在上文《真空里有什么——一部粒子物理發展史（上）》，我們用“真空顯微鏡”看到了原子，又打破原子看到了電子、質子和中子，以及質子和中子相互轉化過程中出現的中微子。那把這些粒子剔除，剩下的是不是我們想要的“真空”呢？

今天，讓我們再次拿起真空顯微鏡，繼續探索真空里的奧秘。

第三階段：正電子和夸克

上次我們在文章中遺留了一個問題：“正電子”是什么？

讓我們把目光放回到1927年，這是量子力學發展史上重要的一年。這年狄拉克提出了狄拉克方程，它的具體內容是啥我們暫時不需要了解，我們只要知道它是量子力學里一套非常完備的方程，讓量子力學更好地兼容了相對論。

但是狄拉克方程有一個問題，就是它在求電子能量的時候，遇到了開根號的情況。我們知道開根號能得出兩個解：一正一負。一般情況下能量怎么會有負值呢？我們會很自然地把那個負值舍掉。但是大佬之所以成為大佬，就在于他能看到一般人忽略的東西。狄拉克想：這些有負能量的電子該如何解釋呢？負能量有啥物理意義呢？

按照量子力學，原子軌道都是分離的、不連續的，最里層的軌道能量最低，最外層的軌道能量最高。電子一個個地分布在這些軌道上，并且它們還要滿足泡利不相容原理（電子不能肆無忌憚地選軌道，每個軌道上最多容納兩個電子還得自旋不同）。

在此基礎上，狄拉克展開了想象：會不會能級的能量可以一直低到負能級去呢？這些負能級看不見，而且根據泡利不相容原理，這些負能級都被負質量的電子填滿了，所以正能級上的電子都不能跌到負能級上，這些裝滿電子的負能級就被叫做“狄拉克?！?。狄拉克海在哪呢？就在我們苦苦尋覓的真空里。

狄拉克海（圖片來源：作者自制）

填滿真空又無處不在，不知道讀者們看著有沒有一絲熟悉的感覺，沒錯，這不就是以太嘛！

話說回來，當狄拉克海中的負能級上的負質量電子吸收能量后，它會躍遷到正能級上，并在原來的真空中留下一個坑，這個坑是真實的粒子，它雖然有電子的質量但卻帶正電，所以狄拉克叫它正電子。

雖然狄拉克海的理論在后來的量子場論中被拋棄了，但是狄拉克預言的正電子是真實的，并在1932年被安德森發現。

首張觀測到正電子存在的云室照片，由安德森所攝。云室的上下兩部分由一片6毫米厚的鉛片分開，可以肯定該正電子是從下方進入。

（圖片來源：https://zh.wikipedia.org/wiki/） 

正電子是人類發現的第一個反粒子，它的發現也開啟了一條尋找粒子的全新道路——尋找反粒子，之后人們又找到了反質子、反中子、反中微子等等。這里需要解釋一下什么是反物質。人們可能很容易接受反電子和反質子，認為只要電荷相反，其他性質相同就是反粒子了。   

但事實并不是這樣，粒子的性質我們知道有大小、質量、壽命等等，在量子力學里，我們用量子數來描述粒子的某些性質比如讀者熟悉的自旋、電荷，而像這樣的量子數還有很多，像奇異數、重子數等。  

反物質粒子是指質量、壽命、自旋都與正常粒子相同，但是所有內部相加性量子數比如電荷、重子數、奇異數等是大小相同方向相反的。

20世紀隨著大型對撞機的高速發展，人們又陸續發現了200多種大小不一、性質各異的粒子，還用了一個相對“草率”的分類方法：把質量介于質子和電子之間的粒子叫介子，人們發現的介子有π介子、K介子等等；質量大于質子的叫超子，有λ超子、ξ超子等，20世紀后期人們發現的粒子大部分都是超子。

