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人们对“粒子”是什么有很多不同的理解：点状物体、场的激发源、照进现实的纯数学的一粒……然而，今天的物理学家对粒子概念的理解，是前所未有的。已经发生了变化。
基本粒子是宇宙的组成部分，但它们也特别奇怪。
宇宙中的一切都是由粒子组成的。 什么是粒子？
简单的解释总是不能令人满意：人们普遍认为电子、光子、夸克和其他“基本”粒子缺乏内部结构或物理体积。 加州大学伯克利分校的粒子理论家玛丽·盖拉德 (Mary ) 在 20 世纪 70 年代预测了两个夸克的质量，她说：“一般来说，我们将粒子视为点状物体。” 然而，粒子具有明确定义的属性，例如电荷和质量。 但没有尺寸的点怎么能承载重量呢？
“我们说它们是‘基础’，”麻省理工学院理论物理学家文晓刚说。 “但这只是对学生说的一种方式。‘别问！我不知道答案。这只是基本的。’ 所以别再问了。’”
对于任何物体来说，它的属性都是由构成它的物质（最终归结为粒子）决定的。 但粒子的性质不是由其组成决定的，而是由其数学形式决定的。 粒子站在数学和现实两个世界接触的地方，它的立足点有点摇摇欲坠。
十几位粒子物理学家对粒子是什么提供了不同的描述，以及两种快速发展的理论，旨在对粒子是什么进行统一的描述。
“什么是粒子？这确实是一个非常有趣的问题。”文小刚说。 “现在这个方向已经有了一些进展，虽然还没有产生统一的理论，但各个流派的观点很有趣。”
该粒子是“塌缩波函数”
古希腊哲学家德谟克利特相信粒子是自然界最基本的组成部分，是存在的。 理解它的旅程从这里开始。 两千多年后，牛顿和惠更斯争论光是波还是粒子。 大约 250 年后，量子力学的发展证明了两位伟人都是对的：光以独立的少量能量——光子的形式发射，其行为既像粒子又像波。
波粒二象性给人一种深深的陌生感。 20世纪20年代，量子力学告诉人们，对光子和其他量子化物体最合适的描述不是粒子或波，而是“波函数”。 波函数是一种随时间演变的数学函数，表明粒子具有一系列属性的可能性。 例如，代表电子的波函数在空间中是分散的，因此只能说电子“可能”位于某个位置，而不是“必须”位于某个位置。 但非常奇怪的是，如果你用探测器观察它，波函数会突然崩溃到这一点，此时粒子会撞击探测器。
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因此，粒子是坍缩的波函数。 但这到底意味着什么呢？ 为什么观察会导致数学函数崩溃并出现真正的粒子？ 测量结果由什么决定？ 这个问题已经提出了近一个世纪，物理学家仍然没有答案。
粒子是“场的量子激发”
事情变得越来越奇怪了。 在 20 世纪 30 年代，物理学家意识到多个光子的集合会表现得像在电磁场中传播的单个波，就像 19 世纪麦克斯韦的电磁波理论一样。
研究人员量化了经典场论，限制了场，使其只能以离散量振荡物理学家.，称为场的“量子”。 除了光子（光的量子）之外，狄拉克和其他人发现这个想法可以外推到电子和所有其他粒子：根据量子场论，粒子是整个空间量子场的激发。
在假设这些更基本的场存在时，量子场论剥离了粒子的状态，并将它们仅描述为扰动场的一小部分能量。 尽管量子场论无处不在，但它已成为粒子物理学的通用语言，因为它可以极其精确地计算粒子相互作用时发生的情况，从而决定世界是如何构成的。
随着自然界中更多粒子和相关场的发现，观察世界的数值方法得到了发展。 “一旦你将观察到的模式编码成数学，数学就变得具有预测性；它会告诉你更多关于你可能观察到的东西，”斯坦福大学退休粒子物理学家海伦·奎因解释道。
海伦·奎恩 (Helen Quinn) 在 20 世纪 70 年代提出了假想的“轴子场”。 图片来源：博克/SLAC
这些模式还提供了关于粒子是什么的更抽象和更深入的视角。
粒子是“群的不可约表示”
