什么是粒子？

它被认为有很多东西：一个点状物体，一个场的激发，一个切入现实的纯数学。但物理学家对粒子的概念从未像现在这样发生过更大的变化。

基本粒子是宇宙的基本物质。他们也很奇怪。

图：Ashley Mackenzie

鉴于宇宙中的一切都归结为粒子，一个问题出现了：什么是粒子？简单的答案很快就表明自己不满意。也就是说，电子、光子、夸克和其他“基本”粒子据说缺乏亚结构或物理范围。“我们基本上认为粒子是一个点状物体，”加州大学伯克利分校的粒子理论家玛丽盖拉德说，她在 1970 年代预测了两种夸克的质量。然而，粒子具有不同的特征，例如电荷和质量。无量纲点如何承受重量？“我们说它们是‘基本的’，”麻省理工学院的理论物理学家温晓刚说。“但这只是对学生说‘别问！我不知道答案。这是基本的；

对于任何其他物体，物体的属性取决于它的物理构成——最终，它的组成粒子。但这些粒子的特性并非来自它们自身的成分，而是来自数学模式。作为数学与现实之间的接触点，粒子以不确定的立足点横跨两个世界。

当我最近问十几个粒子物理学家什么是粒子时，他们给出了非常不同的描述。他们强调，他们的答案与其说是捕捉真相的不同方面，不如说是相互冲突。他们还描述了当今基础物理学中的两个主要研究方向，即追求更令人满意、包罗万象的粒子图景。

“‘什么是粒子？’ 确实是一个非常有趣的问题，”温说。“如今，在这个方向上取得了进展。我不应该说有一个统一的观点，但是有几个不同的观点，一切看起来都很有趣。”

粒子是“坍缩波函数”

了解自然的基本组成部分的探索始于古希腊哲学家德谟克利特断言这样的事情存在。两千年后，艾萨克·牛顿和克里斯蒂安·惠更斯就光是由粒子还是波构成的争论。大约 250 年后，量子力学的发现证明了这两位杰出人物都是正确的：光来自被称为光子的单个能量包，它们既表现为粒子又表现为波。

波粒二象性被证明是一种深刻的陌生感。量子力学在 1920 年代向其发现者揭示，光子和其他量子物体最好不是用粒子或波来描述，而是用抽象的“波函数”——不断演化的数学函数，表明粒子具有各种属性的概率。例如，代表电子的波函数在空间上是分散的，因此电子具有可能的位置，而不是确定的位置。但不知何故，奇怪的是，当你在场景中放置一个探测器并测量电子的位置时，它的波函数突然“坍缩”到一个点，粒子在探测器中的那个位置发出咔哒声。

Samuel Velasco/广达杂志

因此，粒子是塌缩的波函数。但这到底是什么意思？为什么观察会引起膨胀数学函数崩溃并出现具体粒子？什么决定了测量的结果？近一个世纪后，物理学家对此一无所知。

粒子是“场的量子激发”

这张照片很快变得更加陌生。在 1930 年代，物理学家意识到，许多单个光子的波函数集体表现得像在联合电场和磁场中传播的单个波——这正是詹姆斯·克拉克·麦克斯韦在 19 世纪发现的经典光图。这些研究人员发现，他们可以“量化”经典场论，限制场，使它们只能以离散量振荡，称为场的“量子”。除了光子——光的量子——保罗·狄拉克和其他人发现这个想法可以外推到电子和其他一切：根据量子场论，粒子是充满整个空间的量子场的激发。

在假设这些更基本的场存在时，量子场论剥夺了粒子的状态，将它们描述为使场晃动的仅仅是能量位。然而，尽管存在无所不在的领域的本体论包袱，量子场论成为粒子物理学的通用语言，因为它允许研究人员极其精确地计算粒子相互作用时会发生什么——粒子相互作用在基础水平上是世界组合的方式。