這些介子超子被統稱為奇異粒子。這些奇異粒子的壽命大都非常短，平均壽命大約是10^(-5)秒，遠不如質子、中子、電子哥仨，所以我們生活中很難遇到它們。

看著粒子種類越來越多，都快要超過元素的種類了。我們不禁會問：難道就真的沒有那么幾種最基礎的粒子構成了所有粒子嗎？其實物理學家對這件事也是非常執著的，很多人提出過不同的所謂標準粒子模型，例如1949年費米和楊振寧提出過費米-楊模型，認為只有中子、質子和它們的反粒子才是基本粒子，后來被證實失敗了。

到了1964年，蓋爾曼根據群論分析提出了一種夸克模型，夸克模型認為那些參與強相互作用的粒子（簡稱強子），它們都是由更基礎的粒子——夸克和它們對應的反夸克組成的。

這里得解釋一下強相互作用。原子核由中子和質子組成，而原子核的體積只占原子體積的幾千億分之一，也就是說一堆質子和中子擠在一個很小的區域里。更要命的是質子都帶正電，所以它們會相互排斥，僅憑萬有引力是遠遠不夠抵消這種排斥作用的，那么肯定有一種更強的相互作用把它們圈在一起，這種作用被假設為強相互作用。

由兩個上夸克和一個下夸克構成的質子

（圖片來源：維基百科）

最初蓋爾曼提出了三種夸克：上夸克、下夸克、奇異夸克，后來人們又陸續發現了另外三種夸克：粲夸克、底夸克、頂夸克。根據量子色動力學，這六味夸克還有三種“顏色”：紅綠藍，反夸克也具有反顏色。當然這個顏色并不是真正的顏色，只是代表一種量子數而已。

經過多年的理論和實驗驗證，目前這個夸克模型還是很靠譜的，而且大部分奇異粒子都是強子，所以夸克模型在建立基本粒子模型上幫了大忙。

在得知夸克模型之后，讀者們是不是已經急著要總結所有基本粒子，結束這次真空尋找工作了？但是在這之前還有一件事我們不得不考慮一下。

第四階段：看不見摸不著的“場”

在上面的粒子探索之旅中，我們從電子講到夸克，基本已經涵蓋了構成已知“物質”的所有原材料。但還有一個很重要的問題：這些粒子是如何組合在一起的，它們之間有什么相互作用力？

這時候可能有人就要問了，力又不是物質，不管什么力都不會影響我們對真空的理解吧？其實不然，在物理學中粒子之間的力牽扯到了一種奇特的物質，它與元素和原子都很不同，看不見摸不著，但卻是確實存在的，那就是場。

讀者可能聽過這樣一個故事：老和尚分別給三個徒弟十文錢，叫他們各自買一樣東西把禪房填滿。大徒弟買了一堆木頭，二徒弟買了一堆稻草，雙雙失敗；三徒弟買了一根蠟燭，光輝瞬間照亮了房間。不知道三徒弟佛法學得怎樣，但物理一定是不錯的，因為他不僅知道光是一種電磁場的波動，還知道場是一種物質。

場的思想最初是拉普拉斯為了解釋萬有引力所提出的，但是它真正大放異彩還是在電磁學之中。17世紀20年代，奧斯特和法拉第等人相繼發現通電導線可以對磁針施加力，磁鐵也能對通電導線施加力的現象。雖然鐵證如山，但是就像當年的萬有引力一樣，人們很難接受兩個物體不接觸就能發生力的作用。

于是法拉第提出了他大膽的設想，既然人們不能接受沒有物質接觸，那我假設有一種物質作為媒介不就好了嗎？于是他借鑒了拉普拉斯的想法，將這種媒介命名為“場”。通電導體沒有對磁針施加作用力，而是它周圍的電場對磁針施加了力，磁鐵周圍有類似的磁場。

電磁場的成功對物理學的影響是不可估量的，從此以后，“場”在人們解釋相互作用的過程中頻頻出現。

在對物質相互作用的研究過程中，人們先后提出了四種基本相互作用力，分別是：萬有引力、電磁力、弱相互作用力、強相互作用力。萬有引力和電磁力我們都比較熟悉，這里解釋一下弱力和強力。

