什么是粒子？

鉴于宇宙中的一切都归结为粒子，一个问题就出现了：什么是粒子？

这个简单的答案很快就会显示出它自己并不令人满意。也就是说，电子、光子、夸克和其他“基本”粒子被认为缺乏子结构或物理范围。加州大学伯克利分校(University of California，Berkeley)粒子理论家玛丽·盖拉德(Mary Gaillard)说：“我们基本上认为粒子是点状物体。”盖拉德曾在20世纪70年代预测过两种夸克的质量。然而，粒子有不同的特性，比如电荷和质量。一个无量纲的点怎么能承受重量呢？

麻省理工学院(Massachusetts Institute Of Technology)的理论物理学家温晓刚(音译)说：“我们说它们是‘根本’的。”“但这只是对学生说，‘不要问！’我不知道答案。这是最基本的，不要再问了。‘“。

对于任何其他对象，对象的属性取决于其物理组成-最终取决于其组成粒子。但这些粒子的性质不是来自它们自身的成分，而是来自数学模式。作为数学和现实之间的接触点，粒子以不确定的立足点跨越了这两个世界。

最近，当我问十几位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，与其说他们的答案相互矛盾，不如说他们抓住了真相的不同方面。他们还描述了当今基础物理学的两个主要研究项目，这两个项目正在追求一幅更令人满意、包罗万象的粒子图景。

“‘粒子是什么？’这确实是一个非常有趣的问题。他说：“如今，在这个方向上已经取得了进展。我不应该说有一个统一的观点，但有几种不同的观点，看起来都很有趣。“。

理解自然界的基本构件的探索始于古希腊哲学家德莫克里特断言这些东西是存在的。两千年后，艾萨克·牛顿和克里斯蒂安·惠更斯争论光是由粒子还是波构成的。大约250年后，量子力学的发现证明了这两个发光体都是正确的：光是以单独的能量包形式出现的，这种能量包被称为光子，它的行为既像粒子又像波。

波粒二元性被证明是一种深刻陌生感的症状。量子力学在20世纪20年代向发现者揭示，光子和其他量子物体最好的描述不是粒子或波，而是抽象的“波函数”--演化出的数学函数，表明粒子具有各种属性的概率。比方说，代表一个电子的波函数在空间上是展开的，因此该电子有可能的位置，而不是一个确定的位置。但不知何故，奇怪的是，当你把探测器放在场景中并测量电子的位置时，它的波函数突然“坍塌”到一个点，粒子在探测器的那个位置发出咔哒声。

因此，粒子是一种坍塌的波函数。但这到底意味着什么呢？为什么观察会导致膨胀的数学函数坍塌，并出现一个具体的粒子？是什么决定了测量的结果呢？近一个世纪过去了，物理学家对此一无所知。

这张照片很快就变得更加奇怪了。在20世纪30年代，物理学家们意识到，许多单个光子的波函数的整体行为就像一个波在相连的电场和磁场中传播--这正是詹姆斯·克莱克·麦克斯韦尔(James Clerk Maxwell)在19世纪发现的经典光图像。这些研究人员发现，他们可以“量化”经典的场论，限制场，使其只能以离散的量振荡，即所谓的场的“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的存在时，量子场论剥夺了粒子的状态，将它们描述为仅仅是让场晃动的少量能量。然而，尽管存在无处不在的场的本体论包袱，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以极高的精度计算粒子相互作用时会发生什么-粒子相互作用在基本面上是世界组成的方式。

随着物理学家发现了更多的自然界粒子及其相关领域，一种平行的视角出现了。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。斯坦福大学(Stanford University)退休粒子物理学家海伦·奎恩(Helen Quinn)解释说：“一旦你将观察到的模式编码到数学中，数学就是预测性的；它会告诉你更多你可能观察到的东西。”这些图案还暗示了对粒子实际是什么的更抽象和潜在更深层次的看法。

马克·范·拉姆斯东克(Mark Van Raamsdonk)还记得他在普林斯顿大学(Princeton University)读研究生时上的第一堂量子场论课的开始。教授走了进来，看着学生们，问道：“什么是粒子？”

这位教授把看似正确的定义视为常识，跳过任何解释，开始了一系列令人费解的演讲。“整个学期我都没有从这门课程中学到任何东西，”范·拉姆斯东克说。他现在是不列颠哥伦比亚大学(University Of British Columbia)一位受人尊敬的理论物理学家。

这是知情者的标准深度回答：粒子是“对称群”的“表示”，对称群是可以对物体进行变换的集合。

以等边三角形为例。将其旋转120度或240度，或将其反射到从每个角到另一侧中点的直线上，或者什么都不做，这些都会使三角形看起来与以前一样。这六个对称构成了一个群。该组可以表示为一组数学矩阵--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”。

