我们已经太过于习惯身边的一切事物了，以至于从来没有思考过桌子、手机、杯子……这些生活中经常用到的事物究竟是由什么组成的？这个问题，我们已经追问了2000多年，至今仍没有停止。
20世纪后半叶，物理学家发展出了迄今为止最成功的理论来描述构成宇宙万物的基本粒子。这个理论被称为粒子物理学的标准模型。
标准模型
1.1 新的周期表
先前，我们已经提到过量子力学可以解释元素周期表。这些元素过去被认为是自然界中的基本单元。但是，我们现在知道原子并不是不可分割的。每个原子都包含了原子核，以及围绕着原子核转的电子(e)。原子核则是由质子(p)和中子(n)构成的。而中子和质子则都是由三个夸克(q)组成的。事实上，构成它们的夸克有两种，被称为“上”(u)和“下“（d）。
质子包含了两个上夸克和一个下夸克，我们会表示为：p=(uud)，中子包含了两个下夸克和一个上夸克：n=(ddu)。
看起来，我们已经可以把周期表中的100多个元素缩减为3个：一个电子和两个夸克。但事实上，我们还需要多添加一个被称为电子中微子(νe)的粒子。它并不存在于原子内部，但它在特定的放射性过程中会被创造出来，比如在太阳内部的贝塔衰变。此时此刻，你根本无法想象有多少个中微子正穿过你的身体。但由于中微子会直接穿过我们的身体，甚至是地球，因此我们是不会察觉到它们的存在的。
这四种粒子赋予我们一个全新的周期表：
这个结果多漂亮啊！
但是等等！
事情当然没有这么简单！后来发生了一件很奇怪的事情，至今没人知道为什么会这样。
自然富有深意地为这四个粒子安排了第二代，甚至是第三代！他们都跟刚刚看到的第一代具有相同的性质，除了质量不一样：
在我们所观测的世界中，似乎只需要第一代就足以，为什么会有三代？其中必有其深刻的原因，只是我们还不知道。
这些粒子的质量看起来相当随机。为什么是这些数值？注意上图表格中的数据，上夸克(u)的质量要比下夸克(d)小一点，而在其它两代中却是相反的情况。这是科学中最重要的逆转之一！这意味着中子(ddu)要比质子(uud)重一些。其结果是，如果中子单独存在时，它们会大约在14分钟内衰变为质子。如果上、下夸克的质量反过来，那么质子就会衰变为中子；原子核就会很不稳定，也就不会有任何有趣的化学发生。这意味着这个世界将没有生物、没有生命。
显然，这确实是个相当重要的性质。但这是一个重要的问题吗？我们应该尝试着去回答它呢，还是把它当做是个我们必须坦然接受的幸运意外？
此外，每一种粒子都有一个相应的反粒子——它们质量相同，但电荷相反。这样一来，粒子的数量就直接翻倍。当一个粒子与一个反粒子接触，它们会湮灭。湮灭过程在早期宇宙中特别高效，当时粒子的密度非常高。
事实上，物理学中的一个重大谜题便是：为什么我们现在所观测到的宇宙只充满了物质？我们并不知道发生了什么才导致了只有物质留了下来。
1.2 四种基本力
标准模型中的粒子会通过四种基本力相互作用：
电磁力：实际上，桌子的大部分空间都是空的，但是你依然可以感受到它很坚硬，这是因为电力在发挥作用。当你试图推桌子的时候，你在将你手上的原子里的外层电子推到组成桌子的原子的外层电子里。但由于同电荷相斥，因此电子会相互排斥。
强核力：重元素的原子核包含了大量的质子和中子。但是，质子携带正电荷，所以它们会想要相互排斥。那么是什么将原子核束缚在一起？答案便是强核力。它在质子和中子间发挥作用来抵消电子的排斥力。
弱核力：上文提到，中子是不稳定的，会在大约14分钟内衰变成质子。是什么力触发了衰变的发生？粒子通过强核力发生衰变的寿命通常以秒为单位，而不算是分钟。因此我们需要更弱的力，即弱核力。
