在浩瀚无垠的宇宙中，从璀璨的恒星到我们脚下的地球，从构成生命的分子到微小的基本粒子，万物都在遵循着特定的规律运动和演化。这一切的源头，要追溯到 138 亿年前那场惊心动魄的宇宙大爆炸。自那时起，宇宙粒子就以矢量力的形式开启了它们的旅程，一路上径向分量形成了宇宙加速膨胀，而法向弯曲运动分量形成了粒子局部汇聚与碰撞。在漫长的岁月里，逐渐形成了我们如今所看到的丰富多彩的宇宙。

粒子的变速矢量运动：宇宙演化的动力

宇宙中所有物质和粒子运动是以变速矢量力的形式，这个矢量力可以分解为径向和法向两个分量。径向分量最直观的表现就是当前天文观测到的宇宙仍然在加速膨胀，就像一个不断被吹大的气球，星系之间的距离在不断增加。而法向分量则复杂得多，它反映了物质或粒子的旋转弯曲运动特征，我们熟悉的自旋就是法向弯曲运动的一种表现。但自旋并非全部，比如月球，它不仅有自转，还围绕地球公转，同时地球又带着月球围绕太阳公转，太阳再带着整个太阳系围绕银河系中心公转等等，这些都是月球运动中法向弯曲分量的多层级呈现。

每个物质或粒子变速矢量力中径向分量与法向分量的比率各不相同，正是这个独特的比率决定了它们各自不同的性质。不过，许多粒子的比率存在相似性，科学家们可以利用统计数学的方法，根据这种相似性对粒子进行分类研究，这为我们探索宇宙粒子的奥秘提供了重要思路。比如，银河系中的其他恒星系统或河外恒星系统中有没有类似太阳系中恒星与行星的类似比率关系，由此可以找到那里是否存在生命的宇宙条件。

宇宙大爆炸后形成的最初宇宙粒子，每一个都以变速矢量力的形式向空间膨胀运动，并且每个粒子都有着自己的运动目的地。有些粒子的目的地相同，比如它们都朝着太阳中心、地球中心或者月球中心。最终，这些有着相同和相近目标的粒子汇聚在一起，逐渐形成了太阳、地球、月球等天体。以地球的形成为例，在过去的 138 亿年里，那股朝着地球中心运动的原始宇宙粒子，在运动过程中由于矢量存在差异，发生了无数次碰撞。最初形成了夸克之前的粒子，之后夸克粒子之间和与其他粒子之间再次碰撞，形成了不同的原子和分子。这些分子又在多角度方向上发生碰撞与合并，进而形成了大气中的氮和氧等气体分子、海洋中的水和盐等液体分子、地壳中的硅和碳等土壤分子，以及地核中的铁和镍等金属分子。无论是我们人类，还是树上的每一个苹果，它们作为实体，都有着向地球中心运动的目标，其加速运动的径向分量表现为我们能够感知到的地心引力，法向分量则表现为地球自转偏向力 [1]。这些力都起源于宇宙粒子的变速膨胀力，而不需要传递粒子的帮助。

矢量粒子：微观世界的重要成员

在量子场论中，矢量粒子是一类具有特定自旋和变换性质的基本粒子，其核心特征是自旋量子数为 1。自旋是粒子固有的角动量，矢量粒子的自旋在空间中可以有三个不同的取向，对应 + 1、0、-1 三个投影值，这就如同一个陀螺在旋转时，其旋转轴在空间中可以有不同的指向。

矢量粒子还遵循独特的矢量变换规律，在洛伦兹变换下，它的波函数会按照 “四维矢量” 的规则发生变化，这使得它与标量粒子（自旋 0）、旋量粒子（自旋 1/2，如电子）等其他类型的粒子区别开来。洛伦兹变换描述的是不同惯性系间物理规律的不变性，但需要注意的是，自宇宙大爆炸以来，只有大爆炸的起点可以看作是一个参考点，之后形成的各类天体都不能作为真正的惯性参考系，相对参考系也会随着时间和空间的变化而发生改变。