马克·范·拉姆斯登克 (Mark van ) 是不列颠哥伦比亚大学一位受人尊敬的理论物理学家。 他仍然记得他在普林斯顿大学读研究生时的第一堂量子场论课。 教授进来了，看着学生们问道：“什么是粒子？”
一位提前预习过课程的同学回答道：“庞加莱群的不可约表示。”
教授将这个定义视为常识，跳过任何解释，并开始了一系列令人费解的课程。 “整个学期我没有从这门课上学到任何东西。”
这是有识之士深入的标准答案：粒子是“对称群”的“表示”（对称群是对称变换的集合）。
同样，电子、光子和其他基本粒子在某些基团的作用下保持不变。 换句话说，粒子是庞加莱群（连续时空中的10种运动模式）的表示，这意味着粒子可以在三维空间和一维时间中平移，也可以在三维空间和一维时间中旋转或加速。空间的三个方向。 1939年，数学物理学家维格纳将粒子定义为可以移动、旋转和加速的最简单物体。
他意识到，一个物体要想很好地执行这 10 个庞加莱变换，它必须具有一组最小的属性，而粒子就具有这些属性。 一是能源。 深入地说，能量是物体随时间变化而保持不变的属性。 第二个是动量，它是物体在空间运动时保持不变的特性。
为了描述粒子在空间中旋转和加速度结合下的变化（即空间中的旋转），需要第三个属性：“自旋”。 在维格纳的时代，物理学家已经知道粒子具有自旋，这是一种内在的角动量，决定了它们的行为是否像物质（如电子）或像力（如光子）。
不同的粒子都是庞加莱群的表示。 它们具有与自旋相关的不同自由度（我们将每个自由度理解为粒子的“标签”）。 例如，某些粒子具有三个旋转标签，它们的旋转就像三维空间中物体的旋转。 所有物质粒子都有两个自旋标签：“向上旋转”和“向下旋转”，它们的旋转方式不同。 以电子为例。 将电子旋转360°，其状态就会反转。 就像在二维莫比乌斯带上旋转箭头一样，箭头的位置也会颠倒过来。
旋转下 1/2 旋转的行为：沿着莫比乌斯带将箭头旋转 360°，最终它会面向相反的方向。 电子和其他物质粒子的行为方式相同。 图片来源：/
自然界中也存在具有 1 或 5 个自旋标签的基本粒子，但具有 4 个自旋标签的基本粒子似乎缺失。
基本粒子和表征之间的对应关系是如此美妙，以至于一些物理学家将两者等同起来。 其他人不这么认为。 诺贝尔奖获得者、粒子理论家谢尔顿·格拉肖（ ）表示：“表征不是粒子。表征只是描述粒子某些性质的一种方式。不要混淆两者。”
颗粒有很多层
不管有什么区别，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。 人们发现，基本粒子不仅拥有穿越空间和时间所需的最小自由度，而且还具有额外的、看似多余的标签。
具有相同能量、动量和自旋的粒子在 10 次庞加莱变换下的行为完全相同，但在其他方面可能有所不同。 例如，携带不同数量的电荷。 20 世纪中叶，新的标签被用来描述颗粒之间的这些额外差异：“颜色”和“味道”。
理论家开始认识到，这些额外的属性反映了额外的变化方式。 它不是在空间和时间上移动，而是更抽象：改变粒子的“内部”状态。
1979 年 12 月，谢尔顿·格拉肖 ( ) 在欧洲核子研究组织 (CERN) 发表演讲，两周前他获得了诺贝尔物理学奖。 图片来源：欧洲核子研究中心
以“颜色”所代表的特征为例：20世纪60年代，物理学家发现夸克作为原子核的基本组成部分，以三种可能状态的概率组合存在，他们称之为“红”、“绿”和“红”、“绿”。 “蓝色的”。 状态与实际颜色无关，重要的是标签的数量：夸克的三个标签，它们是一组称为 SU(3) 的变换的表示，包含无数种数学混合这三个标签的方法。
具有“颜色”的粒子由对称群SU(3)表示，而具有“风味”和电荷两个内部属性的粒子分别由对称群SU(2)和U(1)表示。 因此，粒子物理学的标准模型——包含所有已知基本粒子及其相互作用的量子场论——通常被称为对称群 SU(3)×SU(2)×U(1)。 （不言而喻，粒子在庞加莱群下也会发生变化。）
