式有很多，但不管怎么组合，必须保持色中和，就和三原色中和成白色一样。色荷只是夸克的一种抽象概念，夸克没有颜色，只是这种组合形式很类似三原色，所以才如此比喻。
　　夸克色荷中和有两种形式，但不管如何都得保证是白色，比如三个夸克在一起，那这时候必须分别是红，绿，蓝。如果两个夸克组合在一起，那另一个必须是反色，也就是反物质。比如，红夸克可以和反红夸克中和，这样也可以中和成白色。
　　除了夸克带色荷，胶子也带色荷，胶子的色荷也在夸克之间不断传递，负责维持色荷平衡。
　　要注意，真实色荷平衡是动态过程，远没有我说的三原色那么简单。大家了解一下，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，所以研究夸克的理论也就被称为量子色动力学。
　　胶子由于色荷平衡的需要就被困在夸克之间。而夸克无法单独脱离出来，也可以理解成，脱离胶子的夸克就无法找到色中荷对象了，所以只能束缚在一起。
　　抱着大力出奇迹的理念。如果加大能量不断撞击夸克，还就不信把胶子撞不出来。
　　事实上，还真就可以撞出来，但是撞开夸克的能量必须达到刚好可以变成新的夸克才行。所以撞击的结果就是，夸克撞开了，但是这些能量瞬间就会形成正反夸克对，这两个夸克的颜色就是正反色组合，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。
　　这时候你可能会问，正反夸克在一起难道不会湮灭吗？
　　其实一般情况下，正反物质在一起肯定会湮灭。
　　但是介子中的正反夸克不会湮灭，这主要是就涉及手性对称性，就和左右手对称一样。
　　假设正夸克手性是左手性，那么反夸克就是右手性。如果手性对称成立，那么正反夸克就会湮灭。而一旦手性遭到破坏，正反夸克就不会湮灭，而胶子由于色中荷需要，就会将正反夸克拉拢在一起，这就在夸克之间产生了结合能。
　　其实夸克手性对称破缺不仅存在于正反夸克对构成的介子中，还存在质子和中子中，这种手性自发对称性破缺就在夸克之间产生了结合能，这种结合能也构成了质子和中子质量的99
　　所以在由明物质构成的宇宙中，由希格斯机制对称性破缺创造的质量之只占据总质量的1。而剩下99的质量则由手性破缺引起。
　　事实上，胶子无法脱离夸克，色中和只是表象原因，本质原因是手性破缺创造的结合能束缚住了胶子。
　　根据标准模型的预测，手性对称性破缺不破缺依旧取决于温度。
　　目前的预测认为，如果能量在1015Gev以上，那么手性对称性就不会被破坏，那么夸克之间就不会被胶子拉拢住，夸克禁闭和渐进自由就会失效，胶子就会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粒子对撞机机的1000亿倍。
　　如果没有其他实验方式验证大统一理论，这实验几乎无法完成。
　　而对于引力来说，先找到引力子再说吧。假设找到引力子了，如果要想验证电磁力，弱力，强力和引力的统一性，那需要的能量得达到1019Gev，这一能量也就是普朗克能量。
　　其实，建造可以达到普朗克能量的对撞机也不难，只需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，就直接可以完成万有理论了！
　　事实上，四种作用力的统一主要是寻找他们的内在一致性。
　　而这种一致性貌似都取决于能量，能量越高，四种作用力越趋近相同。
　　直到达到能量的极限，所有基本粒子以及所有作用力都趋于同一事物。
　　从这个层面来看，大爆炸理论还是比较可靠的。
　　宇宙爆炸之初，温度最高，万物归一。
　　随着温度的降低，各种对称性开始自发破缺，才导致基本粒子出现差异，并且分化出不同的作用力。
　　所以按照大爆炸理论的反向推理，人类完成万有理论还是十分有希望的。
　　但这依旧只是猜想，自然规律神奇的是，用过往的理论预测未来，往往会发现更多的未知项，最后的结果反而事与愿违。
　　最后还是那句话，已知圈越大，未知圈就更大。