微观粒子的数量和种类繁杂，命名花样别出，各种粒子的特性和构成关系，更是相互交织，让人难以建立一个清晰的记忆模型。

本文，将会概括性地统计介绍，各种微观粒子的种类与构成关系，从而建立起一个简单清晰的微观粒子图景。

主题目录如下：

• 物质的微观组成
• 微观粒子的构成关系
• 物质粒子
• 粒子名称统计
• 结语

物质的微观组成

宏观物质，最终都是由微观粒子所组成的。

微观粒子从大到小，有分子、原子、质子和中子（原子核）、最后是基本粒子。而基本粒子，就是目前不可再分割的微观最小物质。这里不可分割的意思——是指没有体积与模型图像，无法检测到其内部结构，即：可以作为点粒子（类似质点的概念）来处理。

那么，基本粒子主要由三大类构成——夸克、轻子和部分玻色子（每一类又有多种）。其中，夸克和轻子又称费米子——其构成了物质最开始可被观测的结构。 

费米子是自旋为半奇数粒子的统称，有时也称为物质粒子。而夸克与轻子，只是费米子中的基本粒子，还有很多（由基本粒子构成的）复合粒子也是费米子。

玻色子是自旋为整数粒子的统称，其中有一部分称为规范玻色子（与规范场论关系密切而得名）——其传递了粒子之间的基本相互作用（即传递力）；还有一种特殊的玻色子——希格斯粒子（又称上帝粒子）其所在的希格斯场，则负责产生了（静）质量。

这两类玻色子（规范玻色子与希格斯玻色子），都是玻色子中的基本粒子，还有很多（由基本粒子构成的）复合粒子也是玻色子。

事实上，规范玻色子需要满足规范对称性，即不能有质量，因为存在质量会破坏对称性，而希格斯场的作用，即满足了规律的对称性，也赋予了某些规范玻色子的质量。

规范对称性（Gauge Symmetry）——是拉格朗日函数和运动方程，在对称操作下保持不变的性质，即：对称变换后所有物理量和物理规律保持不变；其中规范，是调节物理系统中拉格朗日函数的冗余自由度。

拉格朗日函数（Lagrangian Function）——是粒子系统的动能减去其势能的运算。

综上可见，费米子中的基本粒子——构建了物质结构，玻色子中的基本粒子——产生了相互作用和质量。

而在费米子与玻色子之中，会有很多不可区分的全同粒子，如电子与电子、光子与光子，即：每一类粒子，都是全同粒子。

那么，在全同粒子之间，会有强烈的相互作用：一类是全同费米子，具有强烈相斥作用；一类是全同玻色子， 都可以凝聚到能量最低态。

另外，费米子——遵循泡利不相容原理（Pauli Exclusion Principle），即：在费米子组成的系统中，不能有两个或两个以上的费米子，处在相同的量子态；而玻色子——则不遵守这个原理，即：在玻色子组成的系统中，多个玻色子可以处于同一个量子态。

于是，费米子系统——不能有全同粒子，量子态可以计数；玻色子系统——可以有全同粒子，量子态不可计数。

量子态相同，就没有办法计数的原因在于，粒子没有明确的轨道，由于不确定性原理，它可以出现的位置是“概率云”，所以就没有办法追踪多个相同量子态中的一个，即不能给相同的量子态“编号”，这样多个相同的量子态就没办法区分，只能算一个，同时测量还会改变全同粒子的量子态，使其变得不同。

而量子态计数对应了微观时间变化的来源，因此，费米子构建的上层物质，也就拥有时间。

量子态与时间的关系，参看主题相关文章。

微观粒子的构成关系

分子是能够独立存在，且保持化学特性的最小物质，分子由多个原子构成，原子是化学反应不可分割的最小物质，原子由质子和中子组成的原子核，及核外电子（属于轻子）构成。

其中，原子核的体积，只有原子的几千亿分之一，但质量却占到了99.97%以上。如果原子是一个足球场，那原子核只是足球场中的一个铅笔大小；如果把原子核放大成网球，那电子会比灰尘颗粒还小，并且其运动轨道将在1000米以外。