還記得我們前面提到的β衰變理論吧，簡單來說弱力就是控制質子中子發生衰變的力，而強力是前面講到的原子核中質子和中子之間的吸引力。

人們認為這四種基本相互作用力足以描述物質間的一切現象，而就像我們前面提到的那樣，沒有接觸的相互作用很難為人所接受，所以關于這四種相互作用的研究都離不開場的影子。

那么場是怎樣傳遞相互作用的？這就要用到一些量子力學的知識了。量子力學里有一個重要思想就是把原來連續的東西量子化，也就是把原來連續的東西看成不連續的，連續的波動也可以看作是一個個的粒子。

舉個例子，光是電磁場的波動，但是它也能看成是由一個個的光子組成的。很多人會疑惑那光到底是波還是粒子呢？答案是它既是波也是粒子。

光量子

（圖片來源：作者自制）

剛剛接觸這種東西確實很難接受，簡單來說波粒二象性就像是看事物的兩個角度，從一個角度看是波，另一個角度看是粒子。理論最重要的還是能解釋客觀現象，量子力學通過波粒二象性可以解釋很多微觀現象。

舉個例子，赫茲在發現電磁波的同時還發現了一個現象，就是光照射到金屬表面會激發表面射出電子，而且能不能射出電子只跟光的頻率有關，無論你的光強有多大，只要頻率不對都不能激發出電子，這個現象就叫做光電效應。

光電效應

（圖片來源：維基百科）

麥克斯韋的電磁理論對光電效應束手無策，1905年，愛因斯坦提出了光量子的假設，他把光看成是一個個的粒子，單個粒子的能量只和光的頻率有關，光電效應就簡化成了光子和電子的彈性碰撞問題。值得一提的是，愛因斯坦憑借這個發現獲得了1921年諾貝爾物理學獎，而非廣為人知的相對論。

光是電磁波，既然它能和電子發生“碰撞”，那電子之間是不是也能通過這種“碰撞”來傳遞相互作用呢？還真是。

20世紀中葉，施溫格、費曼、朝永振一郎分別建立了電子與電磁場相互作用的量子場論，簡稱QED理論。在QED理論當中，兩個電子之間就是通過相互發射虛光子來發生相互作用的。

這個虛光子在傳遞過程中還會發生“真空極化”現象，就是光子會變成一對虛正負電子，然后這對虛正負電子又湮滅成一個虛光子。之所以這里的光子和正負電子是虛的，就是因為它們存在的時間太短了。

電子相互作用

（圖片來源：作者自制）

其他的三種相互作用力也有類似的量子場論，傳遞強作用力的是夸克之間的膠子，傳遞萬有引力的是引力子，傳遞弱力的是W+-粒子和Z0粒子。除了引力子之外，其他的“傳遞粒子”都已經被發現了。

這時候在真空顯微鏡后的我們頭都要大了，不但又新出現了一堆粒子，更要命的是它們還是在不斷成對生成和消失的虛粒子！好在物理學家永遠喜歡化繁為簡，他們一直致力于統一這四種基本作用力，目前弱相互作用力和電磁力的統一理論已經得到了驗證，強力的統一也有幾種理論誕生，萬有引力是最難統一的那個。

有人曾經問預言Z粒子的溫伯格為啥要叫它Z粒子，溫伯格說他希望這是人類發現的最后一個粒子，看來物理學家也受夠了這種不斷修改理論的狀態了。但是我們的工作還是沒有完成，一種傳說中的上帝粒子——希格斯玻色子在后面等待著我們。

第五階段：“上帝粒子”——希格斯玻色子

所謂的玻色子和費米子是量子力學中對粒子的一種分類辦法，自旋為整數的粒子叫做玻色子，自旋為半整數的粒子叫做費米子。一般傳遞相互作用的粒子像光子、膠子等都屬于玻色子，而夸克和電子都屬于費米子。