随着物理学家发现更多的自然粒子及其相关场，一种平行的观点得到了发展。这些粒子和场的性质似乎遵循数字模式。通过扩展这些模式，物理学家能够预测更多粒子的存在。“一旦你将观察到的模式编码到数学中，数学就是预测性的；它告诉你更多你可能观察到的东西，”斯坦福大学的退休粒子物理学家海伦奎因解释说。

Helen Quinn 在 1970 年代提出了仍然假设的“轴子场”。

这些模式还提出了一个更抽象的、可能更深入的关于粒子实际上是什么的观点。

粒子是“一个群的不可约表示”

Mark Van Raamsdonk 记得他作为普林斯顿大学研究生上第一堂量子场论课程的开始。教授走进来，看着学生们，问道：“什么是粒子？”

“庞加莱群的不可约表示，”一位早熟的同学回答道。

教授将表面上正确的定义视为常识，跳过任何解释，开始了一系列难以理解的讲座。“整个学期我都没有从课程中学到任何东西，” Van Raamsdonk说，他现在是不列颠哥伦比亚大学受人尊敬的理论物理学家。

这是知情人士的标准深度回答：粒子是“对称群”的“表示”，它们是可以对对象进行的一组变换。

以等边三角形为例。将其旋转 120 或 240 度，或将其从每个角沿线反射到另一侧的中点，或什么都不做，所有这些都使三角形看起来与以前一样。这六个对称构成一个群。该组可以表示为一组数学矩阵——数字数组，当乘以等边三角形的坐标时，返回相同的坐标。这样的一组矩阵是对称群的“表示”。

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类似地，电子、光子和其他基本粒子是在受到特定群体作用时基本保持不变的物体。也就是说，粒子是庞加莱群的表示：在时空连续体中移动的 10 种方式的群。物体可以在三个空间方向上移动或在时间上移动；它们还可以在三个方向上旋转或在任何这些方向上获得提升。1939 年，数学物理学家尤金·维格纳（Eugene Wigner ）将粒子确定为可以移动、旋转和增强的最简单的物体。

他意识到，一个物体要想在这 10 次庞加莱变换下很好地变换，它必须具有一定的最小属性集，而粒子也具有这些属性。一是能源。在内心深处，能量只是物体随时间移动时保持不变的属性。动量是物体在空间中移动时保持不变的属性。

需要第三个属性来指定粒子在空间旋转和提升（它们一起是时空旋转）的组合下如何变化。这个关键属性是“旋转”。在 Wigner 工作的时候，物理学家已经知道粒子有自旋，这是一种内在的角动量，它决定了粒子行为的许多方面，包括它们是像物质一样（像电子一样）还是像力一样（像光子一样）。新泽西州普林斯顿高级研究所的粒子物理学家Nima Arkani-Hamed说，维格纳在内心深处表明，“自旋只是粒子的一个标签，因为世界有自转。”

庞加莱群的不同表示是具有不同数量的自旋标签或受旋转影响的自由度的粒子。例如，存在具有三个自旋自由度的粒子。这些粒子以与熟悉的 3D 对象相同的方式旋转。与此同时，所有物质粒子都有两个自旋自由度，分别称为“自旋向上”和“自旋向下”，它们的旋转方式不同。如果将电子旋转 360 度，它的状态将反转，就像箭头在 2D 莫比乌斯带周围移动时，会返回指向相反的方向。

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具有 1 个和 5 个自旋标签的基本粒子也出现在自然界中。只有具有四个自旋标签的 Poincaré 群的表示似乎丢失了。

基本粒子和表示之间的对应关系非常简洁，以至于一些物理学家——比如范拉姆斯东克的教授——将它们等同起来。其他人认为这是一种混淆。“表象不是粒子；表示是描述粒子某些特性的一种方式，”诺贝尔奖获得者谢尔登·格拉肖 ( Sheldon Glashow ) 说哈佛大学和波士顿大学的理论家和名誉教授。“我们不要混淆这两者。”

'粒子有很多层'

不管有没有区别，粒子物理学和群论之间的关系在 20 世纪变得更加丰富和复杂。这些发现表明，基本粒子不仅具有导航时空所需的最少标签集；他们还有额外的，有些多余的标签。

