1.引力是决定天体之间以及天体与物体之间的主要作用。
2.电磁相互作用包括静止电荷之间以及运动电荷之间的相互作用。属长程力，除引力外，所有接触力都是大量原子、分子之间电磁相互作用的宏观表现。
以上两种力决定了宏观世界。
弱相互作用和强相互作用是短程力，决定了微观世界，共同主宰粒子的衰变。
3. 弱相互作用对称性低，很多性质在此都不守恒。
4.强相互作用具有最强的对称性，遵从的守恒定律最多。
强度排序：4231. 经历了四力统一 经历了以下过程：
电弱统一理论（23）——M理论（234）——超统理论（1234）
后话：相信不久将来四种力会完美统一，为我们展示一个美妙的世界。呵呵
[学者笔谈]杨海军：探索世界万物质量起源之谜
2012-12-27
- 我们已知的宇宙可以用四种基本力来描述：引力、电磁相互作用力、弱相互作用力和强相互作用力。
- 如果我们无法在实验中找到希格斯玻色子，物理学家将需要构造一个全新的理论来解释粒子质量的起源。
- 不难看出，攀登科学高峰之路是何等艰难和漫长，但这并不妨碍科学家追求真理、揭示自然界奥秘的勇气和决心。
基本粒子质量起源问题
我们已知的宇宙可以用四种基本力来描述：引力、电磁相互作用力、弱相互作用力和强相互作用力。上个世纪初，物理学家曾尝试把这些“力”统一到单一的理论体系中；大约半个世纪前，物理学家有一个重大的突破，他们意识到弱相互作用力和电磁相互作用力之间有着非常密切的关系。根据弱相互作用力和电磁相互作用力之间的基本对称性，这两种力可以用一个统一理论描述，这意味着电、磁、光及某些类型的放射性是被称之为“电弱相互作用力”的各种表现形式。
电弱相互作用理论和量子色动力学理论（QCD，强相互作用理论）构成了粒子物理标准模型的基础。粒子物理标准模型非常成功地描述了我们所知的基本粒子以及它们之间的相互作用。从1897年英国科学家J.J.Thompson 发现电子到2000年在美国费米实验室发现陶子中微子，所有粒子物理标准模型理论框架内的基本粒子包括夸克，轻子和传递粒子之间相互作用力的传播子都已经在实验上得到证实。在过去的一百多年里，粒子物理学家在研究和理解物质最深层次结构方面取得了巨大的成就，约三分之一的诺贝尔物理学奖来自于粒子物理领域。
电弱统一理论的内在对称性要求传递粒子之间相互作用力的传播子不具有质量。电磁相互作用力的传播子-光子满足这一要求，但弱相互作用力的传播子- W±和Z0玻色子都是有质量的。W±和Z0玻色子具有较重质量的事实破坏了电弱相互作用的对称性，这也导致了一些理论计算值没有物理意义，如不作修正，相互作用几率可能大于100％。粒子物理标准模型理论内在的对称性要求基本粒子是无质量的，但是在实验上我们观察到绝大部分基本粒子具有质量。因此，对于粒子质量的来源，理论和实验观察之间存在非常尖锐的矛盾。
粒子物理标准模型理论框架内的基本粒子：夸克，轻子以及传播子
希格斯机制
为了解决这个棘手问题，三个相互独立的研究小组（(F. Englert and R. Brout; P.W. Higgs; G. Guralnik, C. Hagen, and T.W.B. Kibble) 于1964年分别提出了一种机制来解释对称性破缺这一问题。一旦把这个想法纳入到理论公式中，电弱相互作用对称性破缺机制将使基本粒子获得质量。这种机制也解释了为什么弱相互作用在低能区显得弱；传递弱相互作用的传播子具有较重质量，因而弱相互作用是短程力。彼得·希格斯明确指出，该机制的成立需要有一个当时未知的粒子存在，现今我们称之为希格斯玻色子(Higgs boson)。
根据我们目前的理解，所有粒子在宇宙大爆炸刚发生后都是无质量的。随着宇宙的冷却、温度降低到某一临界值，一种无形的场-“希格斯场”开始形成，并充满整个宇宙空间。基本粒子，譬如W±和Z0玻色子，通过与“希格斯场”相互作用获得质量，粒子与场之间相互作用越强，粒子获得的质量就越重。“希格斯场”的存在不仅保持了电弱相互作用理论的内在对称性，而且也解释了我们在自然界中观察到的对称性破缺现象。其它传播子-光子和胶子-并没有与“希格斯场”产生任何的相互作用，依然不具有质量；类似于光子是电磁场的量子，希格斯玻色子是“希格斯场”的量子。因为不能直接观察到“希格斯场”，所以我们利用大型强子对撞机实验（LHC）来产生和观测希格斯玻色子，进而证明“希格斯场”的存在。
寻找希格斯玻色子