 

粒子大小的尺度比较，图片来自大卫·布拉特纳（David Blatner）的《宇宙的尺度》

而原子核中的质子和中子，两者质量差不多（中子略重），约是核外单个电子质量的1800倍以上，且均由三个（不同种类的）夸克构成——由于质子带正电，中子不带电，电子带负电，且质子数与电子数相同，所以原子是电中性。

那么夸克，其实并不能被直接观测到，或被分离出来，只能通过其构造的质子和中子（复合粒子）进行研究——因为夸克禁闭，令夸克不能独立存在，只能以复合粒子的形式出现。

最后，基本粒子中，轻子（如电子、中微子）和规范玻色子，包括希格斯粒子，则可以独立存在，但所有基本粒子都是点粒子，即没有可观测的体积与结构。

物质粒子

物质粒子，正好分成三组，通常被称为“族”或“代”，而每一族或每一代，包括2个夸克和1个电子（或电子的兄弟），以及1个相应的中微子。

• 第一族（第一代），电子、电子中微子、上夸克、下夸克。
• 第二族（第二代），渺子（μ子）、渺子中微子、粲夸克、奇夸克。
• 第三族（第三代），陶子（τ子）、陶子中微子、顶夸克、底夸克。

需要指出的是，在三族中，对应列的粒子，除了质量依次增大，其它性质是完全一样的。

图片来自维基百科

物理学家，现在追溯到了一百亿亿分之一米尺度上的物质结构，证明了我们到目前为止所遇到的每一样事物——不论是自然出现的，还是通过加速器人工产生的——都是由这三族粒子和它们的反物质粒子，组合而成的复合粒子，所构成的。

然而，数不清的“为什么”接踵而来，弦理论专家——布赖恩·格林（Brian Greene），在《宇宙的琴弦》中指出：

• 为什么有那么多基本粒子——特别是，我们周围世界的大多数事物——似乎只需要电子、上夸克和下夸克就够了？
• 为什么有三族？为什么不是一族、四族或者更多？
• 为什么粒子质量看起来是随机分布的？——如为什么τ轻子比电子重约3520倍？为什么顶夸克比上夸克重40200倍？
• 这些数都很奇怪，似乎是随机数，它们是偶然出现的，还是什么神灵选择的？
• 我们宇宙的这些基本特征，能有一个综合的科学解释吗？

值得指出的是，粒子物理的标准模型只是一个近似理论，尽管它可以预测很多实验结果，但其自身有很多很大的缺陷，从美学角度看，也不够简洁优雅。

粒子名称统计

不同角度的分类

• 亚原子——是指比原子还小的粒子统称，也称次原子。
• 费米子——是自旋为半奇数粒子的统称，有复合粒子与基本粒子。
• 玻色子——是自旋为整数粒子的统称，包含规范玻色子，有复合粒子与基本粒子。
• 规范玻色子——是传递相互作用力的基本粒子——有光子、胶子、W和Z玻色子，引力子（未证实）。
• 基本粒子——是不可分割的点粒子——有夸克、轻子、规范玻色子、希格斯粒子（不确定是否有内部结构）。
• 复合粒子——是由多个基本粒子组成的粒子。
• 反粒子——是质量、寿命、自旋与对应粒子相同，但其它所有性质（如电荷）会尽可能的相反，即大小相同符号相反。并且，粒子具有对称性，每一种粒子都有一种反粒子，而反粒子构成了反物质，与正物质相对。正反粒子相遇就发生湮灭，令质量转化为能量。
• 奇异粒子——是有奇异数不为0的粒子，它们的奇特性质是结伴产生、产生快、衰变慢，起初对此无法解释，故称奇异粒子（奇异数，是描述粒子内部性质的一个量子数）。

