磁：天然磁石（Fe?O?）能吸鐵的現象早已為人所知，并中國人發明了指南針

電：古代人們就發現摩擦琥珀（希臘語“?λεκτρον”，ēlektron）能吸引輕小物體。16世紀，吉爾伯特對電現象進行了系統研究。

庫侖（Coulomb）建立了庫侖定律，定量描述了靜電荷之間的作用力。奧斯特（Oersted）發現電流能使磁針偏轉，首次揭示了電與磁的聯系。法拉第（Faraday）發現了電磁感應定律（磁生電），并提出了電場和磁場的力線概念。

在麥克斯韋之前，電和磁被認為是兩種獨立的現象。麥克斯韋的重大突破在于他發現：

變化的電場可以產生磁場（位移電流假說）。

變化的磁場可以產生電場（法拉第電磁感應定律）

麥克斯韋從方程中推導出，變化的電場和磁場會以波的形式在空間傳播，其速度恰好等于光速。他因此預言：光就是一種電磁波。

這一發現將電、磁、光三大現象統一在一個理論框架下，被認為是19世紀物理學最偉大的成就之一。

1887年，赫茲（Hertz）通過實驗產生了電磁波

關于麥克斯韋方程組的詳細介紹：

高斯定律

磁路高斯定律

法拉第定律

麥克斯韋安培定律

電荷產生電場。

變化的磁場產生電場。

電流和變化的電場產生磁場。

電場和磁場就這樣相互激發，相互轉化，從而可以脫離源電荷和源電流，以波的形式在空間傳播——這就是電磁波。

方程組預言了電磁波的存在，其傳播速度計算值等于光速。

光、無線電波、微波、紅外線、紫外線、X射線、γ射線都是不同頻率的電磁波，共同構成了電磁波譜。

光的電磁本質：光被確定為特定頻率范圍（約 4.3×101?到 7.5×101? Hz）的電磁波

強相互作用

強相互作用的來源是“色荷”，只存在于夸克和膠子身上的內在量子屬性。“色荷”有三種：物理學家戲謔地稱之為“紅”、“綠”、“藍”。帶“色荷”的夸克通過交換膠子（傳播強力的信使粒子）而緊緊地束縛在一起。膠子本身也帶“色荷”，這使得強力非常復雜和強大。我們所能看到的任何穩定粒子都必須是“色中性”的（就像原子整體是電中性一樣）。

這通過兩種方式實現：

三個夸克組合：一個紅、一個綠、一個藍夸克組合成質子或中子（像三原色混合成白色）。

夸克-反夸克對：一個夸克和一個反夸克（攜帶反色荷）組合成介子（如π介子）。

強力的直接來源是“色荷”的交換，其根本來源是量子場論中“色荷”場與物質場的相互作用

質子/中子自旋危機

像質子、中子這樣的粒子擁有一種內在的角動量，稱為“自旋”，一種純粹的量子特性。科學家最初認為，質子的自旋就等于其內部三個夸克自旋的總和。實驗測量表明，三個夸克的自旋加起來只貢獻了質子總自旋的~30%。傳遞強力的膠子本身也有自旋，它們對質子總自旋有貢獻。夸克和膠子并非靜止不動，而是在質子內部以接近光速做極其復雜的運動，它們的軌道角動量（這直接關聯到“旋轉”或“繞行”的概念）是質子總自旋的主要貢獻者！

在粒子物理學標準模型中，力的性質并非“來自”別處，而是源于宇宙極早期冷卻過程中的對稱性破缺。在宇宙大爆炸后的極高能量下（比如10^-32秒內），電磁力和弱力是統一的（電弱力），強力可能也和它們統一在一起（大統一理論）。隨著宇宙膨脹冷卻，宇宙的“相”發生了改變，導致對稱性破缺，統一的力才“凍結”成了我們今天看到的截然不同的四種基本力。在這個框架下，強相互作用的強度（耦合常數）和“高速旋轉”的動力學行為，是由希格斯場和夸克、膠子的內在量子屬性在宇宙冷卻后自然呈現的結果。

標準物理模型

費米子：構成物質的粒子（像“磚塊”）。夸克和輕子，它們都是** spin-1/2 **的粒子

1.夸克

2.夸克是構成原子核中質子和中子的粒子。它們永遠被禁閉在復合粒子內部，無法單獨存在。

共有6種口味（Flavor），成對出現（一代比一代質量大）：

代際

夸克

電荷

構成

第一代

上夸克

+2/3

質子和中子的主要成分

下夸克

-1/3

第二代

粲夸克

+2/3

存在于高能碰撞中，壽命極短

奇異夸克

-1/3

第三代

頂夸克

+2/3

質量最大，極其不穩定

底夸克

-1/3

常見復合粒子：質子=兩個上夸克+一個下夸克 UUD；中子=一個上夸克+兩個下夸克 UDD

輕子可以單獨存在，不受強力的影響。

6種輕子也分為三代，每代由一個帶電輕子和一個電中性的中微子組成：

代際(Generation)

帶電輕子(Charged Lepton)

電荷

中微子(Neutrino)

電荷

第一代

電子(Electron， e?)

