茶杯、冰块、圆珠笔、绿植、沙发......这些我们日常生活中所熟悉的东西都是由什么组成的？
显然，它们有着不同的材质、颜色和形状，这是否意味着它们是由不同的东西组成的？如果我们能够将它们一直分割下去，是否会发现它们其实都是由某些最小的单元组成的？
一开始，原子被认为是构成物质的基础单元，原子的英文“atom”一词有“不可分割”之意。科学家发现了100多种不同类型的原子，将它们排列在那张悬挂于世界各地化学教室墙上的元素周期表中。
○ 元素周期表中的元素并不是在宇宙诞生后就全部出现的，而是在漫长的宇宙演化历史中，逐渐在不同的物理过程中形成的。| 图片来源：Jennifer Johnson
但原子并非故事的结局，如果将它们进一步分割就会发现，它实际上是由更小的基本粒子组成的。在过去的50年，物理学家已经发现了许多的粒子，并构建了描述这些粒子复杂相互作用的模型。
不可分割的基本粒子
上个世纪，物理学家发现原子实际上是由更小的质子、中子和电子构成的。质子和中子组成了原子核，而电子则围绕着原子核旋转。原子核周围的电子会与其他原子中的电子结合，并形成复杂的排列；这种结合正是化学的基础，也是我们周围各种物质之所以形态、性质各异的基础。
然而，质子和中子仍不是不可分割的结构，它们是由被称为上夸克和下夸克的粒子构成的。就目前所知，夸克和轻子（如电子）是最基本的。
当我们说“基本粒子”的时候,指的是不能再由更小的粒子构成的粒子。而基本粒子又分为两类：费米子（Fermion）和玻色子（Boson）。
所有的夸克和轻子都属于基本费米子。所有的粒子都具有自旋（粒子具有的内稟性质，相关但不等同于经典力学的角动量）的性质，费米子的自旋为半整数（即1/2、3/2...)，而且都遵守费米-狄拉克统计（在统计力学中用来描述由大量满足泡利不相容原理的费米子组成的系统中，粒子处在不同量子态上的统计规律）。
另一方面，所谓的玻色子，是自旋为整数（0、1、2..）的粒子，并且遵守玻色-爱因斯坦统计（与费米子不一样，玻色子在某一个能级下，可以容纳无限个粒子）。玻色子包括：规范玻色子（光子、W玻色子、Z玻色子和胶子）和希格斯玻色子（发现于2012年）。规范玻色子被称为载力粒子，它们是传递基本力的媒介粒子，比如光子负责传递电磁力（如下图）。
简单的说，这些载力粒子就是两个粒子之间的信使。基本力就是通过载力粒子的交换而产生的，这已经得到了实验数据大力的支持。
希格斯玻色子则非常特殊，它来自于充满空间的看不见的场。没有它，我们就不会存在，因为粒子会通过与场相互作用从而获得质量。
比基本粒子更基本的场
费曼曾提出过这样一个问题：假设人类的所有知识都被抹去，你只能将一条与自然有关的信息传达给重新开始的新生文明，那会是什么？它显然不能是复杂的数学——它必须是某种能用通俗语言解释的简单东西。费曼回答的是他会告诉他们关于原子的事。或者更准确地说，他会告诉他们物质是离散的，是由基本的结构单元构成的。
然而，在过去的几十年里，我们逐渐认识到宇宙中最基本的单元并不是粒子和原子，而是场。20世纪的关键突破之一便是认识到这一点：
自然界中每种粒子都有其不同的场。
宇宙中充满了场，比如夸克场、电子场、中微子场、光子场和希格斯场等等，而我们所认为的粒子只是这些场的“激发态”（或者说是场的局域振动），就像海洋中的涟漪。
因此，粒子物理学的研究就被称作为量子场论。
支配万物的基本力
物理学家经过过去一个世纪的努力，已经搞清楚了自然界中共有四个基本力，所有其他的力都可以被归纳为这四种基本力。例如，日常生活中我们熟悉的摩擦力、磁力、原子核衰变等等都是由这四种基本力之一所引起的。
○ 四种基本力。
如果按强弱悬殊来排列着四种力的话，它们分别是强核力（将原子核束缚在一起），电磁力（作用在带电粒子间），弱核力（支配了粒子的衰变），最后是引力（作用在拥有质量的物体之间）。它们的媒介粒子分别是胶子、光子、W和Z玻色子，以及假想的引力子（目前描述引力最好的理论是广义相对论，一些试图量子化引力的理论提出了引力子）。
物理学家的夙愿是统一这四种基本力。在高能下，电磁力和弱核力的确已经被统一成电弱力。一些物理学家认为，在更高的能量下——远远超越了我们目前在实验所能达到的能量——强核力、弱核力和电磁力会统一成一个“大统一”的力。这样的一个理论被称为“大统一理论”（GUT）。
○ 大统一理论：三种基本力在高能下会统一在一起。
有许多物理学家也经常随意地使用“基本力”和“基本相互作用”。严格来说，力是因为一个粒子的存在影响了另一个粒子；而粒子的相互作用包括了全部影响它的力，也包括了粒子可能经历的衰变和湮灭。因此“相互作用”的用法更加准确。通常你可以随意使用两者，但必须记住它们间的区别。