经过半个世纪的发展，标准模型仍然占据主导地位，但它对宇宙的描述是不完整的：量子场论无法处理引力。 仅爱因斯坦的广义相对论就将引力描述为时空结构中的一条曲线。 此外，标准模型的三部分 SU(3)×SU(2)×U(1) 结构提出了一个问题：“这一切都来自哪里？” 正如粒子物理学家迪米特里·纳波罗所说。 “好吧，我们可以说这是对的，但是它是什么？它不可能是三组；我的意思是，‘上帝’是比这更大的东西——引号里的上帝。”
粒子“可能是振动弦”
20世纪70年代，、等人试图将SU(3)、SU(2)和U(1)整合成一个更大的变换群。 他们认为，在宇宙之初，粒子是单一对称群的表示（随着对称性破缺，情况变得更加复杂）。 这种“大统一理论”最自然的候选者是称为 SU(5) 的对称群，但很快就被实验排除了。 其他不太吸引人的可能性仍在等待测试。
研究人员对弦理论抱有更高的希望：如果你离粒子足够近，你不会看到一个点，而是看到一根一维振动的弦。 您还将看到六个额外的空间维度（弦理论表明这些维度卷曲在熟悉的 4D 时空结构中）。 小尺度的几何结构决定了弦的属性，从而决定了宏观世界。 粒子的“内部”对称性，例如转换夸克颜色的 SU(3) 运算，获得了物理意义：在弦的图像中，这些运算映射到小空间维度中的旋转，就像自旋反映在大维度中一样回转。 “几何给你对称性，它给你粒子，所有这些都组合在一起，”纳波罗说。
然而，如果弦或额外维度确实存在，它们就会太小而无法通过实验检测到。 与此同时，其他想法也被提出。 在过去的十年中，两种方法汇集了当代基础物理学中最聪明的头脑，再次为粒子提供了新的画面。
粒子是“量子位海的扭曲”
这些努力的第一个口号是“it-from-qubit”。 这意味着宇宙中的一切——所有粒子，以及像松饼上的蓝莓一样嵌入它们的时空结构——都是由信息量子位创建的。 量子位是两种状态（0 和 1）的概率组合。 （量子位可以存储在物理系统中，就像位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。）当存在多个量子位时，它们可能的状态会变得纠缠，因此每个量子位的状态取决于关于所有其他量子位的状态。 通过这些偶然性，少量的纠缠量子比特可以编码大量的信息。
在宇宙的量子比特概念中，如果你想了解什么是粒子，你首先必须了解时空。 2010 年，范·拉姆斯登克 (van ) 写道，纠缠量子比特可能会将时空结构缝合在一起。
数十年的计算、思想实验和模型计算表明，时空具有“全息”属性：时空区域中的所有信息都可以以更小的自由度编码（通常在该区域的表面）。 “在过去的 10 年里，我们对这种编码方式了解了很多，”van 说。
这种全息关系最令物理学家惊讶和着迷的是，时空是弯曲的，因为它包含引力。 但编码弯曲时空信息的低维系统是纯粹的量子系统，缺乏曲率、引力甚至几何概念的任何意义。 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，时空的属性（其鲁棒性、对称性）基本上来自于 0 和 1 的编织方式。 引力的量子描述的长期目标变成了确定量子位的纠缠模式，这些量子位对实际宇宙中发现的特定类型的时空结构进行编码。
到目前为止，研究人员对负弯曲马鞍形时空的虚构宇宙中的运作方式有了更多了解，主要是因为它们相对容易操纵。 相比之下，我们的宇宙是正弯曲的。 但研究人员惊讶地发现物理学家.，每当负弯曲时空像全息图一样出现时，粒子就会自然产生。 也就是说，每当量子位系统对时空区域进行全息编码时，总会存在与高维世界中漂浮的局部能量位相对应的量子位纠缠模式。
重要的是，量子位上的代数运算在空间和时间上进行转换时，“就像作用在粒子上的旋转一样，”范拉姆斯登克说。 “你知道这张图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，如果你破译它，它会告诉你粒子处于其他维度。”