基本粒子：构成物质基础

• 夸克——是一种参与强力的基本粒子，属于费米子，自旋1/2。
• 轻子——是指不参与强力的基本粒子，属于费米子，自旋1/2。

费米子中的基本粒子——夸克和轻子，构成了物质基础结构。其中轻子，又有以下几类：

• 电子——是基本粒子，属于费米子、轻子，负电荷、负自旋磁矩、自旋1/2。
• 中微子——是基本粒子，属于费米子、轻子，无电荷、无自旋磁矩、接近光速、质量极小、自旋为1/2。
• 渺子——是基本粒子，属于费米子、轻子，负电荷、自旋1/2。

基本粒子：传递力

• 光子——是传递电磁力的基本粒子，属于规范玻色子，自旋为1。
• 胶子——是传递强力的基本粒子，属于规范玻色子，自旋为1。
• W和Z玻色子——是传递弱力的基本粒子，属于规范玻色子，自旋为1。
• 引力子——是传递引力的基本粒子，属于规范玻色子，自旋为2，未证实存在。

玻色子中的规范玻色子——传递了相互作用力，其方式是：交换（即发射和吸收）规范玻色子。

需要指出的是，这种“交换”不仅可以传递斥力，也可以传递吸引力，如在电磁场中，带相同电荷的粒子，传递光子产生斥力，带相反电荷的粒子，传递光子产生吸引力。

可见，光子承担了“信息”的功能，因此我们也称规范玻色子为——信使粒子。

基本粒子：与质量相关

• 希格斯粒子——是基本粒子，属于玻色子，自旋0。

玻色子中的希格斯粒子，在希格斯场中，通过自耦合作用，令自己获得质量。同时，希格斯场也会与基本粒子（W和Z玻色子、夸克和轻子）耦合，使它们获得质量。

耦合作用（Coupling）——是两个或多个物理量之间，产生了持续地相互作用，代表着“成为一对”。这个相互作用，是物理上可以测量的效应，这个效应的强弱可以用耦合常数来表示。那么，力是相互作用，也就是耦合作用，于是力的强弱可以用耦合常数来表示。

耦合常数（Coupling Constant）——是量子论中，相互作用强度的一种度量。例如，电荷就正比与电磁力的耦合强度，而电磁力的耦合强度使用“精细结构常数”来表示。

精细结构常数——是一个数字，表示电子在第一玻尔轨道上，其运动速度和真空中光速的比值（近似为1 / 137），其含义是，电磁相互作用中电荷之间耦合强度的一种度量，或简单说是，电磁相互作用的强度。

基本粒子：与暗物质有关

• 轴子——假设中的粒子，可以解释暗物质，也是“强CP问题”的解决方案。

强CP问题——是指为什么量子色动力学（QCD）会保留CP对称性，也就是说，在标准模型中的对称性，会被弱力破坏，因此也应会被强力破坏，但实际却没有发生这种情况。

CP对称性——是指电荷共轭对称性（C）和奇偶对称性（P）的组合。

复合粒子：原子核

• 质子——是由三个夸克和胶子组成的复合粒子，属于费米子，正电荷、正自旋磁矩、自旋1/2。
• 中子——是由三个夸克和胶子组成的复合粒子，属于费米子，无电荷、负自旋磁矩、自旋1/2。

费米子中的复合粒子——质子和中子（其中有规范玻色子——胶子），构成了原子核。

复合粒子：其它分类

• 强子——是受到强力影响的亚原子的统称，包括重子和介子。
• 重子——是指由三个夸克及胶子组成的复合粒子，属于费米子，自旋半奇数，如质子和中子。
• 超子——是指质量超过质子和中子，并且至少含有一个奇夸克的重子。
• 核子——是组成原子核的粒子统称，属于重子。
• 介子——是复合粒子，属于玻色子，自旋为整数。

结语

原子 = 质子（夸克 + 胶子）+ 中子（夸克 + 胶子）+ 核外电子，而原子又称为“元素”，已知的元素有118种，元素构成了分子化合物，后面的就是化学了。

 

事实上，元素在元素周期表中的顺序，对应了核内的质子数量（中子数量无关紧要），而元素的化学性质，则由核外电子的数量与排列所决定——因为质子数等于电子数，所以元素周期表，体现了元素化学性质的分布规律。