在自然界中，现有观点认为已知的矢量粒子大多承担着传递基本相互作用的角色，是相互作用的 “媒介粒子”。不过，从宇宙整体运动规律来看，所谓的 “传递粒子” 或 “媒介粒子” 其实是引力世界观下的一种认知，实际上是参考系的选择问题对我们理解粒子的运动本质产生了偏差 [2]。所以，引力的“传递粒子”——“引力子”很难被找到，也不存在，而引力波反映的是当前宇宙粒子空间分布的不均匀性。

常见的矢量粒子有光子、W⁺、W⁻、Z⁰玻色子以及胶子。光子是传递电磁相互作用的粒子，也是光的基本单元，它的静止质量为 0，我们每天看到的阳光、灯光都是由光子组成的。W⁺、W⁻、Z⁰玻色子负责传递弱相互作用，其中 W 玻色子带有电荷，Z 玻色子不带电荷，并且这三种玻色子都有静止质量，弱相互作用在原子核的 β 衰变等过程中发挥着重要作用。胶子则用于传递强相互作用，它存在于原子核内，负责将夸克束缚在一起，胶子的静止质量为 0，且带有 “色荷”，认为是强相互作用使得原子核能够稳定存在。

除了这些人们已经发现和命名的粒子，宇宙中还存在大量尚未被认识的物质和粒子，它们的特性、质量大小各不相同，难以计数和计量，这为我们未来探索更多未知粒子提供了可能。

为了更清晰地了解不同类型粒子的区别，科学家们通过对比来认识并做标记。从自旋量子数来看，矢量粒子的自旋量子数为 1，标量粒子为 0，旋量粒子常见的为 1/2；在自旋投影值方面，矢量粒子有 + 1、0、-1 三个，标量粒子仅 0有一个，旋量粒子有 + 1/2、-1/2 两个；变换规律上，矢量粒子遵循四维矢量变换，标量粒子遵循标量变换（变换后数值不变），旋量粒子遵循旋量变换；典型粒子分别为光子、W⁺/W⁻/Z⁰玻色子、胶子，希格斯玻色子，电子、夸克、中微子；主要作用方面，矢量粒子传递基本（电磁、弱、强）相互作用，标量粒子如希格斯玻色子赋予其他粒子质量，旋量粒子构成物质基本单元（如电子构成原子）。人们为这些已被认识了的微观粒子赋予这么多的感官名称加以区别的标记，就像地心引力和地球自转偏向力（科里奥利力）的感官名称取名那样。

希格斯机制与夸克 “色荷”：微观世界的关键密码

希格斯玻色子：赋予粒子质量的 “关键角色”

希格斯玻色子是目前唯一被发现的基本标量粒子，它在粒子物理中有着至关重要的地位，其核心功能被认为是通过 “希格斯机制” 为其他粒子赋予质量。

宇宙中弥漫着一种名为 “希格斯场” 的量子场，希格斯玻色子被认为是这个场的激发态，这就好比水面振动会产生涟漪，希格斯玻色子就如同这涟漪一般。不过，从宇宙演化的角度来看，希格斯场的形成是由于宇宙中先前的两类粒子发生碰撞，形成了大量人们命名为希格斯粒子的粒子，这些粒子几乎布满了空间，进而形成了希格斯场。而且，希格斯粒子再与其他粒子发生正交碰撞，还会形成不同质量的新物态。2012 年，欧洲核子研究中心发现的希格斯粒子只是众多粒子中的一种，这也说明粒子物理标准模型实际上是非常复杂的。

不同粒子与希格斯场的相互作用强度不同，这就决定了粒子质量的大小。相互作用越强，粒子在希格斯场中碰撞时受到的 “阻力” 越大，表现出的质量就越大；反之，若粒子完全不与希格斯场相互作用（碰撞），如光子，那么它的质量就为 0。我们可以用一个通俗的类比来理解 “质量起源”：把希格斯场比作 “充满人群的宴会厅”，普通人（质量小的粒子，如电子）穿过人群时，几乎没人注意，能快速通过（不碰撞）；知名明星（质量大的粒子，如顶夸克）穿过时，会被人群围堵、拖拽，发生碰撞；空气（无质量的粒子，如光子）穿过时，完全不与人群碰撞，能以最快速度传播。这里的 “人群围堵”，就对应粒子与希格斯粒子的碰撞机会，一旦碰撞就会产生新的物态，有了质量。

