磁：天然磁石（Fe₃O₄）能吸铁的现象早已为人所知，并中国人发明了指南针
电：古代人们就发现摩擦琥珀（希腊语“ἤλεκτρον”，ēlektron）能吸引轻小物体。16世纪，吉尔伯特对电现象进行了系统研究。
库仑（Coulomb）建立了库仑定律，定量描述了静电荷之间的作用力。奥斯特（Oersted）发现电流能使磁针偏转，首次揭示了电与磁的联系。法拉第（Faraday）发现了电磁感应定律（磁生电），并提出了电场和磁场的力线概念。
在麦克斯韦之前，电和磁被认为是两种独立的现象。麦克斯韦的重大突破在于他发现：
变化的电场可以产生磁场（位移电流假说）。
变化的磁场可以产生电场（法拉第电磁感应定律）
麦克斯韦从方程中推导出，变化的电场和磁场会以波的形式在空间传播，其速度恰好等于光速。他因此预言：光就是一种电磁波。
这一发现将电、磁、光三大现象统一在一个理论框架下，被认为是19世纪物理学最伟大的成就之一。
1887年，赫兹（Hertz）通过实验产生了电磁波
关于麦克斯韦方程组的详细介绍：
高斯定律
磁路高斯定律
法拉第定律
麦克斯韦安培定律
电荷产生电场。
变化的磁场产生电场。
电流和变化的电场产生磁场。
电场和磁场就这样相互激发，相互转化，从而可以脱离源电荷和源电流，以波的形式在空间传播——这就是电磁波。
方程组预言了电磁波的存在，其传播速度计算值等于光速。
光、无线电波、微波、红外线、紫外线、X射线、γ射线都是不同频率的电磁波，共同构成了电磁波谱。
光的电磁本质：光被确定为特定频率范围（约 4.3×10¹⁴到 7.5×10¹⁴ Hz）的电磁波
强相互作用
强相互作用的来源是“色荷”，只存在于夸克和胶子身上的内在量子属性。“色荷”有三种：物理学家戏谑地称之为“红”、“绿”、“蓝”。带“色荷”的夸克通过交换胶子（传播强力的信使粒子）而紧紧地束缚在一起。胶子本身也带“色荷”，这使得强力非常复杂和强大。我们所能看到的任何稳定粒子都必须是“色中性”的（就像原子整体是电中性一样）。
这通过两种方式实现：
三个夸克组合：一个红、一个绿、一个蓝夸克组合成质子或中子（像三原色混合成白色）。
夸克-反夸克对：一个夸克和一个反夸克（携带反色荷）组合成介子（如π介子）。
强力的直接来源是“色荷”的交换，其根本来源是量子场论中“色荷”场与物质场的相互作用
质子/中子自旋危机
像质子、中子这样的粒子拥有一种内在的角动量，称为“自旋”，一种纯粹的量子特性。科学家最初认为，质子的自旋就等于其内部三个夸克自旋的总和。实验测量表明，三个夸克的自旋加起来只贡献了质子总自旋的~30%。传递强力的胶子本身也有自旋，它们对质子总自旋有贡献。夸克和胶子并非静止不动，而是在质子内部以接近光速做极其复杂的运动，它们的轨道角动量（这直接关联到“旋转”或“绕行”的概念）是质子总自旋的主要贡献者！
在粒子物理学标准模型中，力的性质并非“来自”别处，而是源于宇宙极早期冷却过程中的对称性破缺。在宇宙大爆炸后的极高能量下（比如10^-32秒内），电磁力和弱力是统一的（电弱力），强力可能也和它们统一在一起（大统一理论）。随着宇宙膨胀冷却，宇宙的“相”发生了改变，导致对称性破缺，统一的力才“冻结”成了我们今天看到的截然不同的四种基本力。在这个框架下，强相互作用的强度（耦合常数）和“高速旋转”的动力学行为，是由希格斯场和夸克、胶子的内在量子属性在宇宙冷却后自然呈现的结果。
标准物理模型
费米子：构成物质的粒子（像“砖块”）。夸克和轻子，它们都是** spin-1/2 **的粒子
1.夸克
2.夸克是构成原子核中质子和中子的粒子。它们永远被禁闭在复合粒子内部，无法单独存在。
共有6种口味（Flavor），成对出现（一代比一代质量大）：
代际
夸克
电荷
构成
第一代
上夸克
+2/3
质子和中子的主要成分
下夸克
-1/3
第二代
粲夸克
+2/3