具有相同能量、动量和自旋的粒子在 10 次庞加莱变换下表现相同，但它们可能在其他方面有所不同。例如，它们可以携带不同数量的电荷。随着“整个粒子动物园”（正如奎因所说）在 20 世纪中叶被发现，粒子之间的额外区别被揭示出来，因此需要新的标签，称为“颜色”和“味道”。

正如粒子是庞加莱群的代表一样，理论家们开始明白，它们的额外属性反映了它们可以转换的其他方式。但这些新的变换不是在时空中移动物体，而是更抽象。它们改变了粒子的“内部”状态，因为没有更好的词了。

以被称为颜色的特性为例：在 1960 年代，物理学家确定夸克是原子核的基本成分，存在于三种可能状态的概率组合中，他们将其称为“红色”、“绿色”和“蓝色”。这些状态与实际颜色或任何其他可感知的属性无关。重要的是标签的数量：夸克及其三个标签是一组称为 SU(3) 的变换的表示，它由数学上混合三个标签的无限多种方式组成。

1979 年 12 月，在他获得诺贝尔物理学奖两周后，谢尔登·格拉肖在 CERN 演讲。

带有颜色的粒子是对称群 SU(3) 的表示，而具有味道和电荷内部属性的粒子分别是对称群 SU(2) 和 U(1) 的表示。因此，粒子物理学的标准模型——所有已知基本粒子及其相互作用的量子场论——通常被认为代表对称群 SU(3) × SU(2) × U(1)，由以下所有组合组成三个子群中的对称操作。（粒子也在 Poincaré 群下变换显然太明显了，甚至无法提及。）

标准模型在其发展半个世纪后盛行。然而，这是对宇宙的不完整描述。至关重要的是，它缺少量子场论无法完全处理的引力。阿尔伯特爱因斯坦的广义相对论将引力单独描述为时空结构中的曲线。此外，标准模型的三部分 SU(3) × SU(2) × U(1) 结构提出了问题。也就是说：“这一切到底是从哪里来的？” 正如Dimitri Nanopoulos所说。“好吧，假设它有效，”德州农工大学的粒子物理学家 Nanopoulos 继续说道，他在标准模型的早期很活跃。“可是这是什么东西？这不可以在那里是三组；我的意思是，‘上帝’比这更好——引号中的上帝。”

粒子“可能是振动的弦”

在 1970 年代，Glashow、Nanopoulos 和其他人尝试将 SU(3)、SU(2) 和 U(1) 对称性拟合到单个更大的变换组中，其想法是粒子是在宇宙的开始。（随着对称性的破坏，复杂性开始出现。）这种“大统一理论”最自然的候选者是称为 SU(5) 的对称群，但实验很快就排除了这种选择。其他不那么吸引人的可能性仍在发挥作用。

研究人员对弦理论寄予了更高的希望：如果你对粒子进行足够放大，你将看到的不是点，而是一维振动的弦。您还会看到六个额外的空间维度，弦理论认为这些维度在我们熟悉的 4D 时空结构中的每个点都卷曲起来。小维度的几何决定了弦的性质，从而决定了宏观世界。粒子的“内部”对称性，如变换夸克颜色的 SU(3) 操作，获得物理意义：这些操作在弦图上映射到小空间维度上的旋转，就像自旋反映大维度上的旋转一样. “几何给你对称性给你粒子，所有这些都结合在一起，”纳诺普洛斯说。

但是，如果存在任何字符串或额外维度，它们太小而无法通过实验检测到。在他们缺席的情况下，其他想法已经开花结果。在过去的十年中，特别是两种方法吸引了当代基础物理学中最聪明的头脑。这两种方法都再次刷新了粒子的图像。

粒子是“量子比特海洋的变形”

这些研究工作中的第一项以“it-from-qubit”为口号，它表达了这样一个假设，即宇宙中的一切——所有粒子，以及这些粒子像松饼里的蓝莓一样排列的时空结构——都出现了信息的量子比特，或量子比特。量子比特是两种状态的概率组合，标记为 0 和 1。（量子比特可以存储在物理系统中，就像比特可以存储在晶体管中一样，但您可以更抽象地将它们视为信息本身。）当有多个量子比特时，他们可能的状态可能会纠缠在一起，因此每个人的状态都依赖于所有其他人的状态。通过这些偶然性，少量纠缠的量子比特可以编码大量信息。

