两种基本力的结合（上）电弱力的基础知识

　　据我们所知，宇宙中有四种基本力：引力、电磁力、强力和弱力。值得注意的是，在宇宙大爆炸的一瞬间，这四种不同的力被认为是来自同一种力。但随着温度和能量的降低，力开始分离成不同的相互作用。引力是在能量密度和温度最高时分离出来的，而后强力也跟着分离出来。剩下的电磁力和弱力，在相对较低的能量和温度之下以电弱力的形式被分离出来。
　　事实证明，我们可以在粒子加速器中模拟电弱力存在的能量，现代粒子物理学有一个相当坚实的理论基础来描述这种合力的性质。但我们想知道的是，这两种力量怎么可能在基本层面上是统一的呢？因为在我们今天生活的温度和条件下，这两者似乎完全不同、完全不相容。
　　例如，电磁力以我们可以观察到的形式存在于我们的周围，它的作用范围理论上是无线的，并且相对较强。另一方面，弱力非常弱，我们无法直接看到它，因为它在小于质子直径的范围内有效。为什么这两种看似不相容的力量在基本层面上是一样的呢？事实证明，将这两种力结合起来的关键就是希格斯玻色子。
　　我们所拥有的关于宇宙的组成和运作的最佳理论是粒子物理学的标准模型。这些粒子，连同它们的反物质伙伴，代表了我们所知道的所有基本粒子。我们可以看到图表右边的红色区域所代表的粒子，被称为规范玻色子，它们代表着其中三种基本力的介导粒子。胶子的交换赋予了强力，光子的交换赋予了电磁力，而W和Z波玻色子的交换赋予了弱力。目前，引力还不适合这个模型。
　　让我们来了解最重要的弱相互作用：中子的β衰变。一个中子是由两个下夸克和一个上夸克组成的。游离于原子核之外的自由中子是不稳定的，在平均15分钟内，它的一个下夸克会通过发射W玻色子变成上夸克，从而使中子变成质子，而这个W玻色子也会立即衰变成电子和反中微子。所以在这个衰变过程中我们能检测到的是电子和反中微子，虚拟粒子（W玻色子）是检测不到的。
　　弱力在这方面是独一无二的，它是唯一能改变基本粒子特性的力。在这种情况下，下夸克变成了上夸克，中子变成了质子。这种弱力衰变对原子的稳定性非常重要，在为太阳提供能量的核聚变反应中也扮演着重要角色。没有它，太阳就不会照耀，我们也就不会存在。
　　我们回到标准模型的图表，你会注意到粒子的质量是用能量来表示的，用的是质能方程去等价。然后，你会注意到把电磁力和弱力结合起来的一个大问题，那就是光子是无质量的，但是W和Z玻色子是有质量的，考虑到这些粒子之间的差异，以及弱力和电磁力的差异，科学家们是如何意识到它们是由相同的物理定律控制的呢？
　　一些物理学家已经注意到一些线索，表明弱力和电磁力可能有关，这其中就包括诺贝尔物理学奖得主谢尔登·格拉肖。首先，虽然电磁力在大尺度上比弱力强数百万倍，但两种力的理论强度在小尺度上（质子直径的千分之一）是相同的。此外，理论模型预测的Z玻色子是不带电荷的，这一点和光子一样。