按照量子場論，不管是強力弱力，這些場都具有某種規范對稱性，即規范場。根據波粒二象性，場就是粒子，粒子就是場，這些場對應的玻色子都是規范玻色子，而規范玻色子是不能有質量的。

為啥不能有質量？以電磁場為例，如果傳遞電磁力的光子有質量，那么電磁場的規范對稱性會被打破，電荷就不能守恒。

但是人們發現傳遞弱力的W+-粒子和Z0粒子都是有質量的，因此物理學家又一次大開腦洞：如果這個粒子本身沒有質量，而是什么別的東西給了它質量，那規范對稱性不就依然成立了嗎？

1961年美籍日裔理論物理學家南部陽一郎提出了“真空對稱自發破缺”的概念，他認為玻色子本身沒有質量，滿足了對稱性，但是在真空中，有一種場賦予了粒子質量，打破了對稱性，而且這個過程還是自發的沒有人為干預，所以叫做真空對稱自發破缺。

在這個基礎上，1964年英國物理學家希格斯等人發現，如果真空中一個假想的標量場（沒有方向的場）與傳遞相互作用的那個規范場耦合，那么真空中發生的自發性對稱破缺可以使玻色子獲得質量。而且在這個過程中會產生一種有質量的粒子，即“希格斯玻色子”，能夠賦予玻色子質量的那個標量場就是希格斯場。

這里我要引用一個很著名的比喻，希格斯玻色子就像是一群接機的粉絲，作者就像光子，當作者下飛機的時候他們對我毫無作用，于是作者沒有質量。而大明星是Z0粒子，當TA下飛機的時候，他們都沖上去要簽名，大明星受到了阻礙有了質量。

可以說正是真空當中充滿的希格斯粒子或希格斯場，給予了除光子膠子之外的基本粒子以質量。由于質量是粒子的基本屬性，所以人們又把“希格斯玻色子”稱為“上帝粒子”，認為它型塑了萬物。

2013年歐洲核子研究組織CERN宣布發現了希格斯玻色子，人們得以一睹上帝粒子的真容。

粒子物理標準模型

（圖片來源：維基百科）

至此，人類所謂的標準粒子模型基本上已經建立完成了。其中包括包括輕子（電子類）12種、夸克類（6味×3色×正反粒子）36種、傳遞強力的膠子8種、傳遞電磁力的光子1種、傳遞弱力的W+-、Z粒子3種、賦予粒子質量的希格斯粒子1種，總共61種。

可以說就是這61種粒子再加上還沒被發現的引力子構成了物理世界的所有現象。

這時候我們的真空尋找工作變得簡單明了起來，只要“真空顯微鏡”能夠通過某種方式繞過量子漲落（就是我們前面說的粒子不停生成和消失的現象），然后把這61種粒子和未發現的引力子剔除出來，那顯微鏡下就是目前人類所知的真空了！

之所以說真空還是“目前所知”，就是因為真空這個概念總是依賴于人類已知的物質存在。老子云“有無相生”，當我們說出這是真空，真正的意思僅僅是這片區域沒有目前人類已知的物質。

結語

對真空的認識幾乎伴隨了整個人類物理學的發展過程，期間無數的理論物理學家提出的大膽設想令人拍案叫絕。為了驗證理論，還有很多實驗物理學家也在尋找粒子的過程中迸發出了驚人的創造力和毅力。

由于篇幅問題，文章中很多事件都沒有細談，簡單一句“人類發現了中微子”，背后卻是戴維斯在地下1500米的實驗室里30年的探測，在這里也向這些先行者致敬。

開爾文勛爵曾認為物理學有兩朵烏云：一是黑體輻射，二是消失的以太。揭開這兩朵烏云，量子力學和相對論橫空出世，大大提升了人類對真空的認知。

21世紀李政道先生提出過現代物理的兩大疑云：一是缺失的對稱性，二是看不見的夸克。李政道認為這兩個問題的答案還蘊藏在真空的性質之中，可能未來物理學家能從真空中再次薅出什么大開腦洞的東西，幫我們更好地理解這個神秘的宇宙。