引力：我们每天都在体验引力，所以如果我告诉你我们对它的了解实际上最少，或许你会感到惊讶。例如，我们并不知道为什么引力比自然界中的其它三种力弱那么多。一块小小的磁铁就可以轻易地吸起一枚回形针，从而克服整个地球对回形针施加的引力！引力是非常弱的力。两个电子间的电力是它们之间引力的1040倍。只有当大量的粒子结合在一起，比如形成一颗像地球的行星，引力才显得重要。
比粒子更基本的场
费曼曾提出过这样一个有点荒谬的问题：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。（他希望他们会足够聪明到能从中提出量子力学。）
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。
从对称性到力
除了物质场之外，还存在力场。例如电磁力是用电场(E)和磁场(B)来描述的，它们可被统一成一个四维矢量——矢量势，
电磁场的涟漪是光波。量子力学告诉我们这些光波实际上是由粒子组成的：
光子：γ
两种核力拥有相同的作用方式，也有与电场、磁场和矢量势对应的类比。除了下面这个情况，矢量的每个分量本身就是一个矩阵
其中振幅α0...α3为实数。
若要复制弱核力的属性，其分量必须是矩阵类型SU(2)（即行列式为1的2×2酉矩阵）。这样的矩阵有多少个呢？答案是3！（泡利矩阵！）因此我们有三个不同的矢量势与弱核力有关，从而存在三种不同的力粒子：
弱玻色子：W+、W-、Z
弱核力的SU(2)矩阵作用于什么？它必须是由标准模型的物质粒子组成的2-分量矢量。从周期表来看，一个明显的猜测是将夸克与夸克，电子与中微子配对
□ Q代表夸克，L代表轻子。
弱核力的SU(2)矩阵确实作用于这些矢量。(当中子变成质子时发生的下夸克向上夸克的衰变，因此可被认作是一种旋转！）
类似的，与强核力相关的矩阵类型是SU(3)（即行列式为1的3×3酉矩阵）。这样的矩阵又有多少呢？8个！（即盖尔曼矩阵）因此强核力存在8种力粒子：
胶子：g1、g2、…g8
强核力场的SU(3)矩阵作用于什么？强核力只作用于夸克，因此我们要找的是以夸克为分量的3-分量矢量作为矩阵输入。这次，观察周期表并不会发现明显的配对。相反，我们必须假设每个夸克都有三种味：
红、蓝、绿
夸克的这一性质被称为色荷，描述它的理论称为量子色动力学（QCD）。这三种色可以排列成一个矢量，比如对上夸克和下夸克来说
强核力的SU(3)矩阵作用于夸克的这些色矢量，它们不作用于轻子。
在这种语言中，与电磁力相关的是U(1)型矩阵。这样的矩阵只有一个，因此光子也只有一种。
总之，标准模型的力是由矩阵（或对称群）U(1)×SU(2)×SU(3) 决定的。
对于每一个“矩阵场”都有一个“力粒子”：光子对应于电磁力，8个胶子对应于强核力，3个矢量玻色子对应于弱核力。我们把这些都添加到周期表中，就能得到这样一张图：
从虚粒子到真实的力
我们已经学习了足够多的量子力学来理解力在基本粒子之间传递的机制。我们可以更详细地来描述一下这一点。
4.1 海森堡不确定性原理
回忆一下我们在上一堂课中对虚粒子和霍金辐射的讨论。从这里我们可以看出，如果能量为E的激发态生命期小于ħ/(2E)，那么它与真空是不可区分的：
现在我们将用相同的机制来解释标准模型的力。
我们先来考虑一个静止的具有静止质能为mec²的电子（即使电子在运动，你也总能找到它的静止参考系）作为热身。现在想象电子自发地放出一个能量为Eγ的光子。为了维持动量守恒，电子必须有一个大小与光子相同但方向相反的反冲动量。那么电子+光子的结合态就具有能量：