粒子加速器
要探索这些粒子，我们面临着两个问题：
我们不能用光来探索这些粒子的结构，因为光的波长太长了。
如何产生那些物理学家想要研究的大质量的粒子？
为了解决这两个问题，物理学家就需要粒子加速器。
物理学家无法用光来探索这些粒子的结构，因为光的波长太长了。为了看到最小的粒子，物理学家需要波长尽可能小的粒子。但是，在自然界中大多数的粒子都具有相当长的波长。物理学家如何把粒子的波长减少，使粒子可以成为探子呢？我们要记住一个事实：所有的粒子都具有波的性质，即所谓的波粒二象性。由于能量和频率是正比的，能量和波长是反比的。因此当粒子在加速器中被加速到越高的能量时，波长就足够小到可以穿进原子内部。
○ 质能等价：E代表能量，m代表质量，c代表光速。
接着我们需要知道的是爱因斯坦的狭义相对论。该理论最深刻的洞见就是发现了质量和能量之间是等价的，物体的运动速度越接近光速，它的质量就变的越大。结果就是，在加速器中的粒子被加速到越接近光速，它们获得的能量就越高。如此就可以创造出很多不稳定的大质量粒子，进而研究它们的性质。
大型强子对撞机
欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）是世界上最强大的粒子加速器。它将两束质子加速至非常高的能量，绕着周长27公里的环形轨道不断加速，并将它们进行对撞。对撞并不是发生在任意的地方，而是固定的对撞点，它们被探测器包围着。
○ 大型强子对撞机LHC。
最出名、最大的两个粒子探测器是ATLAS和CMS（如上图）。除了这两个，还有LHCb、ALICE、TOTEM、MoEAL和LHCF。它们都肩负着不同的使命在寻找、研究不同的粒子。
一个典型的现代探测器包括了四个主要部件：追踪室、电磁热量计、强子量能器和μ介子室。每一个部件都负责探测不同的粒子，比如下图：
○ ATLAS探测器。| 图片来源：ATLAS
上图中的虚线表示探测器探测不到的粒子，比如中微子，因为中微子基本不与粒子作用。我们只能由缺少的物质或能量来推测中微子的存在。
值得一提的是：
带电粒子，比如电子和质子，只能在追踪室和电磁热量计中被探测到。
在追踪室中，我们无法探测到中性粒子，比如中子和光子。只有当他们与探测器作用时，我们才能察觉到它们的存在。借由电磁热量计可以探测光子，而中子可由其在强子量能器观测到。
每一种粒子在探测器中都有其独特的行为。比如，如果物理学家只有在电磁热量计中才探测到某个粒子，那探测到的粒子一定是光子。
LHC是环形加速器，美国的相对论重离子对撞机（RHIC）也是另一个比较有名的。但除了环形加速器，还有其它种类的加速器，比如直线加速器。中国、欧洲都有计划建设下一代的加速器。
当然，除了在加速器中创造粒子，还有许多的粒子来自外太空。例如，太阳除了辐射出光以外，还辐射了大量的中微子。
背后的方程
到目前为止，以上提到的基本粒子都很容易记住。这些基本粒子又可以组成许多的复合粒子，比如中子和质子以及上百种其它的粒子。
而描述这些基本粒子以及它们之间的相互作用的理论叫做粒子物理学的标准模型。通常提到标准模型，你会看到类似一张这样的图：
○ 标准模型包含了夸克、轻子和玻色子。
标准模型包含了三个群：SU(3)、SU(2)和U(1)。每个群都代表一个规范相互作用。强相互作用的规范群是SU(3)，而电弱作用的规范群是SU(2)×U(1)。所以标准模型也被称为SU(3) × SU(2) × U(1)。而标准模型背后的数学公式看起来是这样的：
○ 标准模型的拉格朗日量，其中包含了五个独立的部分，描述了胶子，玻色子间的相互作用，与希格斯场的基本作用等等。| 图片来源：T.D. Gutierrez
未解的难题
在过去的几十年中，标准模型极其成功，但它也并不完备，其中最显而易见的是它并没有将引力囊括进来。此外，还有许多问题都是标准模型无法回答的，比如：
什么是暗物质？
等级问题：为什么引力比其它的基本力弱很多？
中微子是自己的反粒子吗？
强-CP问题：为什么只有弱核力违反宇称守恒，而跟它相似的强核力却不违反？
为什么今天我们看到的宇宙主要是由物质构成？
等等。
为此，物理学家发展了许多超越标准模型的理论。它们都有着十分酷炫的名字，比如大统一理论、超对称和弦论等等。但可惜的是，这些所谓的超越标准模型的理论还没能成功地预测到任何新的实验现象。今天，标准模型似乎还未到升级更新的时刻，这对标准模型来说是件值得庆祝的事，它仍然是迄今描述（几乎）万物最完美的理论。
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