类似地，电子、光子和其他基本粒子在受到特定群体的作用时本质上保持不变。也就是说，粒子是庞卡莱群(Poincarégroup)的代表，庞卡莱群是在时空连续体中移动的10种方式的集合。物体可以在三个空间方向上移动，也可以在时间上移动；它们也可以在三个方向上旋转，或者在其中任何一个方向上接受助推。1939年，数学物理学家尤金·维格纳(Eugene Wigner)认为粒子是最简单的物体，可以移动、旋转和提升。

他意识到，一个物体要想在这10个庞加莱变换下很好地变换，它必须有一定的最小属性集，而粒子也有这些属性。一个是能源。在内心深处，能量仅仅是当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特性。

需要第三个属性来指定粒子在空间旋转和助推(加在一起是时空中的旋转)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，这是一种固有的角动量，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)还是作用力(像光子)。威格纳指出，在内心深处，“自旋只是粒子的标签，因为地球是有旋转的，”新泽西州普林斯顿高级研究所(Institute For Advanced Study)的粒子物理学家尼玛·阿尔卡尼-哈米德(Nima Arkani-Hamed)说。

Poincaré群的不同表示是具有不同数量的自旋标号或受旋转影响的自由度的粒子。例如，有三个自旋自由度的粒子。这些粒子的旋转方式与熟悉的3D对象相同。与此同时，所有物质粒子都有两个自旋自由度，绰号为“自旋向上”和“自旋向下”，旋转方式不同。如果你将一个电子旋转360度，它的状态就会反转，就像一个箭头在2D莫比乌斯带周围移动时，会回到相反的方向。

自然界中也出现了带有一个和五个自旋标记的基本粒子。似乎只缺少带有四个自旋标号的庞加莱群的表示。

基本粒子和表象之间的对应是如此整齐，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。其他人则认为这是一种混搭。诺贝尔奖获得者、哈佛大学(Harvard University)和波士顿大学(Boston University)荣休教授谢尔登·格拉肖(Sheldon Glashow)说，“这个表象不是粒子；表象是描述粒子某些性质的一种方式。”“我们不要把两者混为一谈。”

不管有没有区别，粒子物理学和群论之间的关系在20世纪期间变得更加丰富和复杂。这些发现表明，基本粒子不仅拥有穿越时空所需的最小标签集，它们还拥有额外的、多少有些多余的标签。

具有相同能量、动量和自旋的粒子在10个Poincaré变换下的行为是相同的，但它们可以在其他方面有所不同。例如，它们可以携带不同数量的电荷。20世纪中期，随着“整个粒子动物园”(Quinn所说)的发现，粒子之间的额外区别被揭示出来，因此有必要给粒子贴上新的标签，称为“颜色”和“味道”。

正如粒子是Poincaré群的代表一样，理论家们逐渐认识到，粒子的额外性质反映了它们可以被变换的其他方式。但是，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，因为没有更好的词语。

以被称为颜色的属性为例：20世纪60年代，物理学家确定夸克(原子核的基本成分)以三种可能状态的概率组合存在，他们将这三种状态昵称为“红”、“绿”和“蓝”。这些状态与实际颜色或任何其他可感知属性无关。重要的是标号的数量：夸克和它们的三个标号是一组称为SU(3)的变换的表示，SU(3)由无穷多种数学混合这三个标号的方法组成。

有色粒子是对称群SU(3)的表示，具有香料和电荷内在性的粒子分别是对称群SU(2)和U(1)的表示。因此，粒子物理的标准模型-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)，由三个子群中对称运算的所有组合组成。(粒子在庞加莱群下也会发生变化，这显然太明显了，甚至不便提及。)。

标准模型在其发展半个世纪后占据了统治地位。然而，这是对宇宙的不完整描述。最重要的是，它没有引力，这是量子场论不能完全处理的。阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)的广义相对论将重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)结构也提出了质疑。也就是说：“这一切该死的是从哪里来的？”正如迪米特里·纳诺普洛斯(Dimitri Nanopoulos)所说。德州农工大学粒子物理学家纳诺普洛斯继续说：“好吧，如果它能用的话。”纳诺普洛斯在标准模型的早期非常活跃。“但这是什么东西呢？”不可能有三组；我的意思是，‘上帝’比这更好--引号中的上帝。“。