其中KEe是反冲电子的动能。在经典物理学中，这个过程显然是不可能的，因为它违背了能量守恒。然而，在量子力学中，海森堡的不确定性原理则允许能量守恒的暂时性违反：
换句话说，一个自由电子可以放出一个虚光子，只要它能重新吸收光子并在
这段时间内回到初始状态。
4.2 费曼图
费曼发明了一种时空图的简洁方法来描绘这种过程。我们现在称之为费曼图。用它来描绘静止电子放出光子并与之重新结合的过程看起来将会是这样的：
图中的垂直部分意味着电子保持在同一个点上。（如果电子以稳定的速度运动，这些线就会在垂直方向倾斜出一个角度。）中间的环对应于虚态。
现在让我们考虑另一个例子，两个电子以恒定速度相互靠近。在某个时刻t1，其中一个电子放出一个虚光子。为了保持动量守恒，电子必须反冲。此外，根据海森堡不确定性原理，该虚光子必须在Δt = t2-t1 <>
如果两个电子在中间态前后的总能量相等，就不违反物理的量子定律。第二个电子向右反冲是因为它从光子中获得的动量。从费曼图来看，这个过程中好像粒子相互排斥了。所以在量子力学中，我们可以把两个电子之间的电磁力看作是从虚光子的交换中产生的。
要以这种方式去理解吸引力的起源，则需要用到更多的量子力学知识。但这只是细节问题，其思路是一样的。
4.3 量子电动力学
光子交换可以发生不止一次：
此外，在飞行过程中，光子可能会自发地变成电子-正电子对然后又变回光子：
量子力学将概率振幅与这些图联系起来。然而结果是，在量子电动力学（QED）中，
图越复杂，其“可能性越小”。
4.4 量子色动力学和禁闭
强核力只作用于夸克。就像电磁学，但是场是用矩阵表示的。从数字变成矩阵不会有太大的区别。对吗？！事实上，它能使这个问题完全无法解决！
我们可以再画一个费曼图来表示胶子交换时两个夸克之间的力：
在数字（光子）与矩阵（胶子）之间存在至关重要的区别：首先，光子只有一个，但胶子有8个。其次，作为矩阵，这些胶子可以相互作用，而光子则不能。所以我们可以看到非常复杂的图，比如：
而且最重要的是，在量子色动力学（QCD）中
图越复杂，其“可能性越大”！
这意味着用费曼图在QCD中计算事物的方法完全没用了。与QED不同，在QCD中我们不能只画几个简单的图，就能得到精确答案的近似值。QED和QCD之间的区别就像是
和
的区别。
没人见过自由夸克，夸克总是成对或三个一组出现，并且抗拒分离。与之相反的是，当两个带电粒子分离时，它们之间的电场会迅速减小，使电子能脱离原子核。然而，当两个夸克分离时，相互作用的胶子形成狭窄的管（或弦），这些管会把夸克连接在一起，就好像是某种橡皮筋一样。
这在行为上与电荷是完全不同的。夸克之间的力不会在分离时减弱。事实上，它会随着距离的增加而增加。正因为如此，才使得将两个夸克分离需用到无限的能量；它们永远与质子和中子结合在一起。这种现象叫做禁闭。从QCD的方程中证明禁闭是理论物理和数学中最重要的开放性问题之一。如果谁解决了这个问题，谁就能获得克莱学院的100万美元！
4.5 为什么太阳会发光？
我们谈到过，弱核力使自由中子衰变为质子的原因。相反的情况也可能发生（只要我们提供一些能量）：弱核力可以触发质子到中子的转化。与这个过程相关的费曼图是这样的：
一个上夸克会变成下夸克，同时放出W+粒子。然后W+会衰变成一个正电子和一个中微子。这一过程对地球上的生命至关重要。没有它，太阳就无法放出光芒。
