什麼是標準模型？
宇宙是由極其微小的物質碎片組成的。物理學家把這些碎片稱為粒子。據我們所知，有許多不同型別的粒子不能被進一步分解。它們是宇宙中最基本的物體。物理學家稱這些基本物體為
基本粒子（
elementary particles
）
。你可能已經瞭解了其中的一些，比如
電子
就是一個基本粒子。
除此之外，這些基本粒子之間還存在著力，它們可以相互吸引或排斥。在適當的條件下，兩個粒子甚至可能相互湮滅，只留下能量。這些力被稱為“
相互作用
”。同樣，你可能在高中時學到過一種基本的相互作用，
電磁力
。
那麼什麼是標準模型？你可能已經在科普書籍中看到過這個術語。如果沒有，我將在本文中從頭解釋一切。
物理學是關於建立"模型"的。一個模型通常是一個數學方程，它是由一組觀察結果構建的。根據一個模型，我們透過計算來預測某些事情的發生或某個粒子的存在。
標準模型就是這樣一個模型。它是一個目前描述所有已知基本粒子及其相互作用的理論。
它被編碼在一個拉格朗日函式中。
明確地寫出標準模型並不難。其數學框架是基於相對論的量子場理論（QFT）。正如我在以前的文章中所寫的，量子場理論是一個數學框架，用於將抽象的場變成粒子和其他可觀測的量。
目前形式的標準模型
總的來說，標準模型是我們迄今為止最成功的物理理論之一，這一點沒有什麼爭議。我將在這篇文章中談及標準模型的歷史，因為我認為這使我們更容易理解目前形式的模型。由於內容太多，這篇文章將只介紹前半部分（到
1950年
）
輻射和電子
標準模型涵蓋了物理學中兩種不同型別的重要概念。第一種是粒子，物質的基本成分。第二種，也是同樣重要的，即相互作用。相互作用描述了標準模型所論述的亞原子粒子之間的力。
在20世紀之前，只有兩種已知的相互作用，即重力（引力）和電磁力。牛頓和麥克斯韋對這些相互作用進行了重要的研究，他們都是來自劍橋大學的數學家。月球的運動激發了牛頓對引力的研究，牛頓在《原理》中概述了微積分的使用。麥克斯韋在《電磁場的動態理論》中提出了關於電磁波的理論。他提出，
光本身就是一種電磁波
。他還計算了光速，也就是電磁波的速度。光速是愛因斯坦後來用來制定狹義相對論的東西。
此時，物質的“離散性”還沒有被發現，甚至還不清楚物質是由原子構成的。推動物理學繼續發展的是對不同型別輻射的發現。
1896年，瑪麗·居里和皮埃爾·居里，以及貝克勒爾和盧瑟福對放射性進行了研究。這種形式的放射性是由不同原子的原子核放射出不同的粒子。
他們發現了三種類型的輻射，每一種都由不同的希臘字母代表α、β和γ射線。α射線是氦的原子核，
β射線只是電子
，
而γ是光
。α和β衰變是一個暗示，引力和電磁力並不是唯一的兩類相互作用。我們現在知道，這些衰變分別來自
強相互作用和弱相互作用
。與電磁力和引力一起，強相互作用和弱相互作用共同描述了我們已經觀察到的自然界的四種基本力量。
弱相互作用負責核子的放射性發射
。
強作用力負責將夸克結合在一起，形成中子和質子。
J·J·湯普森用來測量電子m/e的陰極射線裝置。
此後，在1897年，J。J。湯普森是最早利用陰極射線實驗測量電子特性的人之一。他計算出了電子的電荷與質量之比。多年以後，是他的兒子利用衍射實驗觀察到電子的行為是一種波。這個衍射實驗是理解粒子可以同時像波一樣運動的第一步。
質子和電子的進一步發展
即使在發現了電子之後，關於光的理論還有更多的謎團有待解決。例如，光電效應和紫外線災難問題表明，光表現為離散的能量包，而不是純電磁波。這些離散的能量包被稱為
量子
，而我們現在把它們稱為光子。
從1900年到1930年，這些觀察結果為量子力學的發展提供了靈感。在這一過程中，愛因斯坦提出理論，認為光速就像“宇宙的速度極限”，無論在什麼參考系下，它都是恆定的。這一觀察導致了現在所知道的狹義相對論。在1905年9月發表的一篇題為《論運動物體的電動力學》的開創性論文中。今天，這個理論是我最喜歡的。它已經在無數的實驗中被觀察到，證明了一些奇怪的現象。長度收縮、時間膨脹、相對論質量、普遍的速度限制和質能等價等等。
在20世紀初
，盧瑟福、馬斯登和蓋格進行了一系列的散射實驗，由此產生了原子的模型。散射實驗是指將一個粒子射入另一個粒子或材料中的任何實驗。這些實驗證實，的確，原子的大部分正電荷都緊密地集中在其中心。我們現在知道，原子核由稱為質子和中子的亞原子粒子組成。然而，在這個時候，人們對質子是什麼仍有很多疑問。
