<h1 class="pgc-h-arrow-right" data-track="1" >什么是标准模型？</h1>
宇宙是由微小的物质碎片组成的。物理学家称这些碎片为粒子。据我们所知，有许多不同类型的粒子不能进一步分解。它们是宇宙中最基本的物体。物理学家称这些基本粒子为基本粒子。你可能已经知道其中的一些，比如电子是一种基本粒子。
除此之外，这些基本粒子之间还有一种力，它们可以相互吸引或排斥。在适当的条件下，这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了一种基本的相互作用，电磁力。
那么什么是标准模型呢？你可能在科普书籍中看到过这个术语。如果没有，我将从本文的开头开始解释所有内容。物理学是关于创建"模型"的。模型通常是从一组观测值构造的数学方程。基于模型，我们使用计算来预测某物的发生或粒子的存在。
标准模型就是这样一种模型。这是一个目前描述所有已知基本粒子及其相互作用的理论。它在拉格朗日函数中编码。明确地写出标准模型并不难。它的数学框架基于相对论量子场（QFT）。正如我在之前的文章中所写的那样，量子场论是一个将抽象场转化为粒子和其他可观测量的数学框架。
当前形式的标准模型
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，对此几乎没有争议。我将在本文中讨论标准模型的历史，因为我认为它使我们更容易理解当前形式的模型。由于内容量大，本文将仅涵盖前半部分（到1950年）
<h1 class="pgc-h-arrow-right" data-track="8" >辐射和电子</h1>
标准模型涵盖了物理学中两种不同类型的重要概念。首先是粒子，是物质的基本组成部分。第二，同样重要的是互动。相互作用描述了标准模型中讨论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，重力（gravity）和电磁学。牛顿和麦克斯韦都是来自剑桥大学的数学家，他们研究了这些相互作用，对这些相互作用进行了重要的研究。月球的运动启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《电磁场动力学理论》中提出了电磁波理论。他提出光本身就是一种电磁波。他还计算了光速，电磁波的速度。光速是爱因斯坦后来用来表述狭义相对论的东西。
在这一点上，物质的"离散性"还没有被发现，甚至不清楚物质是由原子构成的。推动物理学继续下去的是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。这种形式的放射性由从不同原子的原子核发射的不同粒子组成。
他们发现了三种类型的辐射，每种辐射由不同的希腊字母α，β和γ射线表示。α射线是氦的原子核，β射线只是电子，γ是光。α和β衰变暗示引力和电磁学并不是唯一的两种类型的相互作用。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。与电磁和重力一起，强相互作用和弱相互作用描述了我们观察到的自然界的四种基本力。弱相互作用是核电池放射性发射的原因。强力负责结合夸克形成中子和质子。
J·J. Thompson用于测量电子m / e的阴极射线装置。
然后，在1897年，J.J.汤普森是第一个使用阴极射线实验测量电子性质的人之一。他计算了电荷与电子质量的比值。多年后，他的儿子利用衍射实验观察到电子行为是一种波。这个衍射实验是理解粒子可以同时像波一样移动的第一步。
<> <h1级"pgc-h-right-arrow"数据轨道""15"的质子和电子的进一步发展</h1>
即使在电子被发现之后，关于光理论还有更多的谜团需要解决。例如，光电效应和紫外线灾害表明，光表现为离散的能量包，而不是纯粹的电磁波。这些离散的能量包被称为量子，我们现在称它们为光子。
从1900年到1930年，这些观察启发了量子力学的发展。在这个过程中，爱因斯坦从理论上认为，光速就像"宇宙速度的极限"，无论它处于什么参考系中，它都是恒定的。这一观察导致了现在所谓的狭义相对论。在1905年9月发表的一篇题为"关于运动物体的电动力学"的开创性论文中。今天，这个理论是我的最爱。在无数的实验中观察到它，证明了一些奇怪的现象。长度收缩，时间膨胀，相对论性质量，普遍速度极限和质能当量等。
在20世纪初，卢瑟福，马斯登和盖格进行了一系列散射实验，产生了原子模型。散射实验是将一个粒子射入另一个粒子或材料的任何实验。这些实验证实，事实上，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是由称为质子和中子的亚原子粒子组成的。然而，目前，关于质子是什么仍然存在许多问题。