存在于高能碰撞中，寿命极短
奇异夸克
-1/3
第三代
顶夸克
+2/3
质量最大，极其不稳定
底夸克
-1/3
常见复合粒子：质子=两个上夸克+一个下夸克 UUD；中子=一个上夸克+两个下夸克 UDD
轻子可以单独存在，不受强力的影响。
6种轻子也分为三代，每代由一个带电轻子和一个电中性的中微子组成：
代际(Generation)
带电轻子(Charged Lepton)
电荷
中微子(Neutrino)
电荷
第一代
电子(Electron， e⁻)
-1
电子中微子(νₑ)
第二代
μ子(Muon，μ⁻)
-1
μ子中微子(ν_μ)
第三代
τ子(Tau，τ⁻)
-1
τ子中微子(ν_τ)
带电轻子：如电子，是构成原子、决定化学性质的关键。
中微子：幽灵般的粒子，质量极小，几乎只参与弱相互作用。它们穿透性极强，每秒有数以万亿计的中微子穿过你的身体而未被察觉。
玻色子：传递相互作用的粒子（像“信使”或“胶水”）
玻色子是 spin-1的粒子，是力的传播者。它们像球一样在相互作用的粒子之间被“抛来抛去”，从而传递力。
玻色子
传递的力
作用对象
特点
光子
电磁力
带电荷的粒子
长程力，媒介为光，日常生活中最常见
胶子
强相互作用
带色荷的粒子（夸克、胶子）
将夸克“粘”在一起，形成质子、中子等
W⁺， W⁻， Z⁰玻色子
弱相互作用
夸克和轻子
负责核衰变等过程，力程极短
希格斯玻色子
（非力）
（与其他粒子相互作用）
赋予其他粒子质量
它不同于其他玻色子。它是由希格斯场激发的粒子。你可以把希格斯场想象成一个遍布宇宙的“粘稠的蜜糖场”。粒子在这个场中运动时会受到“阻力”，这种相互作用的表现就是质量。W和Z玻色子因此变得很重，而光子和胶子不与希格斯场作用，所以没有质量。
2.四种基本相互作用及其信使
相互作用
(Force)
传播子(Boson)
作用的物体
相对强度
力程
日常例子
电磁力
光子(Photon，γ)
带电荷的粒子
~1/137
无限远
光、化学、摩擦力、所有接触力
强相互作用
胶子(Gluon， g)
带色荷的粒子（夸克、胶子）
~1
短(~10⁻¹⁵ m)
将夸克绑在质子/中子内，将质子/中子绑在原子核内
弱相互作用
W⁺和 W⁻玻色子 Z⁰玻色子
所有费米子（夸克和轻子）
10⁻⁶
极短(~10⁻¹⁸ m)
β衰变（中子→质子+电子+中微子），太阳核聚变
引力
引力子(Graviton， G)[假想中]
任何有质量/能量的物体
10⁻³⁹
无限远
行星运动、苹果落地
特殊说明：
胶子：它们自身也带“色荷”，因此胶子之间也能发生强相互作用，这使得强力异常复杂和强大。
W/Z玻色子：它们非常重（约80-90倍质子质量），这使得弱力的力程极短。
引力子：引力尚未被成功纳入标准模型。引力子是试图量子化引力时预言的粒子
1.希格斯场(Higgs Field)
它不是粒子：首先，希格斯场是一个充满整个宇宙、无处不在的量子场。你可以把它想象成一个看不见、摸不着但无处不在的“宇宙糖浆”或“希格斯海”。
非零真空期望值：与其他大多数场在真空中能量为零不同，希格斯场在真空中的强度不为零。
2.希格斯机制(Higgs Mechanism)
产生质量的方式：基本粒子（如夸克、电子、W/Z玻色子）在这个“宇宙糖浆”中运动时，会与希格斯场发生相互作用。
相互作用越强，粒子受到的“阻力”就越大，表现出的惯性质量也就越大。
这就像名人在人群中行走，越有名（与场相互作用越强）的人，会被越多的粉丝（希格斯场）包围和拖拽，就越难加速或减速（惯性大）。
· W和Z玻色子：通过与希格斯场强烈相互作用而变得非常重。W和Z玻色子是一组三种粒子：W⁺玻色子：带一个单位正电荷（+1e）W⁻玻色子：带一个单位负电荷（-1e）Z⁰玻色子：电中性（0e）W玻色子质量：约 80.4 GeV/c²（约为质子质量的86倍），Z玻色子质量：约 91.2 GeV/c²（约为质子质量的97倍）
