《宇宙的琴弦》宇宙之弦：探索微观力与粒子

浩渺宇宙百亿年，基本力量四重天。 电磁弱强皆合一，引力独步待时鉴。 费米玻色细探究，构筑世界众生源。 标准模型揭秘深，微尘宇宙妙难言。

量子力学负责解决微观世界问题，而广义相对论则解决大质量的引力问题。当情况发生在黑洞或宇宙大爆炸等场景中，即质量巨大而体积却小到微观尺度时，需要联合广义相对论与量子力学方程来解决。但是，目前这方面的理论并未取得成功。

从基本力的角度看，宇宙有四种作用力，分别是：电磁力、弱力、强力和引力。量子力学与狭义相对论结合的量子电动力学已经获得成功，其理论可以在极高的精度下符合实验数据。这就成功完成了电磁力在量子力学情况下的完整描述。此外，科学家已经发现，在高能状态下，弱力的强度和电磁力可以被统一起来，因此有时它们会被统称为弱电力。

强力在量子力学下也有一门独立的物理学领域，被称为量子色动力学。这是因为在标准模型下，夸克具有被称为“色”的属性，而这与强力相关，因此得名“色动力学”。但需要注意的是，这里的“色”并不是指颜色。量子色动力学已经完成了对强力相互作用的描述。

物理学家还发现，随着能量的增加，强力、弱力和电磁力会展现出统一性。换言之，这三种力在宇宙大爆炸之初（当时能量极高）其实是一种相互作用。然而，随着宇宙的膨胀，温度的降低，强力首先开始表现出与其他两种力的差异。随着宇宙的持续膨胀和温度的进一步下降，弱力和电磁力也开始区分开来。直到现在的宇宙，它们已经表现为三种不同的基本作用力。

既然科学家已经完成了对这三种力的量子力学描述，那么他们自然也会尝试对引力进行量子化。然而，正如我们之前所提到的，大多数尝试都未能成功，量子引力论仍然是一门未完成的理论。

接下来我们来谈谈标准模型。标准模型可以说是量子力学对世界本质的最深刻解释。首先，它解释了组成宇宙物质的元素是什么。标准模型认为，宇宙中的所有物质都是由一类符合费米-狄拉克统计的点状粒子构成的，这类粒子被称为费米子。费米子具有自旋属性，其自旋总是半整数（例如1/2），并且它们遵守泡利不相容原理，即两个费米子不能处于相同的量子态。例如，两个动量相同的费米子不能出现在同一个地方。

电子就是一种费米子，所以元素周期表中的元素，核外电子会形成分层结构。否则所有电子都停留在同一层，那么由于电子数量过多，总会有两个电子具有相同的状态，这就违反了泡利不相容原理。正是这些形形色色的费米子按照量子力学的原理，构成了我们丰富多彩的世界。

此外，标准模型还解释了各种作用力——准确来说是三种，因为引力还未纳入标准模型——是由什么构成的。这涉及到另一类符合波色-爱因斯坦统计的点状粒子，这类粒子被称为玻色子。玻色子的特点是自旋为整数，并且它们不受泡利不相容原理的限制。这就是激光可以形成的原理，因为光子就是一种玻色子，大量的量子态相同的光子可以集中在一点，形成激光。玻色子的作用是传递基本作用力，如光子传递电磁力，胶子传递强力，W及Z玻色子传递弱力。另外需要提一句的是，虽然引力子是理论预言的一种玻色子（自旋为2），但至今实验还未能发现它。

此外，还有一种在2012年才被实验发现的玻色子，被称为希格斯玻色子（另外它还有个霸气的名字“上帝粒子”）。这种粒子能赋予其他粒子质量。这是通过一种被称为希格斯机制的物理过程实现的，这个过程属于量子场论的范畴。希格斯玻色子的自旋为0，但质量不为0。然而，关于它本身的质量如何产生的具体细节，目前仍然是一个谜。

电子、中微子，以及组成质子和中子的夸克，都属于费米子；而光子、胶子等传递基本作用力的粒子则都是玻色子。

标准模型将基本粒子分为三族，但并未解释为何是三族。并且，标准模型认为基本粒子的形状都是没有体积的点粒子，这在物理学界引起了许多讨论。在接下来的文章中，我们将探讨弦理论是如何对这些问题提出自己的观点的。