粒子物理学基础12种基本粒子（未解决的物理学问题）

物理学中一些尚未解决的主要问题是理论问题。现有的理论似乎无法解释某些观察到的现象或实验结果。科学是建立在物理量的测量和理论公式的协调之上的。在许多情况下，在创建实验来测试所提出的理论（如弦理论）或更详细地研究一些现象（如电子在原子壳层之间的消失）方面存在困难。目前，还没有技术能测量普朗克单位级别的粒子的活动。

标准模型

许多问题都与粒子物理标准模型的缺点有关：

• 是否存在尚未被发现的隐藏粒子？如果有，是哪些？它们的性质是什么？
• 标准模型中的基本粒子复合粒子是否结合得太紧密以至于在目前的测量能力下无法观察到？
• 是什么使一些亚原子粒子带有正电荷或负电荷的？
• 质量的起源是什么？为什么质量的存在总是导致引力的产生？
• （如果有的话）在什么情况下电荷宇称(C-P)对称被违反了？
• 为什么中微子会振荡？
• 为什么物质比反物质多？
• 为什么标准模型与广义相对论不一致？
• 质子稳定吗？还是像标准模型所预测的那样，在有限的寿命内衰减？为什么质子的自旋不能用三夸克的自旋来解释？
• 为什么夸克和轻子会有三代呢？为什么它们的电荷和自旋相同，但质量不同？

微观层面的其他问题

• 对现实的量子描述，包括量子态的叠加、波函数的坍缩和量子退相干等原理，是如何产生我们所感知的现实的？
• 什么构成了一个“测量”，使波函数坍缩到一个确定的状态？
• 为什么总是有偶极磁场而没有单极磁场？
• 量子色动力学中的夸克约束和色力是什么？
• 信息如何表示量子系统的状态？
• 普朗克质量在数学物理中起着至关重要的作用。为什么它相对较大？有没有一种粒子具有普朗克质量？

宏观层面的物理

• 为什么时空有三个空间维度和一个时间维度？它们是如何形成的？
• 为什么时间有前进的方向？
• 什么是暗物质和暗能量？他们存在吗？它们的组成是什么？
• 为什么我们不能从第一原理推导出无量纲物理常数的值？
• 为什么物理常数会有这样的值？
• 有没有一种理论可以解释所有基本物理常数的第一原理推导？
• “基本物理常数”真的是基本的吗？还是随时间而变化？

广义相对论和宇宙学

广义相对论

• 为什么真空中的光速是常数？
• 时空是像素吗？
• 为什么引力这么弱？
• 自然界是否如弦理论所预言的那样拥有四个以上的时空维度（微观维度）？如果有，它们的尺寸是什么？在哪里可以找到它们呢？
• 四维是某些隐藏粒子的基本属性吗？

时间的本质

• 在量子力学中，时间的流动是普遍而绝对的。在广义相对论中，时间是四维时空的一个组成部分。时间流的变化取决于时空曲率和观察者的相对轨迹。这两种时间观念如何协调一致？
• 为什么空间结构的曲率会导致时间膨胀？
• 为什么时间有向前的箭头？
• 时间能量子化吗？
• 宇宙的起源和未来？
• 生存的条件是如何产生的？
• 宇宙正在走向大冻结、大撕裂、大坍缩还是大反弹？或者它是无限循环的模型的一部分？

宇宙大小

• 如果可观测宇宙的直径大约是930亿光年，那么它的大小是多少？
• 宇宙的形状是什么？
• 宇宙在膨胀吗？如果是的话，速率是多少？让它膨胀的能量是多少？

黑洞

• 黑洞会产生热辐射吗？
• 如果黑洞消失了，存储在其中的信息会发生什么？
• 有办法探测它们的组成吗？

真空的质量

• 为什么预测的真空质量对宇宙的膨胀几乎没有影响？
• 为什么一些著名的物理学家试图测量的真空质量被认为是灾难性的大？

广义相对论和量子力学并不总是一致的。许多物理学家认为，这些缺陷是由于构成亚原子粒子的一些隐藏粒子造成的。物理学家一直在寻找一种新的物理学。其中一种方法是考虑所有亚原子粒子都是由更小的基本粒子组成的可能性。

亚原子粒子：它们是基本粒子还是复合粒子？

• 亚原子粒子不是由更小的基本粒子构成的“基本粒子”，就是由更小的粒子结合在一起构成的“复合粒子”。
• 目前，物理学家还没有找到支持这种隐藏粒子存在的实验证据，它们存在于亚普朗克尺度。