希格斯玻色子的发现具有重大意义，它被认为补全了粒子物理标准模型的最后一块拼图，让我们对粒子质量的起源有了更深入的感性认识。同时，我们也要知道，宇宙大爆炸时的宇宙粒子质量极小，几乎可以看作没有质量，但如今像太阳、地球、月球这样的天体都拥有巨大的质量，这些质量正是从质量无穷小的宇宙粒子经过无穷级次碰撞得来的。粒子的体积和质量大小，取决于旧粒子碰撞形成新粒子时变速矢量力的两个分量比率。

夸克 “色荷”：强相互作用的 “核心密码”

“色荷” 并非我们日常生活中所看到的颜色，而是夸克所携带的一种内禀属性，它是强相互作用发生的基础，类似于电磁相互作用中的 “电荷”。

夸克共有 3 种不同的色荷，在物理学中，科学家通常用 “红、绿、蓝” 三种颜色名称来区分它们，当然，这只是一种标识，与实际颜色没有任何关系；反夸克则携带对应的 “反色荷”，即反红、反绿、反蓝。人类发现的夸克粒子，只是宇宙粒子后来经过多次碰撞后才形成的一类粒子，其中还存在不同的区别或差异，人们用三种颜色来进行区分，以便更好地研究和描述它们。

强相互作用通过胶子传递，并且胶子自身也携带色荷。强相互作用有一个核心规则 ——“色禁闭”，也就是说任何独立存在的粒子都必须是 “色中性” 的。例如，质子由 2 个上夸克和 1 个下夸克组成，这 3 个夸克的色荷（红、绿、蓝）会组合成 “白色”，从而达到色中性状态。强相互作用的强度极强，它能将夸克紧密束缚在质子、中子等强子内部，这也是原子核能够稳定存在的关键。需要强调的是，强相互作用和弱相互作用的本质区别，并不需要通过中间介质（如玻色子或胶子）来传递能量或发生作用，不同新粒子的本质取决于变速矢量力的两个分量比率差异。

对撞机与宇宙探索：认识宇宙的有限与无限

人类一直致力于探索宇宙的奥秘，为了认识更多的微观粒子，科学家们建造了超长隧道的对撞机，指望做成与大爆炸以来相反的碰撞过程与机会，通过让粒子在对撞机中高速碰撞，来模拟宇宙早期的环境，从而发现新的粒子。欧洲核子研究中心的大型强子对撞机就是其中的代表，它帮助科学家们发现了希格斯玻色子等重要粒子。

然而，宇宙大爆炸形成的最小基本粒子 —— 宇宙原始粒子，在过去的 138 亿年中，随着宇宙的加速膨胀，在变速矢量力的两个分量比率作用下，发生了多角度的碰撞，尤其是正交碰撞，形成了人类尚未发现和命名的大量微观粒子。希格斯粒子只是其中可能的一种，而且每一种微观粒子都充满了宇宙加速膨胀的空间。所以，人类指望通过超长隧道对撞机来认识宇宙中所有种类粒子是非常有限的，不管我们给这些粒子起什么名字，用什么符号和颜色来区分，都不可能穷尽认知宇宙中的所有粒子。

但这并不意味着我们的探索没有意义，虽然我们无法穷尽宇宙中所有物质和粒子的奥秘，但我们可以认识宇宙中粒子形成和演化的统一规律 —— 正交碰撞生新态。正是这种正交碰撞，产生了千姿百态的物质和粒子甚至天体，构成了我们这个绚丽多彩的宇宙。从宇宙大爆炸到如今的星系纵横，从微观粒子的奇妙运动到宏观天体的壮丽演化，宇宙的奥秘等待着我们不断去探索、去发现。未来，随着科学技术的不断进步，我们或许会对宇宙粒子有更深入、更全面地认识，进一步揭开宇宙神秘的面纱。总之，我们的宇宙还处于“整体膨胀与局部收缩”的状态中，如银河系如同大洋上的台风还在收缩中。

参考文献

[1] Qian WH (2024) The Essence of Gravity Is the Expansion Tendency of the Universe After the Big Bang. J Modern Physics 15: 804-849.

[2] Qian WH (2025) Expanding Force in Astronomy and Updraft Force in Meteorology. J Modern Physics 16: 267-285.

来源: 钱维宏