標籤: GUT

量子力學除了帶來困擾，撇開應用科學不談 (量子電腦等等)，還有那些學術貢獻呢？

在我們宇宙中有四個力：引力、電磁力、強相互作用力 (使質子不互斥) 、弱相互作用力 (使粒子衰變)。海因斯坦窮極一生之力想他們融合在同一個理論之下。

在量子電動力學 (QED)、弱電統一理論、量子色電動力學 (QCD) 中，科學家陸續發現：

• 電磁力來自交換光子 (photon)。
• 弱交互作用力是交換中間玻色子 (boson)。
• 強交互作用力是交換介子 (meson)。
  • 質子又由三個夸克 (quark) 組成，他們能黏在一起是靠交換膠子 (gluon)。

這些什麼 “子"都是幾個不同偏振的疊加態、有自旋量、質量趨近於 0 [3]。如果沒有量子物理打底，科學家不可能直接進展到這一步。當他們搞定上面三個力，拿了一堆諾貝爾獎之後，我們得到了大統一理論 (Great Unified Theory – GUT) 。除了…不合群的引力，它還是只能服從於廣義相對論。

[弦派] 1968 年，維尼基亞諾 (Gabriel Veneziano) 首先用歐拉 β 函數解釋了一些強相互作用力的問題，結果開創出了一門弦理論。舉例而言，夸克和夸克之間，如果用一根弦連起來，是不是既有波又有粒子。

不過數學上就沒有這麼容易處理，眾多科學家發現：按照這個理論，這個世界要有 26 個維度，而且還要引入超光速的迅子 (tachyon) 等等，當然這個門派的聲勢就被 QCD 給比了下去。

[超弦派] 1971 年，施瓦茨和雷蒙等人，把 26 維簡化為 10 維。引入 “超對稱"，讓每個玻色子 (自旋量是整數) 都對應一個費米子 (自旋量是半整數)。此時不但不需要靠迅子的來自圓其說，還可以用一個自旋量為 2、質量為 0 的 “引力子" 來解釋引力。

而且它還可以解釋不確定性。在這 10 維當中，有 6 維收縮得很緊，剩下三度空間和時間這四維可以觀察。若是從微觀來看，每個什麼 “子" 都是 10 維，其中有 6 維被壓縮，裡面發生擾動時，外面看到的就是不確定性。

經過學術上的競爭，據說我們一共得到了 5 個超弦理論的版本。所幸他們都有共識 ：這個世界是 10 維。However，又有人說這五個版本都是對的，我們把它們疊加在一起，就變成 11 維，這個叫做 M 理論。M 可能是指 mother，總之眾說紛紜。(p. 356~357)

[超弦/M 理論] 1996 年，施特羅明格 (Strominger) 和瓦法 (Vafa) 用它來解釋黑洞熵。霍金本來是 “弦黑"，在這之後就改變了立場；還寫了一本書《大設計》，說 M 理論是宇宙的終極設計藍圖。(p. 357)

本書就收斂在超弦理論上。

[REF]

1. 本書勘誤，p. 350，一本科全書 –> 一本百科全書。這是霍金打賭黑洞吃人不會吐骨頭的賭注。簡而言之，霍金打賭能力堪比王世堅，故他從來沒贏過，黑洞其實會吐出資訊。
2. 本書勘誤，p. 354，不停地擾 –> 不停地擾動。
3. 順便把一些數據收集如下：