-1

電子中微子(ν?)

0

第二代

μ子(Muon，μ?)

-1

μ子中微子(ν_μ)

0

第三代

τ子(Tau，τ?)

-1

τ子中微子(ν_τ)

0

帶電輕子：如電子，是構成原子、決定化學性質的關鍵。

中微子：幽靈般的粒子，質量極小，幾乎只參與弱相互作用。它們穿透性極強，每秒有數以萬億計的中微子穿過你的身體而未被察覺。

玻色子：傳遞相互作用的粒子（像“信使”或“膠水”）

玻色子是 spin-1的粒子，是力的傳播者。它們像球一樣在相互作用的粒子之間被“拋來拋去”，從而傳遞力。

玻色子

傳遞的力

作用對象

特點

光子

電磁力

帶電荷的粒子

長程力，媒介為光，日常生活中最常見

膠子

強相互作用

帶色荷的粒子（夸克、膠子）

將夸克“粘”在一起，形成質子、中子等

W?， W?， Z?玻色子

弱相互作用

夸克和輕子

負責核衰變等過程，力程極短

希格斯玻色子

（非力）

（與其他粒子相互作用）

賦予其他粒子質量

它不同于其他玻色子。它是由希格斯場激發的粒子。你可以把希格斯場想象成一個遍布宇宙的“粘稠的蜜糖場”。粒子在這個場中運動時會受到“阻力”，這種相互作用的表現就是質量。W和Z玻色子因此變得很重，而光子和膠子不與希格斯場作用，所以沒有質量。

2.四種基本相互作用及其信使

相互作用

(Force)

傳播子(Boson)

作用的物體

相對強度

力程

日常例子

電磁力

光子(Photon，γ)

帶電荷的粒子

~1/137

無限遠

光、化學、摩擦力、所有接觸力

強相互作用

膠子(Gluon， g)

帶色荷的粒子（夸克、膠子）

~1

短(~10?1? m)

將夸克綁在質子/中子內，將質子/中子綁在原子核內

弱相互作用

W?和 W?玻色子 Z?玻色子

所有費米子（夸克和輕子）

10??

極短(~10?1? m)

β衰變（中子→質子+電子+中微子），太陽核聚變

引力

引力子(Graviton， G)[假想中]

任何有質量/能量的物體

10?3?

無限遠

行星運動、蘋果落地

特殊說明：

膠子：它們自身也帶“色荷”，因此膠子之間也能發生強相互作用，這使得強力異常復雜和強大。

W/Z玻色子：它們非常重（約80-90倍質子質量），這使得弱力的力程極短。

引力子：引力尚未被成功納入標準模型。引力子是試圖量子化引力時預言的粒子

1.希格斯場(Higgs Field)

它不是粒子：首先，希格斯場是一個充滿整個宇宙、無處不在的量子場。你可以把它想象成一個看不見、摸不著但無處不在的“宇宙糖漿”或“希格斯海”。

非零真空期望值：與其他大多數場在真空中能量為零不同，希格斯場在真空中的強度不為零。

2.希格斯機制(Higgs Mechanism)

產生質量的方式：基本粒子（如夸克、電子、W/Z玻色子）在這個“宇宙糖漿”中運動時，會與希格斯場發生相互作用。

相互作用越強，粒子受到的“阻力”就越大，表現出的慣性質量也就越大。

這就像名人在人群中行走，越有名（與場相互作用越強）的人，會被越多的粉絲（希格斯場）包圍和拖拽，就越難加速或減速（慣性大）。

· W和Z玻色子：通過與希格斯場強烈相互作用而變得非常重。W和Z玻色子是一組三種粒子：W?玻色子：帶一個單位正電荷（+1e）W?玻色子：帶一個單位負電荷（-1e）Z?玻色子：電中性（0e）W玻色子質量：約 80.4 GeV/c2（約為質子質量的86倍），Z玻色子質量：約 91.2 GeV/c2（約為質子質量的97倍）

