当代物理学的前沿问题

物质结构是当代物理学研究的前沿热点，围绕物质结构基本单元的问题，存在似近代光的 “微粒说”和 “波动说”之争那样的两种理论—— “标准模型理论”和 “弦理论”。

一、标准模型理论——寻找 “上帝粒子”

古人说：“一尺之棰，日取其半，万世不竭。”[1]说的是物质的无限可分性，即认为无论物质多么微小，还有比这更微小的——至小无内。如果从哲学角度说，这种说法没有问题。但从物理学角度来看，是不是这样呢？当代粒子物理学有关物质结构提出的 “标准模型”给出了否定的回答。

20世纪前，人们认为物质的最小单元是原子。但是，20世纪初一系列科学发现表明，原子不是最小的单元，原子里面还可以分为原子核和绕核运动的电子。再对原子核进行研究，发现组成原子核的是质子和中子。因此，原子是由质子、中子和电子组成的，物理学家把这些粒子称为基本粒子。

那么，在原子里就只有这么些基本粒子了吗？

物理学家对物质结构进行了更多的深入研究，陆续发现了数百种基本粒子。看起来，原先认为的 “基本单元”里面还有更基本的 “基本单元”。所以，有些物理学家认为物质可以无限地分割下去。

但是，大多数基本粒子是不稳定的，它们的寿命很短，极容易转化为其他基本粒子。如果把这些基本粒子分类，可分为轻子和强子。轻子类粒子有电子、中微子，它们的数目比较少；而绝大多数的基本粒子都属于强子，包括质子和中子。那么质子和中子还有更小的结构吗？

首先提出强子有结构的是美国科学家盖尔曼，他认为强子是由 “夸克”构成的，即强子由3种夸克构成。此论一出，引起众多物理学家对 “夸克模型”的兴趣。此后，有关粒子物理学的研究成果被整合总结成为了 “标准模型”理论。

标准模型把基本粒子分为夸克、轻子和玻色子3大类，并预言了62种基本粒子的存在。该模型还用这些基本粒子将自然界中除引力 （重力）外的电磁力、强相互作用力和弱相互作用力这三种力完成了统一描述，此即大统一理论。随着实验物理学家把加速器越造越大，标准模型预言的未知粒子全都在实验中现身，只有最重要的希格斯玻色子仍然 “在逃”。

希格斯玻色子被认为是整个标准模型的基石。在它被预言之前，标准模型有一个致命缺陷——它所演绎出的世界里没有质量。直到1964年，英国科学家彼得·希格斯提出了希格斯场的存在，并假设希格斯玻色子是物质的质量之源，标准模型才得以自圆其说。正因为其重要性，希格斯玻色子又被称作 “上帝粒子”。

根据希格斯的理论，希格斯玻色子是其他粒子形成质量的基础。它们在希格斯玻色子构成的 “海洋”中游弋，受其作用而产生惯性，最终才有了质量。尔后所有的粒子在除引力外的另三种力的框架中相互作用，统一于 “标准模型”之下，构筑成大千世界。由于希格斯玻色子是最后一种未被发现的基本粒子，对完善粒子物理学理论 “大厦”有重要意义。一旦它被证伪，“标准模型”理论 “大厦将倾”。

长期以来，物理学家一直试图揭开希格斯玻色子的 “面纱”。大型强子对撞机，正是物理学家为寻找 “上帝粒子”所做的最新尝试。2012年7月4日，欧洲原子核研究委员会的科学家宣称发现了 “上帝粒子”希格斯玻色子，不过还在等待进一步的证明。

“标准模型”理论无疑是成功的，有关该理论的研究成果已造就了多位诺贝尔奖获得者。它隶属于量子场论的范畴，并与量子力学及狭义相对论相容。但是标准模型还不是一套万有理论，主要是因为：首先，它并没有描述到引力；其次，模型中包含了太多自定的参数，如各粒子的质量，而这些参数不应该只从计算中得出，最终应由实验决定。

二、弦理论

弦理论，即弦论，是理论物理学上的一门学说。弦理论的一个基本观点就是：自然界的基本单元不是电子、光子、中微子和夸克之类的粒子，这些看起来像粒子的东西实际上都是很小很小的弦的闭合圈 （称为闭合弦或闭弦），闭弦的不同振动和运动会产生出各种不同的基本粒子。弦理论是现在最有希望将自然界的基本粒子和四种相互作用力统一起来的理论。

在弦理论中，基本对象不是占据空间单独一点的基本粒子，而是一维的弦。这些弦可以有端点，或者他们可以自己连接成一个闭合圈环。正如小提琴上的弦，弦理论中支持一定的振荡模式，或者共振频率，其波长准确地配合。因此，如果说标准模型理论是一种微粒模型的话，弦理论就是一种波动模型，这是不是与近代关于光的本质的 “微粒说”与 “波动说”间的关系很类似？

虽然弦理论最开始是要解出强相互作用力的作用模式，但是后来的研究则发现了所有的最基本粒子，包含正反夸克、正反电子、正反中微子等，以及四种基本作用力 “粒子” （强、弱作用力粒子，电磁力粒子，以及重力粒子），都是由一小段不停抖动的能量弦线所构成。而各种粒子彼此之间的差异，只是这弦线抖动的方式和形状的不同而已。

需要说明的是，“弦理论”这一用词所指的，原本包含了26度空间的玻色弦理论，和加入了超对称性的超弦理论。现在物理界，“弦理论”一般是专指 “超弦理论”。而为了方便区分，较早的 “玻色弦理论”则以全名称呼。

弦理论会吸引这么多关注，大部分的原因是因为它很有可能会成为终极理论。目前，描述微观世界的量子力学与描述宏观引力的广义相对论，在根本上是有冲突的。广义相对论的平滑时空与微观下时空剧烈的量子涨落相矛盾，这意味着二者不可能都正确，它们不能完整地描述世界。而除了引力之外，量子力学很自然地成功描述了其他三种基本作用力：电磁力、强力和弱力。弦理论也可能是量子引力的解决方案之一。超弦理论还包含了组成物质的基本粒子之一的费米子。此外，弦理论已经解决了有关黑洞量子力学问题的一些疑难，但如何用弦理论来说明宇宙大爆炸的初始起点，仍然是一个没有解决的大问题。

20世纪90年代，爱德华·维顿提出了一个具有11度空间的M理论，他和其他学者找到了强有力的证据，证明了当时许多不同版本的超弦理论其实是M理论的不同极限设定条件下的结果，这些发现带动了第二次超弦理论革新。

当前，弦理论的最致命弱点是无法得到实验的支持。有人主张，在未获实验证实之前，弦理论只能是属于哲学的范畴，或者说是一个数学框架，不能完全算是物理学学说。不过，弦理论无法获得实验证明的原因之一，也许只是目前尚没有人对弦理论有足够的了解而做出正确的预测；而另一个则是目前的高速粒子加速器，还不够强大。科学家们目前使用的和正在筹备中的新一代高速粒子加速器，试图寻找超弦理论里主要的超对称性学说所预测的超粒子，但结果如何，只能假以时日了。