从1964年开始，科学家就孜孜不倦地设计各种实验来观测和证实这一大胆的理论预言。直到2012年7月，希格斯玻色子依然是标准模型理论中未被实验观察到的关键粒子。技术上的原因是标准模型理论不能预测希格斯玻色子确切的质量，这使得希格斯玻色子的寻找非常困难，我们必须在一个非常宽的质量区间进行系统的寻找。值得欣慰的是，对于不同的质量，希格斯玻色子的衰变产物具有不同的特征，因此我们知道要寻找的产物并通过探测器中观察到的粒子来计算出它的质量。如果我们无法在实验中找到希格斯玻色子，物理学家将需要构造一个全新的理论来解释粒子质量的起源。
2012年7月4日，欧洲核子研究中心（CERN）的ATLAS和CMS大型国际合作实验组同时发布了关于寻找希格斯玻色子的最新研究成果，实验数据主要来自2011-2012年7万亿-8万亿电子伏特能量的质子-质子剧烈对撞。两个实验组都观察到在126GeV能区附近，发现了一个与希格斯玻色子相一致的新粒子，信号强度达到并超过粒子物理学家判定新发现的置信度5个标准偏差，即发生错误判断的可能性小于300万分之一。希格斯玻色子的存在为粒子物理标准模型理论的完备奠定了基石，也为基本粒子获得质量的对称性破缺机制的起源提供了合理解释。完整的实验分析结果发表在物理学的权威学术期刊上，Phys. Lett. B 716 (2012) 1-29 和Phys. Lett. B 716 (2012) 30-61。世界各大媒体和电台都报道了这项划时代的伟大发现，譬如：纽约时报报道“科学家发现了对宇宙至关重要的神秘粒子”；BBC新闻报道了“大型强子对撞机上发现疑似-希格斯粒子”。
欧洲核子研究中心的大型强子对撞机位于日内瓦西郊，瑞士和法国边境离地表约100米的隧道里，是目前世界上最大的、能量最高的质子-质子对撞机，周长为26.7公里，造价约为60亿美金，每年的运行经费约10亿瑞士法郎。强子对撞机的主要物理目标是通过高能带电粒子的剧烈碰撞来模拟宇宙大爆炸初期的高温高能状态，研究物质最深层次的结构和粒子之间的相互作用力，探索粒子质量的来源及宇宙的起源等基本问题。其中的两个大型国际合作组ATLAS和CMS从上世纪九十年代初就开始形成，目前每个实验组大约3000名研究人员参与，由来自近四十个国家的一百七十多所大学和研究机构组成，几乎所有世界一流大学都参与大型强子对撞机高能量前沿的实验研究项目。上海交通大学粒子物理宇宙学研究所（INPAC）高能粒子物理实验组由学科带头人杨海军教授负责(入选上海千人和中组部青年千人计划，参与欧洲核子研究中心ATLAS实验发现Higgs玻色子)，于2012年10月正式加入ATLAS国际合作组。这将有力地推动交大物理系在大型国际合作项目中开展高能量前沿重大课题的研究，并期望在高能量前沿领域作出具有重大突破或重大发现的研究成果。（见图，左上图为大型强子对撞机示意图，右上图为ATLAS探测器，左下图为实验数据中观测到的H‘ZZ*’4?希格斯候选事例，右下图为杨海军与未安装完毕的ATLAS探测器）
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展望粒子物理标准模型之外的玻色子
在过去半个世纪里，希格斯玻色子一直位于物理学家最想发现名单的前列。然而在最简单的情形下，把“希格斯场”嵌入粒子物理标准模型中并不完全令人满意。它确实可以解释电弱相互作用对称性是如何破缺的，以及传播子如何获取质量， 但它不能预测或解释基本粒子与“希格斯场”互相作用的程度以及这些粒子相应的质量。此外，它既不能解释为什么对称性以这种特定的方式被打破，也无法预测夸克和轻子的质量。 也许，我们会发现希格斯玻色子不同于粒子物理标准模型预言的最简单的一种。许多描述超出标准模型物理的理论（Beyond Standard Model），如超对称理论(Supersymmetry)或复合模型(Composite model)，认为存在一个全新的粒子世界，包括存在各种不同类型的希格斯玻色子。如果我们真能观测到这些新颖的物理现象，将可能引发一场物理学革命，并使得理论物理学家重新思考和挑战人类目前对物质世界最深层次的理解和认知。对于这些可能出现的情形，似乎我们看到的只是冰山的一角，在已知粒子物理标准模型下隐藏着一个更深层次也更基本的理论，它能合理解释我们实验中所观察到的各种物理现象。 有感科研之路 记得当年高中教室里曾挂了几幅字画，其中有一幅写着屈原的诗句：“路漫漫其修远兮，吾将上下而求索”。我至今还记得这几个遒劲的大字，不过那时年少对此感触不深；历经二十多年的学习和研究，对此有了更深的理解。就拿我目前所参与的大型强子对撞机实验来说，这个项目起始于上世纪九十年代初，经过多年的可行性研究，于一九九四年正式批准立项；然后投入六十多亿美金，来自世界各国成千上万的科研人员和工程师历经十四年建造约二十七公里长的环形超导强子对撞机和大型探测装置，直到二零零八年九月才安装完毕，正式启动大型强子对撞机来模拟宇宙大爆炸的初始状态和研究宇宙万物质量起源等基本问题。