后来，在原子核中发现的粒子的情况下，数学和理论都有进一步的发展。1919年，阿斯顿发现了"整数定律"的偏差，并用同位素对其进行了解释。同位素是原子核中具有相同数量的质子和不同数量的中子的元素。整数定律是19世纪提出的一种理论，即元素的重量是氢原子的整数倍。这意味着质子作为基本粒子存在。
在那十年中，宇宙射线是通过云室发现的，这也是一个重要的实验发展。云室是一个蒸汽室，从中可以看到颗粒的轨迹。
云室图像用于证明正电子的存在，
在1920年代，博西、阿尔伯特·爱因斯坦、狄拉克和费米提出了量子统计学的概念。量子统计是一组规则，用于定义物理上不可区分的粒子在相同位置时的行为。它推测粒子分为两种类型：玻色子和费米子，这取决于它们的自旋。玻色子具有整数自旋，玻色子可以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，并遵循泡利不相容原理，该原理指出两个或多个费米子不能同时处于相同的量子态。1940年的自旋统计定理提出，所有粒子要么是玻色子，要么是费米子。
<h1 class="pgc-h-arrow-right" data-track="23" >量子场论和正电子</h1>
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。量子场论是一种数学工具，它认为自然的基本组成部分是场。字段只是一个将数字分配给空间和时间中的特定点的函数。因此，例如，温度是一个场，在空间的每个点上，都可以给出一个数字。此数字的测量单位为华氏度或摄氏度。在我们第一次构建场之后，我们将它们量化为粒子。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动力学的是狄拉克。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，狄拉克对正电子做出了这个预测。他在关于单极子的论文的引言中也提到了这一点。很快，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工作，在伦敦，布莱克特也发现了正电子。通过在云室的磁场中发现以不同方向反射的粒子来观察这一位置。
除了电子，泡利在1930年预言了中微子。查德威克在1932年发现了中子。1934年，费米提出了弱相互作用理论来解释衰变β。
<h1 class="pgc-h-arrow-right" data-track="28" >量子电动力学（1930年代至1950年代）的强相互作用和发展。</h1>
1934年，汤川英树提出了强相互作用理论。这种力的理论化旨在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，我们期望它们会相互排斥。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将核子结合在一起。这种力的强度最初是由唐川的强度来量化的，唐川是一个有争议的方程，物理学家认为它将"超过"电子磁脉冲的排斥力。
Yukawases最初用于量化将质子保持在一起的力的强度。
Tokawa提出了一种称为π介子的粒子，它是一种强相互作用的矢量介质。他计算了互动的强度。随着距离的增加，这个力急剧下降到零，因为强相互作用的范围非常短。他估计质子的质量在100MeV。有了这个质量，强烈的相互作用在短时间内很重要。
在這個預測之後，人們開始尋找質子，1936年，安德森發現了我們現在所謂的μ介子。μ介子的质量与质子相似。然而，人们很快发现，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。质子后来才被发现，它们衰变成μ介子。
在20世纪30年代，人们意识到事情变得越来越混乱，显然需要对粒子进行分类和协调。1936年，随着越来越多的粒子开始被看到，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连接到质子。
1940年代初没有取得任何进展。但事情在1947年有所好转。对于物理学来说，这是美好的一年。人们开始重新思考自然，并发现了羔羊的转变。羔羊位移最初是氢2S和2P能级之间的奇怪差异，物理学家认为这应该是相同的。然而，已经观察到能量存在细微的差异，这不能用狄拉克方程的量子力学来解释。Lamb在1947年的Lamb-Lytherford实验中首次测量了Lamb位移。
羔羊位移引发了量子电动力学研究的新浪潮。事实证明，解释这种差异的方法是真空中的量子涨落，由于数学上的差异，以前没有包括在量子场论中。然而，Schweinsteig，Feynman，Dyson和Ichiro Chao已经通过大量的积极技术克服了这一点，并成功地解释了这一现象。理论与实验的一致性是量子场论的伟大胜利。最重要的是，此时，也发现了汤川的π介子。
这是标准模型历史记录系列的第一部分，因此请继续关注下一部分。