量子材料标准模型简史（至1950s），描述粒子及其相互作用的最好理论中国科学院|超导|科学家

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什么是标准模型？?宇宙是由极其微小的物质碎片组成的。物理学家把这些碎片称为粒子。据我们所知，有许多不同类型的粒子不能被进一步分解。它们是宇宙中最基本的物体。物理学家称这些基本物体为基本粒子（elementary particles）。你可能已经了解了其中的一些，比如电子就是一个基本粒子。
除此之外，这些基本粒子之间还存在着力，它们可以相互吸引或排斥。在适当的条件下，两个粒子甚至可能相互湮灭，只留下能量。这些力被称为 \"相互作用\" 。同样，你可能在高中时学到过一种基本的相互作用，电磁力。
那么什么是标准模型？你可能已经在科普书籍中看到过这个术语。如果没有，我将在本文中从头解释一切。物理学是关于创建 \"模型 \"的。一个模型通常是一个数学方程，它是由一组观察结果构建的。根据一个模型，我们通过计算来预测某些事情的发生或某个粒子的存在。
标准模型就是这样一个模型。它是一个目前描述所有已知基本粒子及其相互作用的理论。它被编码在一个拉格朗日函数中。明确地写出标准模型并不难。其数学框架是基于相对论的量子场理论（QFT）。正如我在以前的文章中所写的，量子场理论是一个数学框架，用于将抽象的场变成粒子和其他可观测的量。

目前形式的标准模型

总的来说，标准模型是我们迄今为止最成功的物理理论之一，这一点没有什么争议。我将在这篇文章中谈及标准模型的历史，因为我认为这使我们更容易理解目前形式的模型。由于内容太多，这篇文章将只介绍前半部分（到1950年）
辐射和电子?标准模型涵盖了物理学中两种不同类型的重要概念。第一种是粒子，物质的基本成分。第二种，也是同样重要的，即相互作用。相互作用描述了标准模型所论述的亚原子粒子之间的力。
在20世纪之前，只有两种已知的相互作用，即重力（引力）和电磁力。牛顿和麦克斯韦对这些相互作用进行了重要的研究，他们都是来自剑桥大学的数学家。月球的运动激发了牛顿对引力的研究，牛顿在《原理》中概述了微积分的使用。麦克斯韦在《电磁场的动态理论》中提出了关于电磁波的理论。他提出，光本身就是一种电磁波。他还计算了光速，也就是电磁波的速度。光速是爱因斯坦后来用来制定狭义相对论的东西。
此时，物质的 \"离散性 \"还没有被发现，甚至还不清楚物质是由原子构成的。推动物理学继续发展的是对不同类型辐射的发现。 1896年，玛丽·居里和皮埃尔·居里，以及贝克勒尔和卢瑟福对放射性进行了研究。这种形式的放射性是由不同原子的原子核放射出不同的粒子。
他们发现了三种类型的辐射，每一种都由不同的希腊字母代表α、β和γ射线。 α射线是氦的原子核， β射线只是电子，而γ是光。 α和β衰变是一个暗示，引力和电磁力并不是唯一的两类相互作用。我们现在知道，这些衰变分别来自强相互作用和弱相互作用。与电磁力和引力一起，强相互作用和弱相互作用共同描述了我们已经观察到的自然界的四种基本力量。弱相互作用负责核子的放射性发射。强作用力负责将夸克结合在一起，形成中子和质子。

J·J·汤普森用来测量电子m/e的阴极射线装置。

此后，在1897年， J.J.汤普森是最早利用阴极射线实验测量电子特性的人之一。他计算出了电子的电荷与质量之比。多年以后，是他的儿子利用衍射实验观察到电子的行为是一种波。这个衍射实验是理解粒子可以同时像波一样运动的第一步。
质子和电子的进一步发展?即使在发现了电子之后，关于光的理论还有更多的谜团有待解决。例如，光电效应和紫外线灾难问题表明，光表现为离散的能量包，而不是纯电磁波。这些离散的能量包被称为量子，而我们现在把它们称为光子。
从1900年到1930年，这些观察结果为量子力学的发展提供了灵感。在这一过程中，爱因斯坦提出理论，认为光速就像 \"宇宙的速度极限\" ，无论在什么参考系下，它都是恒定的。这一观察导致了现在所知道的狭义相对论。在1905年9月发表的一篇题为《论运动物体的电动力学》的开创性论文中。今天，这个理论是我最喜欢的。它已经在无数的实验中被观察到，证明了一些奇怪的现象。长度收缩、时间膨胀、相对论质量、普遍的速度限制和质能等价等等。