粒子物理的传统目标

粒子物理学的传统目标是识别和理解物质和力的原理。它也试图在宏观层面上理解宇宙的运行。现代粒子物理学已经确定了夸克和电子是物质产生的原因。

标准模型的缺点

然而，标准模型仍然不完整。也许这只是现代物理学的图景的一部分，包括亚原子世界的一个隐藏层。问题是：在哪里可以找到隐藏层？它可能超出了测不准原理的范围。它可能位于亚普朗克尺度世界。

缺乏直观的解释

现代物理学中隐藏的一面也是带电粒子吸收和释放能量量子的地方。对于带电粒子吸收和释放能量的机制，还没有一个直观的解释。在现代物理学中，带电粒子会产生电场。这一过程的机制是不清楚的，并不能解释带电粒子如何创造这样的场。如果带电粒子的相互作用产生虚光子，它的能量是多少？

g-2的因素

一个电子的磁矩的计算不能由其物理特性来决定，除非它的旋转速度超过光速或它由未知的球状旋转粒子组成。基于目前的理论，这两种可能性都不可能是正确的，因此需要对其基本构成有更深入的了解。物理学家解决了上述缺点，通过增加一个无量纲常数g，电子的角动量（它的值为约为2），而没有解释它的来源。

量子力学的潜在现实

为了使量子力学与现实相协调，人们做了几次尝试。虽然量子力学在广泛的实验中经受住了严格和精确的测试，但在它们的解释上存在着一些争论，例如：

• 量子力学是确定的还是随机的？
• 量子力学的哪些元素可以被认为是“真实的”？
• 在讨论的其他问题中，测量的本质是什么？

尽管有近一个世纪的争论和实验，但对于代表量子力学现实的最佳解释还没有达成共识。

Preons 模型

1974年，preons（point-like particles）被认为是夸克和轻子的子成分。Preon研究的动机是希望将大量的粒子（只在电荷上不同）减少到更小数量的更基本的粒子。例如，电子和正电子除了电荷相反外是完全相同的。preon研究提出电子和正电子是由类似的点状更小的粒子组成的，它们之间的差异决定了电荷的大小。他们的希望是再现还原论（这在元素周期表中起了作用）来解释费米子的三代。由于轻子和夸克的合成没有直接的实验证据，人们对preon的兴趣减弱了。

弦理论

弦理论是一种理论框架，它认为亚原子粒子可能由弦组成。它解决了物理学中许多悬而未决的问题。在给定的弦理论中，只有一种弦，它可能看起来像一个小环或普通弦的一段，可以以不同的方式振动。

弦，被认为是具有能量的线，是解释量子引力和我们感知的现实世界的关键。这个理论的基本思想是，弦是亚原子粒子的一维能量线。这些弦的振动产生了真空中的一切，比如亚原子基本粒子的不同特征以及周期系统的所有元素。需要十个（或更多的）维度来描述一个感知的现实，即四个宏观维度和六个微观维度。用能量弦描述自然的最新尝试是复杂的M理论。所有种类的粒子都被超弦理论统一了，因为每个粒子的区别仅仅在于弦的振荡模式。甚至空间和时间也被认为受弦振动的影响。

超对称和弦论

超对称理论认为，当基本粒子（如光子、电子和夸克）在宇宙之初形成时，与之匹配的各种理论也随之产生。如果这些理论是正确的，那么宇宙中粒子的种类至少会增加一倍。许多科学家希望证明超对称性，因为它填补了物理学标准模型（包括暗物质）中的许多空白。然而，大型强子对撞机的实验到目前为止还没有发现超对称性的证据。

• 超对称性可以被认为是标准模型的一个扩展，其目的是填补一些空白。理论学家提出了一种机制，通过提出新“表亲粒子”的存在，来赋予粒子质量。希格斯玻色子被认为是通过希格斯机制赋予W 和Z规范玻色子质量的粒子。
• 超对称理论证实了观察的必要性。超越标准模型来解释量子世界的许多奥秘。

NASA的研究

另一个需要寻找一种新型物理的证据来自NASA的一项研究，引用如下。

美国宇航局最近的研究使用了两个太空望远镜来计算宇宙增长的确切速度。这有助于理解宇宙从何而来，又将去向何方。但新的精确测量带来的困惑比消除的更多。宇宙膨胀的方式似乎存在着一种奇怪的不匹配（这一发现可能表明，有一种全新的物理学支配着宇宙，等待着我们去发现）。

这些神秘的结果可能是由于暗物质和暗能量比之前认为的更加奇异，或者是由于太空中存在未知的新粒子。

继续寻找隐藏的粒子

在过去的100年里，许多物理学家一直在推测存在亚普朗克能级的隐藏粒子。人们希望提出的两种基本粒子（具有二元性质的弦和奇点），能够解释缺失的更深层次的隐藏现实，并为当前的物理难题提供答案。