他说，全息时空总是具有这些粒子的状态，这一事实“实际上是区分这些全息系统与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为什么全息模型具有这种特性。”
很容易想象量子位具有某种空间排列，可以创建全息宇宙，就像我们熟悉的从空间图案投射的全息图一样。 但事实上，量子位之间的关系和相互依赖可能更加抽象。 “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 Naita 说，他因计算黑洞的量子信息内容而获得了新视野物理学奖。 讨论0和1的抽象存在，以及运算符如何作用于0和1这些更抽象的数学关系。
显然还有更多需要理解的地方。 但如果量子位图像是正确的，那么粒子就是全息图，就像时空一样。 他们最真实的定义是量子位。
粒子是探测器测量的对象
另一组自称为“振幅学家”的研究人员试图将焦点带回粒子本身。
他们认为，量子场论让故事变得过于复杂。 物理学家使用量子场论来计算散射振幅，这是现实中最基本的可计算特征。 当粒子碰撞时，振幅会告诉您粒子如何变形或分散。 粒子之间的相互作用造就了世界，因此物理学家检验他们对世界的描述的方式是将散射振幅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。
通常，为了计算振幅，物理学家会系统地考虑碰撞产生的涟漪在整个宇宙的量子场中产生回响的所有可能方式，然后产生飞离碰撞地点的稳定粒子。 奇怪的是，涉及数百页代数的计算通常会产生单行公式。 振幅科学家认为，量子场思想掩盖了更简单的数学模式。 这项研究的负责人阿卡尼·哈米德 (Akani ) 称量子场是“一种方便的虚构”。 “在物理学中，我们经常犯将形式主义具体化的错误，”他说。 “我们开始说量子场是真实的，粒子是激发态。 我们谈论虚拟粒子，所有这些东西——但它不会点击任何人的探测器。”
振幅科学家相信，存在一个数学上更简单、更真实的粒子相互作用图景。
在某些情况下，他们发现维格纳关于粒子的群论思想也可以扩展到描述相互作用，而无需通常量子场的麻烦。
SLAC国家加速器实验室（前身为斯坦福直线加速器中心）的著名振幅科学家兰斯·迪克森（Lance Dixon）解释说，研究人员利用维格纳研究的庞加莱旋转直接推导出“三点振幅”——一个用来表示振幅的术语。描述将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始终是根据基本对称性构建的。
迪克森认为，“最酷的事情”是，涉及引力子（假定的重力载体）的散射振幅是涉及胶子（将夸克粘合在一起的粒子）的振幅的平方。 我们将引力与时空本身的结构联系起来，胶子在时空中移动。 然而，引力子和胶子似乎源于相同的对称性。 “这很奇怪，而且肯定没有真正理解量化细节，因为图像是如此不同，”迪克森说。
Akani 正在研究粒子行为与几何对象之间的关系。 图片来源：
与此同时， 和他的合作者发现了一种可以直接找到答案的新数学工具，例如，一个在其体积中编码粒子散射幅度的几何对象。 粒子在时空碰撞、引发连锁反应的图像已经消失。 “我们试图在柏拉图的思想世界中找到这些自动赋予我们（因果）属性的物体，”阿卡尼·哈穆德说。 “然后我们可以说，‘啊哈，现在我明白为什么这个图像可以用进化来解释了。’”
从量子比特和振幅学的角度来看，处理重大问题的方式如此不同，以至于很难判断这两种情况是互补还是矛盾。 “最终，量子引力有一些数学结构，我们都在不断完善，”恩格尔哈特说。 她补充说，最终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，宇宙的结构是什么？” 基本组成部分是什么？ 或者什么是粒子？”
与此同时，恩格尔哈特说：“‘我们不知道’确实是最简短的答案。”