後來，就原子核中發現的粒子而言，在數學和理論方面都有了進一步的發展。1919年，阿斯頓發現了“整數法則”的偏差，並用同位素來解釋這一點。同位素是指原子核中，質子數量相同，
中子數量不同的元素
。整數法則是19世紀提出的一個理論，即元素的重量是氫原子的整數倍。這意味著質子是作為基本粒子的存在。
在那十年裡，透過雲室發現了宇宙射線，這也是一個重要的實驗發展。雲室是蒸汽室，從中可以看到粒子的軌跡。
雲室影象被用來證明正電子的存在、
20世紀20年代，
博塞
、愛因斯坦、狄拉克和費米提出了量子統計的概念。量子統計學是一套規則，它定義了物理上難以區分的粒子在同一位置時的行為。它推測粒子被分成兩種型別：玻色子和費米子，取決於它們的自旋。
玻色子有一個整數的自旋
，玻色子可以在一起並佔據相同的能量狀態。費米子具有像1/2這樣的半整數自旋，並遵
泡利不相容原理
，
即兩個或多個費米子不能同時處於同一量子態
。1940年的自旋統計學定理提出，所有粒子不是玻色子就是費米子。
量子場理論和正電子
在這段時間裡，我們也看到了量子場論的發展，主要是海森堡和狄拉克。量子場理論是一種數學工具，它認為自然界的基本組成部分是場。
一個場只是一個函式，它將一個數字分配給空間和時間中的一個特定點。
因此，例如，溫度是一個場，在空間的每一個點，可以給出一個數字。這個數字的測量單位是華氏度或攝氏度。
在我們第一次構造場之後，我們用量子化把它們變成粒子。量子化是將場的振動解釋為粒子本身的數學過程，然後預測當粒子相互作用時會發生什麼。
保羅-狄拉克。
第一次嘗試用量子理論來描述電子的動態是狄拉克。狄拉克描述了電子，但也預測了正電子的存在（有趣的是，他最初以為是質子）。1931年，狄拉克提出了這個關於正電子的預測。他在關於單極子的論文的介紹中也提到了這一點。不久，在1932年，安德森在實驗中發現了正電子。安德森當時在加州理工學院，而在倫敦，布萊克特也發現了正電子。透過在雲室中找到在磁場中向不同方向反射的粒子，觀察到了這個位置。
除了電子，
泡利
在1930年預測了中微子。查德威克在1932年發現了中子。1934年，費米提出了弱相互作用的理論來解釋β衰變。
強相互作用和量子電動力學的發展（20世紀30年代至20世紀50年代）
1934年，
湯川秀樹
提出了強相互作用的理論。這一力的理論化是為了解釋使質子和中子等核子在原子中保持一致的力。一般來說，由於質子是帶正電的，我們預計它們會相互排斥。然而，我們從盧瑟福的實驗中知道，情況並非如此，必須有其他更強的力來將核子結合在一起。這種力的強度最初是用
湯川
勢來量化的，這是一個爭論激烈的方程式，物理學家認為它將“超過”電子磁脈衝的排斥力。
尤卡瓦勢最初被用來量化將質子固定在一起的力的強度。
湯川提出了一種被稱為
π介子
的粒子，它們是強相互作用的標量
介質
。他進行了計算，並計算了相互作用的強度。隨著距離的增加，這種力會急劇下降到零，因為強相互作用的範圍非常短。他估計質子的質量為100MeV。有了這個質量，強相互作用在很短的距離內就會非常重要。
在這一預測之後，人們開始尋找質子，並在1936年，安德森發現了我們現在稱之為μ介子的東西。μ介子的質量與質子相似。但是，很快就發現，μ介子是由弱相互作用產生的，而不是由強相互作用產生的。質子是後來才被發現的，質子會衰變成μ介子。
在20世紀30年代，人們意識到事情變得混亂，
顯然需要對粒子進行分類和調和
。1936年，人們開始看到更多的粒子，海森堡意識到，中子和質子非常相似。因此，他們認為，就像電子有兩個自旋一樣，應該有另一個內部對稱性，將中子和質子聯絡起來。
在20世紀40年代初沒有任何進展。但是，事情在1947年有所起色。那是物理學的一個奇妙的年份。人們開始重新思考自然界，並發現了
蘭姆移位
。蘭姆移位最初是氫的2S和2P的能級中的一個奇怪的差異，物理學家認為它們應該是相同的。然而，人們觀察到，在能量上存在著輕微的差異，這無法用狄拉克方程的量子力學來解釋。蘭姆在1947年的蘭姆-裡瑟福德實驗中首次測量了蘭姆位移。
蘭姆位移引發了量子電動力學的新一輪研究熱潮。事實證明，解釋這一差異的方法是真空中的量子波動，而這些波動以前由於數學中出現的分歧而沒有包括在量子場理論中。然而，施溫格、費曼、戴森和
朝永振一郎
用重正化技術克服了這一點，併成功地解釋了這一現象。理論上與實驗的一致是量子場理論的一次巨大勝利。最重要的是，在這個時候，湯川的π介子也被發現了。
這是標準模型歷史系列的第一部分，敬請關注下一篇。