至此，研究人员已经花费了将近二十年的时间来准备和建造实验仪器和设备，而真正要做的物理研究才刚刚开始。经过三年多的运行，科学家们攻克了重重难关，终于在2012年夏天从海量的对撞数据中发现了期待已久的“上帝粒子”，但仍需要积累更多的实验数据才能进一步确认是否为标准模型预期的希格斯粒子。预计将再花费十多年的时间进行强子对撞实验和数据分析来进一步探索和揭示自然界的奥秘。最近，世界各国的粒子物理学家，包括中国高能物理学家，已经开始考虑建造更大的对撞机-“希格斯工厂（Higgs Factory）”对希格斯粒子的量子属性作更细致和深入的研究。不难看出，攀登科学高峰之路是何等艰难和漫长，但这并不妨碍科学家追求真理、揭示自然界奥秘的勇气和决心，诚如屈原的诗句。 在研究生涯的起点，我遇见了对我影响至深的恩师 - 唐孝威院士。唐先生的人品、学识及科研的精神在学界颇获好评。1998年9月，何梁何利基金评选委员会书面通知唐先生，“鉴于您在科学技术方面的突出成就和对我国科技事业的杰出贡献，经专家提名推荐、初审评议和终审评定的严格评选，何梁何利基金评选委员会决定授予您1998年度何梁何利基金科学与技术进步奖，颁发奖励证书和奖金15万港元”。但令人料想不到的是，唐先生却谢绝了这项殊荣。他说：“我对一切奖励和奖金都看得很淡，只愿意老老实实为祖国多作贡献！”唐先生曾强调：“探索真理是科学家唯一的使命，太关注于个别‘家’或个别‘奖’的出现，对科学研究意义不大。科学家就应该踏踏实实在第一线做学问、做人。”在读研究生时，唐先生就经常告诫我们要先学会做人，再做学问；做学问要踏踏实实，兢兢业业，来不得半点马虎；科研贵在创新等等。唐先生还常教导我们说，“要立足国内进行国际合作实验”。在国际顶级的粒子物理实验室和美国一流大学磨练了十几年后，我毅然决定回到祖国，期望以上海交大为基地参与大型国际合作实验，建立一支在国际上有影响力的高能物理实验团队。唐先生对我回上海交大是很赞赏和支持的，他与上海交大有非常深的渊源；唐先生的祖父唐文治先生曾任上海交大的校长，他从小在上海交大徐汇校区长大，对上海交大有着非常深刻的记忆和感情。 学者小传 杨海军，上海交通大学物理系教授，博士生导师，粒子物理学科带头人，入选“上海千人”和“中组部青年千人”计划。 2000年获中国科学院高能物理研究所和瑞士联邦理工学院 (Swiss Federal Institute of Technology, Zurich) 联合培养博士学位。2000年至2012年在美国密歇根大学 (University of Michigan, Ann Arbor) 物理系工作。先后参与欧洲核子研究中心(CERN)大型正负电子对撞机(LEP)的L3实验(1997-2005)，美国费米国立加速器实验室(Fermilab) 的MiniBooNE实验(2003-2009)和欧洲核子研究中心大型强子对撞机(LHC)的ATLAS实验(2005-至今)。 目前主要参与大型强子对撞机的ATLAS国际合作实验，是ATLAS实验组大批量数据处理和分析的联络人之一。从2000年起致力于在LEP 和LHC上寻找Higgs玻色子。2012年7月4日CERN宣布在LHC上发现Higgs玻色子，他通过Higgs->ZZ*->4l “黄金衰变道”来寻找Higgs粒子，对Higgs玻色子的划时代发现做出了重要的贡献 [Phys. Lett. B 716 (2012) 1-29]。2005至2009年，为美国密歇根大学研究小组的项目负责人 (PI) 参与美国费米国立加速器实验室的MiniBooNE实验，研究结果发表在[Phys. Rev. Lett. 98 (2007) 231801]上，被美国物理联合会 (American Institute of Physics) 评为2007年度十大物理学进展之一。2003年起，在研发和运用先进的“推进的决策树”（Boosted Decision Trees, BDT）方法做粒子鉴别领域作出了开创性的工作。在国际权威物理学术期刊上发表论文300余篇 (包括国际合作组论文)，被引用10000余次。 |
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| [作者]: 杨海军 |
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