在宇宙的量子比特概念中，如果你想了解粒子是什么，你首先必须了解时空。2010 年，it-from-qubit 阵营的成员 Van Raamsdonk 写了一篇有影响力的文章，大胆地宣布了各种计算所暗示的内容。他认为纠缠的量子比特可能会将时空结构缝合在一起。

几十年前的计算、思想实验和玩具例子表明，时空具有“全息”特性：可以在较少的维度上以自由度对时空区域的所有信息进行编码——通常是在该区域的表面上。“在过去的 10 年里，我们对这种编码的工作原理有了更多了解，”Van Raamsdonk 说。

对于这种全息关系，物理学家最惊讶和最吸引人的是，时空是弯曲的，因为它包括引力。但是，编码弯曲时空信息的低维系统是一个纯粹的量子系统，没有任何曲率、重力甚至几何形状。它可以被认为是一个纠缠的量子比特系统。

在 it-from-qubit 假设下，时空的特性——它的稳健性、它的对称性——本质上来自于 0 和 1 编织在一起的方式。长期以来对引力的量子描述的探索变成了识别编码实际宇宙中发现的特定类型时空结构的量子比特纠缠模式的问题。

到目前为止，研究人员对这一切在具有负弯曲、马鞍形时空的玩具宇宙中如何运作的了解更多——主要是因为它们相对容易使用。相比之下，我们的宇宙是正弯曲的。但令研究人员惊讶的是，每当负弯曲时空像全息图一样弹出时，粒子就会随之而来。也就是说，每当一个量子比特系统对一个时空区域进行全息编码时，总会存在与漂浮在高维世界中的局部能量比特相对应的量子比特纠缠模式。

重要的是，量子比特上的代数运算，当按照时空转换时，“表现得就像作用在粒子上的旋转一样，”Van Raamsdonk 说。“你意识到这张图片是由这个非引力量子系统编码的。不知何故，在那个代码中，如果你能解码它，它就会告诉你在其他空间中有粒子。”

他说，全息时空总是具有这些粒子状态的事实“实际上是将这些全息系统与其他量子系统区分开来的最重要的事情之一”。“我认为没有人真正理解全息模型具有这种特性的原因。”

想象量子比特具有某种空间排列来创造全息宇宙是很诱人的，就像熟悉的全息图从空间模式中投射出来一样。但事实上，量子比特的关系和相互依赖可能要抽象得多，根本没有真正的物理排列。“你不需要谈论生活在特定空间中的这些 0 和 1，”麻省理工学院的物理学家Netta Engelhardt说，他最近因计算黑洞的量子信息含量而获得了物理学新视野奖。“你可以谈论 0 和 1 的抽象存在，以及运算符如何作用于 0 和 1，这些都是更抽象的数学关系。”

显然还有更多要理解的。但是，如果从量子比特的图像是正确的，那么粒子就是全息图，就像时空一样。他们最真实的定义是在量子比特方面。

'粒子是我们在探测器中测量的'

另一个自称“振幅学家”的研究人员阵营试图将焦点重新回到粒子本身。

这些研究人员认为，量子场论，目前粒子物理学的通用语，讲述了一个过于复杂的故事。物理学家使用量子场论来计算称为散射幅度的基本公式，这是现实的一些最基本的可计算特征。当粒子碰撞时，振幅指示粒子如何变形或散射。粒子相互作用创造了世界，因此物理学家测试他们对世界的描述的方式是将他们的散射幅度公式与欧洲大型强子对撞机等实验中粒子碰撞的结果进行比较。