費米子（夸克和輕子）：通過與希格斯場湯川耦合獲得質量。不同粒子耦合強度不同，導致質量差異巨大（如頂夸克極重，電子極輕）。

光子和膠子：不與希格斯場相互作用，因此沒有靜止質量，永遠以光速運動

場的振動：希格斯玻色子（2012年LHC發現）是希格斯場的微小振動或激發的量子。它的發現至關重要，因為它直接證明了希格斯場的存在——我們無法直接看到“海”，但可以通過看到飛濺起的“浪花”（希格斯粒子）來證明海的存在。

弱相互作用

改變粒子身份：這是弱力最獨特的能力。它能將一個種類的夸克（或輕子）轉變為另一個種類

（β?衰變）：在一個中子內部，一個下夸克釋放一個 W?玻色子，轉變為一個上夸克。這使得中子（udd）變成了質子（uud）。釋放出的W?玻色子隨后迅速衰變成一個電子（e?）和一個反電子中微子（ν??）。

d→ u + W?（然后 W?→ e?+ν??）

·太陽核聚變）：太陽的能量來自質子-質子鏈反應，其中關鍵一步是兩個質子融合時，一個質子通過釋放一個 W?玻色子轉變為一個中子。

p?→

力程極短：由于W和Z玻色子質量巨大，根據量子力學中的不確定性原理，它們只能存在極短的時間（~10?2?秒），傳播極短的距離（~10?1?米，約為質子直徑的千分之一）。這使得弱力只有在粒子靠得極其近時才會發生。

n + W?（然后 W?→ e?+ν?，即正電子和電子中微子）

W?/W?玻色子：負責帶電流弱相互作用。參與的過程會改變相互作用粒子的電荷（例如，中子[電中性]→質子[帶正電]）。

Z?玻色子：負責中性流弱相互作用。參與的過程不改變相互作用粒子的身份或電荷，只交換動量和能量。就像一個中微子與另一個粒子通過“交換Z玻色子”而發生彈性碰撞。

由于質量巨大，W和Z玻色子無法在普通環境中穩定存在。們壽命極短（~10?2?秒），會立即衰變成其他更輕的粒子。常見的衰變模式有：

W玻色子：衰變成一個輕子和它的中微子（如 W?→ e?+ν??）或一對夸克-反夸克

Z玻色子：衰變成一對正反粒子對，如正負電子對（e?e?）、正負μ子對（μ?μ?）或一對夸克-反夸克。

引力是四種基本相互作用中最弱，但在宇宙尺度上扮演決定性角色的力。它的現代理解分為兩個層面：經典的宏觀描述（愛因斯坦的廣義相對論）和未完成的量子化描述（尋求量子引力理論）。任何兩個有質量的物體都會相互吸引。

愛因斯坦觀點：根本不存在所謂的“引力”。我們所感知到的引力，只是物體在彎曲時空中沿著最直路徑（測地線）自由運動的結果。

物質/能量告訴時空如何彎曲：太陽這樣的巨大質量會使其周圍的時空結構發生彎曲，就像一個重球放在橡膠膜上會壓出一個凹陷。

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彎曲的時空告訴物質如何運動：地球并不是被一個“力”拉著繞太陽轉，而是因為在太陽造成的時空凹陷中，沿著這個彎曲時空的“直線”（測地線）運動，它的“直線”運動在我們看來就成了一個橢圓軌道。

牛頓觀點（絕對時空觀）：

空間是一個固定不變的、剛性的、平坦的舞臺。時間是獨立、均勻流逝的標尺。物質演員在這個舞臺上運動，但不會影響舞臺本身。空間和時間是分離的、絕對的背景。

愛因斯坦觀點（相對時空觀）：

空間和時間不可分割地交織成四維時空。這個時空不是一個固定的舞臺，而是一個動態的、柔軟的、可以被扭曲和彎曲的實體（就像橡膠膜）。物質和能量不僅是臺上的演員，它們本身就能拉伸和扭曲舞臺。時空從背景變成了一個參與物理過程的動態演員。

牛頓：時間是絕對的，所有觀測者測量到的時間都一樣。

愛因斯坦：引力會使時間變慢（引力時間膨脹）。引力越強的地方，時間流逝得越慢。這已被GPS衛星鐘的修正所證實。

在彎曲時空中，三角形內角和可以大于或小于180度。愛因斯坦場方程 G_μν= 8πG T_μν就是用黎曼幾何的語言寫就的，左邊 G_μν描述時空的彎曲程度，右邊 T_μν描述物質和能量的分布。