在20世纪70年代，格拉斯豪、纳诺普洛斯和其他人试图将SU(3)、SU(2)和U(1)对称性拟合到一个更大的变换群中，他们的想法是粒子是宇宙开始时单一对称群的表示。(随着对称性的破坏，复杂的情况开始出现。)。这种“大统一理论”最自然的候选者是一个叫做SU(5)的对称群，但实验很快就排除了这个选项。其他不那么有吸引力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的放大，你会看到的不是点，而是一维的振动弦。你还会看到六个额外的空间维度，弦理论认为它们在我们熟悉的4D时空结构中的每一点都卷曲在一起。小维度的几何形状决定了弦的性质，从而决定了宏观世界。粒子的“内部”对称性，就像变换夸克颜色的SU(3)操作一样，获得了物理意义：这些操作在弦图中映射到小空间维度的旋转上，就像自旋反映大维度的旋转一样。纳诺普洛斯说：“几何学给了你对称性，给了你粒子，所有这些都结合在一起，”纳诺普洛斯说。

然而，如果有任何弦或额外的维度存在，它们太小了，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。在过去的十年里，有两种方法尤其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景。

第一项研究的口号是“来自量子比特(it-from-qubit)”，它表达了一种假设，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坚固的时空结构--都来自于量子信息比特(Qubit)。量子位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，但你可以更抽象地认为它们是信息本身。)。当存在多个量子比特时，它们可能的状态可能会纠缠在一起，因此每个量子比特的状态取决于其他所有量子比特的状态。通过这些偶然性事件，少量的纠缠量子比特就可以对大量信息进行编码。

在量子比特的宇宙概念中，如果你想了解粒子是什么，你首先必须了解时空。2010年，来自量子比特阵营的范·拉姆斯东克(Van Raamsdonk)写了一篇有影响力的文章，大胆地宣布了各种计算结果。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、思维实验和玩具样例表明，时空具有“全息”性质：可以在一个较少的维度(通常是在该区域的表面)以更少的自由度对有关时空区域的所有信息进行编码。范拉姆斯东克说：“在过去的10年里，我们对这种编码方式有了更多的了解。”

对物理学家来说，这种全息关系最令人惊讶和着迷的是，时空是弯曲的，因为它包含了重力。但是，编码关于弯曲时空的信息的低维系统是一个纯粹的量子系统，它没有任何曲率感、重力，甚至是几何学。它可以被认为是一个纠缠的量子比特系统。

在量子比特假设下，时空的特性--它的健壮性、对称性--本质上来自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量子纠缠模式的问题，这种模式编码了在实际宇宙中发现的特殊类型的时空结构。

到目前为止，研究人员对这一切是如何在具有负弯曲、马鞍形时空的玩具宇宙中工作的了解更多--主要是因为它们相对容易操作。相比之下，我们的宇宙是正弯曲的。但研究人员发现，令他们惊讶的是，每当负弯曲的时空像全息图一样突然出现时，粒子就会随之而来。也就是说，每当量子比特系统全息编码一个时空区域时，总会有与漂浮在高维世界中的局域能量比特相对应的量子比特纠缠图案。

范拉姆斯东克说，重要的是，对量子比特的代数运算，当转换成时空时，“就像作用于粒子的旋转一样”。“你知道这张照片是由这个非引力量子系统编码的。不知何故，在这个代码中，如果你能破译它，它就会告诉你，在其他空间里有粒子。“。

他说，全息时空总是有这些粒子态，这一事实“实际上是使这些全息系统有别于其他量子系统的最重要的事情之一”。“我认为没有人真正理解全息模型拥有这一属性的原因.”

人们很容易想象量子比特具有某种空间排列，创造了全息宇宙，就像熟悉的全息图从空间模式投射一样。但事实上，量子比特之间的关系和相互依赖可能要抽象得多，根本没有真正的物理安排。麻省理工学院(MIT)物理学家内塔·恩格尔哈特(Netta Engelhardt)最近因计算黑洞的量子信息含量而获得新地平线物理学奖(New Horizons In Physical Award)。她说：“你不必谈论生活在特定空间的这些0和1。”“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。”

显然还有更多需要理解的地方。但如果量子比特的图片是正确的，那么粒子就是全息图，就像时空一样。他们最真实的定义是量子比特。

另一群自称“光谱学家”的研究人员试图将聚光灯放回粒子本身。

这些研究人员认为，量子场论--当前粒子物理学的通用语言--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被称为散射振幅的基本公式，这是现实中一些最基本的可计算特征。粒子碰撞时，振幅指示粒子可能如何变形或散射。粒子相互作用创造了世界，因此物理学家检验他们对世界的描述的方法是将他们的散射幅度公式与欧洲大型强子对撞机(Large Hadron Collider)等实验中粒子碰撞的结果进行比较。