Nima Arkani-Hamed 研究粒子行为与几何对象之间的关系。

通常，为了计算振幅，物理学家会系统地考虑所有可能的方式，碰撞涟漪可能会在遍布宇宙的量子场中回荡，然后才能产生稳定的粒子飞离坠机地点。奇怪的是，涉及数百页代数的计算最终往往会产生一个单行公式。振幅学家认为，现场图正在掩盖更简单的数学模式。该研究的领导者 Arkani-Hamed 称量子场是“一种方便的虚构”。“在物理学中，我们经常犯一个具体化形式主义的错误，”他说。“我们开始使用这样一种语言，即量子场是真实的，而粒子是激发。我们谈论虚拟粒子，所有这些东西——但它不会在任何人的探测器中点击、点击、点击。”

振幅学家认为，粒子相互作用的数学上更简单、更真实。

在某些情况下，他们发现维格纳关于粒子的群论观点也可以扩展到描述相互作用，而无需任何通常的量子场的繁琐。

SLAC 国家加速器实验室的著名振幅学家Lance Dixon解释说，研究人员使用 Wigner 研究的 Poincaré 旋转直接推导出“三点振幅”——一个描述一个粒子分裂成两个粒子的公式。他们还表明，三点振幅是四点和更高点振幅的组成部分，涉及越来越多的粒子。这些动态相互作用似乎是从基本对称性的基础上建立起来的。

“最酷的事情，”根据 Dixon 的说法，涉及引力子（假定的引力载体）的散射幅度结果是涉及胶子（将夸克粘合在一起的粒子）的幅度的平方。我们将引力与时空本身的结构联系起来，而胶子在时空中四处移动。然而，引力子和胶子似乎来自相同的对称性。“这很奇怪，当然不能真正理解定量细节，因为图片是如此不同，”迪克森说。

与此同时， Arkani -Hamed 和他的合作者发现了全新的数学装置，可以直接找到答案，例如放大面体——一种在其体积中编码粒子散射幅度的几何物体。粒子在时空中碰撞并引发因果连锁反应的画面已经一去不复返了。“我们正试图在柏拉图的思想世界中找到这些物体，这些物体会自动给我们[因果]属性，”Arkani-Hamed 说。“然后我们可以说，'啊哈，现在我明白为什么这张图片可以被解释为进化了。'”

It-from-qubit 和幅值学以如此不同的方式处理大问题，以至于很难说这两张图片是相互补充还是相互矛盾。“归根结底，量子引力有一些数学结构，我们都在努力解决它，”恩格尔哈特说。她补充说，最终将需要引力和时空的量子理论来回答这个问题，“在最基本的尺度上，宇宙的基本组成部分是什么？” ——我的问题的更复杂的措辞，“什么是粒子？”

与此同时，恩格尔哈特说，“‘我们不知道’是简短的回答。”

1：“在我检测到它的那一刻，它使波瓦解并变成了一个粒子。……[粒子是]坍缩的波函数。” —Dimitri Nanopoulos

2：“从物理学家的角度来看，粒子是什么？这是场的量子激发。我们用一种叫做量子场论的数学来写粒子物理学。在那里，有很多不同的领域；每个场都有不同的属性和激发，它们根据属性而不同，我们可以将这些激发视为粒子。” ——海伦·奎因

3：“粒子至少可以用庞加莱群的不可约表示来描述。” — 谢尔顿·格拉肖

“自从 Wigner 关于 Poincaré 群的不可约表示的基础论文以来，物理学中一直（也许是隐含的）定义基本粒子‘是’群G的‘自然对称性’的不可约表示。’” — Yuval Ne'eman 和 Shlomo Sternberg

4：“粒子有很多层。” ——文小刚

5：“我们认为是基本粒子，但它们可能是振动的弦。” ——玛丽·盖拉德

6：“每个粒子都是量子化的波。波浪是量子比特海洋的变形。” ——文小刚

7：“粒子是我们在探测器中测量的。......我们开始滑入说这是真实的量子场，而粒子是激发的语言。我们谈论虚拟粒子，所有这些东西——但它不会在任何人的探测器中点击、点击、点击。” — Nima Arkani-Hamed

原文链接：

https://www.quantamagazine.org/what-is-a-particle-20201112/#back7