费米子（夸克和轻子）：通过与希格斯场汤川耦合获得质量。不同粒子耦合强度不同，导致质量差异巨大（如顶夸克极重，电子极轻）。
光子和胶子：不与希格斯场相互作用，因此没有静止质量，永远以光速运动
场的振动：希格斯玻色子（2012年LHC发现）是希格斯场的微小振动或激发的量子。它的发现至关重要，因为它直接证明了希格斯场的存在——我们无法直接看到“海”，但可以通过看到飞溅起的“浪花”（希格斯粒子）来证明海的存在。
弱相互作用
改变粒子身份：这是弱力最独特的能力。它能将一个种类的夸克（或轻子）转变为另一个种类
（β⁻衰变）：在一个中子内部，一个下夸克释放一个 W⁻玻色子，转变为一個上夸克。这使得中子（udd）变成了质子（uud）。释放出的W⁻玻色子随后迅速衰变成一个电子（e⁻）和一个反电子中微子（ν̄ₑ）。
d→ u + W⁻（然后 W⁻→ e⁻+ν̄ₑ）
·太阳核聚变）：太阳的能量来自质子-质子链反应，其中关键一步是两个质子融合时，一个质子通过释放一个 W⁺玻色子转变为一個中子。
p⁺→
力程极短：由于W和Z玻色子质量巨大，根据量子力学中的不确定性原理，它们只能存在极短的时间（~10⁻²⁵秒），传播极短的距离（~10⁻¹⁸米，约为质子直径的千分之一）。这使得弱力只有在粒子靠得极其近时才会发生。
n + W⁺（然后 W⁺→ e⁺+νₑ，即正电子和电子中微子）
W⁺/W⁻玻色子：负责带电流弱相互作用。参与的过程会改变相互作用粒子的电荷（例如，中子[电中性]→质子[带正电]）。
Z⁰玻色子：负责中性流弱相互作用。参与的过程不改变相互作用粒子的身份或电荷，只交换动量和能量。就像一个中微子与另一个粒子通过“交换Z玻色子”而发生弹性碰撞。
由于质量巨大，W和Z玻色子无法在普通环境中稳定存在。们寿命极短（~10⁻²⁵秒），会立即衰变成其他更轻的粒子。常见的衰变模式有：
W玻色子：衰变成一个轻子和它的中微子（如 W⁻→ e⁻+ν̄ₑ）或一对夸克-反夸克
Z玻色子：衰变成一对正反粒子对，如正负电子对（e⁺e⁻）、正负μ子对（μ⁺μ⁻）或一对夸克-反夸克。
引力是四种基本相互作用中最弱，但在宇宙尺度上扮演决定性角色的力。它的现代理解分为两个层面：经典的宏观描述（爱因斯坦的广义相对论）和未完成的量子化描述（寻求量子引力理论）。任何两个有质量的物体都会相互吸引。
爱因斯坦观点：根本不存在所谓的“引力”。我们所感知到的引力，只是物体在弯曲时空中沿着最直路径（测地线）自由运动的结果。
物质/能量告诉时空如何弯曲：太阳这样的巨大质量会使其周围的时空结构发生弯曲，就像一个重球放在橡胶膜上会压出一个凹陷。
o
o
弯曲的时空告诉物质如何运动：地球并不是被一个“力”拉着绕太阳转，而是因为在太阳造成的时空凹陷中，沿着这个弯曲时空的“直线”（测地线）运动，它的“直线”运动在我们看来就成了一个椭圆轨道。
牛顿观点（绝对时空观）：
空间是一个固定不变的、刚性的、平坦的舞台。时间是独立、均匀流逝的标尺。物质演员在这个舞台上运动，但不会影响舞台本身。空间和时间是分离的、绝对的背景。
爱因斯坦观点（相对时空观）：
空间和时间不可分割地交织成四维时空。这个时空不是一个固定的舞台，而是一个动态的、柔软的、可以被扭曲和弯曲的实体（就像橡胶膜）。物质和能量不仅是台上的演员，它们本身就能拉伸和扭曲舞台。时空从背景变成了一个参与物理过程的动态演员。
牛顿：时间是绝对的，所有观测者测量到的时间都一样。
爱因斯坦：引力会使时间变慢（引力时间膨胀）。引力越强的地方，时间流逝得越慢。这已被GPS卫星钟的修正所证实。
在弯曲时空中，三角形内角和可以大于或小于180度。爱因斯坦场方程 G_μν= 8πG T_μν就是用黎曼几何的语言写就的，左边 G_μν描述时空的弯曲程度，右边 T_μν描述物质和能量的分布。