總整理表：玻色子、介子、重子、費米子

類別	粒子	質量，約	自旋	偏振態／自旋態數	是否基本粒子	備註
規範玻色子	光子 $\gamma$γ	$0$0	$1$1	$2$2	是	電磁力媒介；無質量，只有兩個橫向偏振
規範玻色子	膠子 $g$g	$0$0	$1$1	$2$2 螺旋態；另有 $8$8 種色態	是	基本強作用媒介；因色禁閉不能單獨觀測
規範玻色子	$W^{+}$W+、$W^{-}$W−	約 $80.4\mathrm{G}\mathrm{e}\mathrm{V}\mathrm{/}{c}^2$80.4 GeV/c2	$1$1	$3$3	是	弱作用帶電媒介；有質量所以有縱向偏振
規範玻色子	$Z^0$Z0	約 $91.2\mathrm{G}\mathrm{e}\mathrm{V}\mathrm{/}{c}^2$91.2 GeV/c2	$1$1	$3$3	是	弱作用中性媒介
純量玻色子	希格斯玻色子 $H$H	約 $125.1\mathrm{G}\mathrm{e}\mathrm{V}\mathrm{/}{c}^2$125.1 GeV/c2	$0$0	$1$1	是	與粒子質量產生機制有關
介子	${\pi }^0$π0	約 $135\mathrm{M}\mathrm{e}\mathrm{V}\mathrm{/}{c}^2$135 MeV/c2	$0$0	$1$1	否	由夸克–反夸克組成；核力有效交換粒子之一
介子	${\pi }^{\pm }$π±	約 $139.6\mathrm{M}\mathrm{e}\mathrm{V}\mathrm{/}{c}^2$139.6 MeV/c2	$0$0	$1$1	否	帶電 pion
介子	$\rho$ρ 介子	約 $775\mathrm{M}\mathrm{e}\mathrm{V}\mathrm{/}{c}^2$775 MeV/c2	$1$1	$3$3	否	向量介子，短程核力模型常見
介子	$K$K 介子	約 $494$494 到 $498\mathrm{M}\mathrm{e}\mathrm{V}\mathrm{/}{c}^2$498 MeV/c2	$0$0	$1$1	否	含奇夸克
重子／費米子	質子 $p$p	約 $938.3\mathrm{M}\mathrm{e}\mathrm{V}\mathrm{/}{c}^2$938.3 MeV/c2	$1\mathrm{/}2$1/2	$2$2	否	由 $uud$uud 組成；是複合費米子
重子／費米子	中子 $n$n	約 $939.6\mathrm{M}\mathrm{e}\mathrm{V}\mathrm{/}{c}^2$939.6 MeV/c2	$1\mathrm{/}2$1/2	$2$2	否	由 $udd$udd 組成；是複合費米子
基本費米子／夸克	上夸克 $u$u	約 $2.2\mathrm{M}\mathrm{e}\mathrm{V}\mathrm{/}{c}^2$2.2 MeV/c2	$1\mathrm{/}2$1/2	$2$2	是	質子含兩個上夸克；另有 $3$3 種色荷
基本費米子／夸克	下夸克 $d$d	約 $4.7\mathrm{M}\mathrm{e}\mathrm{V}\mathrm{/}{c}^2$4.7 MeV/c2	$1\mathrm{/}2$1/2	$2$2	是	質子含一個下夸克；另有 $3$3 種色荷
基本費米子／夸克	奇夸克 $s$s	約 $96\mathrm{M}\mathrm{e}\mathrm{V}\mathrm{/}{c}^2$96 MeV/c2	$1\mathrm{/}2$1/2	$2$2	是	第二輕的下型夸克
基本費米子／夸克	魅夸克 $c$c	約 $1.27\mathrm{G}\mathrm{e}\mathrm{V}\mathrm{/}{c}^2$1.27 GeV/c2	$1\mathrm{/}2$1/2	$2$2	是	第二代上型夸克
基本費米子／夸克	底夸克 $b$b	約 $4.18\mathrm{G}\mathrm{e}\mathrm{V}\mathrm{/}{c}^2$4.18 GeV/c2	$1\mathrm{/}2$1/2	$2$2	是	第三代下型夸克
基本費米子／夸克	頂夸克 $t$t	約 $172.8\mathrm{G}\mathrm{e}\mathrm{V}\mathrm{/}{c}^2$172.8 GeV/c2	$1\mathrm{/}2$1/2	$2$2	是	最重的夸克
基本費米子／輕子	電子 $e^{-}$e−	約 $0.511\mathrm{M}\mathrm{e}\mathrm{V}\mathrm{/}{c}^2$0.511 MeV/c2	$1\mathrm{/}2$1/2	$2$2	是	原子外層電子；穩定帶電輕子
基本費米子／輕子	μ 子 ${\mu }^{-}$μ−	約 $105.7\mathrm{M}\mathrm{e}\mathrm{V}\mathrm{/}{c}^2$105.7 MeV/c2	$1\mathrm{/}2$1/2	$2$2	是	電子的重版本，不穩定
基本費米子／輕子	τ 子 ${\tau }^{-}$τ−	約 $1.777\mathrm{G}\mathrm{e}\mathrm{V}\mathrm{/}{c}^2$1.777 GeV/c2	$1\mathrm{/}2$1/2	$2$2	是	更重的不穩定帶電輕子
基本費米子／輕子	電子微中子 ${\nu }_e$νe​	極小，非零；小於 eV 等級	$1\mathrm{/}2$1/2	通常觀測到左手微中子、右手反微中子	是	只參與弱作用與重力
基本費米子／輕子	μ 微中子 ${\nu }_{\mu }$νμ​	極小，非零；小於 eV 等級	$1\mathrm{/}2$1/2	通常觀測到左手微中子、右手反微中子	是	有味振盪
基本費米子／輕子	τ 微中子 ${\nu }_{\tau }$ντ​	極小，非零；小於 eV 等級	$1\mathrm{/}2$1/2	通常觀測到左手微中子、右手反微中子	是	第三代微中子

標準模型的基本費米子

標準模型中有 12 種基本費米子，不含反粒子：

世代	夸克	輕子
第一代	$u,d$u,d	$e^{-},{\nu }_e$e−,νe​
第二代	$c,s$c,s	${\mu }^{-},{\nu }_{\mu }$μ−,νμ​
第三代	$t,b$t,b	${\tau }^{-},{\nu }_{\tau }$τ−,ντ​

如果包含反粒子，則每一種都有對應反粒子，例如：

• 正電子 $e^{+}$e+
• 反上夸克 $\bar{u}$uˉ
• 反電子微中子 ${\bar{\nu }}_e$νˉe​