正如大家所知道的那样，太阳之所以发光是因为核聚变——轻的原子核结合成重的原子核，并且在此过程中释放出能量。最简单的聚变过程是两个质子结合成一个氦核。然而，这里有一个谜团。质子带有正电，所以它们不喜欢被推到一起。事实上，我们可以证明太阳内部的温度并不够高，因此质子的运动速度不够快，不足以克服电斥力。在这个过程中，弱核力前来救援。由于W粒子的存在，碰撞过程中的一个质子可以转变成中子。新形成的中子和剩下的质子可以非常接近，因为中子不带电荷。脱离了电磁斥力，它们就可以（在强核力的作用下）融合在一起形成氘核。这能迅速导致氦的形成，并在这个过程中释放出维持生命的能量。
质量的起源
在许多方面，弱核力的载力子W和Z都与电磁力的光子相似，但却存在一个重要的区别：W和Z粒子非常重，而光子是无质量的。造成弱玻色子质量大的原因与标准模型中所有其他粒子质量大的原因都相同——希格斯场(h)。
5.1 一个类比
如果没有受过足够多的物理与数学方面的训练，是非常难理解希格斯机制的。我们可以从一个广为流传的比喻开始，然后再在后文中聊到更多的细节。
想象这样一个场景，一群物理学家聚在一个鸡尾酒派对中，他们安静地谈着话，就好比空间充满了希格斯场。
在某个时刻，一位知名的物理学家突然走进了派对之中，当他穿过人群的时候造成了小骚动，他的仰慕者纷纷向他靠拢。
在走进房间之前，这位知名物理学家可以自由的移动。但是当他走进一个满是物理学家的派对时，他的移动速度变慢了，仰慕者使他难以行动。换句话说，他获得了质量。这就好比是无质量的粒子通过跟希格斯场作用而获得质量。
同样的道理，在粒子经过时，希格斯场的局部也会出现畸变。畸变，即环绕在粒子周围的场的聚集，产生了粒子的质量。
现在，假设现在在这间均匀散布着物理学家的房间内，有一个谣言开始散播。
靠近门的那些人会首先听到这个谣言，然后聚在一起讨论细节，再然后他们会转身靠近邻近那些也想知道这个谣言的人。一股聚集的浪潮会穿过这间屋子。由于信息是由成群的人携带的，而正是这些聚集成群的人给了这位著名的物理学家额外的质量，所以携带谣言的群也具有质量。希格斯粒子正是希格斯场中的这样一类粒子。
5.2 漫画之外
对那些不满足于卡通的人，这里还有更多的细节。
在早期宇宙中，希格斯场在各处的值都为零。因此，标准模型中的所有粒子都是没有质量并以光速运动的。随着宇宙膨胀和冷却，在某个临界点，它冷到足以使希格斯场得以凝聚。从那时起，希格斯场在整个空间中具有一个恒定值。与希格斯场相互作用的粒子开始变得具有质量。
有些粒子不与希格斯场相互作用，光子、胶子和引力子就是这样。因此，直线是这些粒子在两点之间的最可能路径：
轻粒子（如电子）与希格斯场发生相互作用的概率很小。这种相互作用会使粒子出现偏转：
一个重粒子（例如上夸克或W和Z玻色子）更有可能与希格斯场相互作用，因此会经历更多的偏转：
粒子之所以有质量，是因为它们与希格斯场的相互作用会迫使它们在空间中曲折前进。标准模型中的所有粒子都是这样获得质量的。不同的粒子在希格斯粒子凝聚中受到的阻碍不同。但这是为什么？会引出了如此巨大的粒子质量差异？我们不知道。
每个场都有一个粒子，在这一点上希格斯场也不例外。所以我们预期有一个粒子与希格斯场的激发对应。这个粒子被称为希格斯粒子或希格斯玻色子。如果我们真的能看到希格斯粒子本身，就会更容易相信希格斯场的存在，也更容易相信赋予其他粒子以质量的机制是正确的。
在过去的几十年里，实验粒子物理学家一直被寻找希格斯玻色子这项任务占据。6年前，他们终于发现了它！希格斯粒子的质量是质子质量的133倍（下图曲线中凸起的部分）：
希格斯玻色子是标准模型的最后一块拼图，现在我们有了一张完整的粒子周期表：
超越标准模型
但故事就这样结束了吗？
我们有理由相信答案是否定的。例如，宇宙学观测表明，标准模型中的粒子占宇宙总物质的比例不足15%，大多数物质是以某种形式存在的暗物质。但我们全然不知暗物质究竟是什么。一个令人满意的粒子物理学理论应该可以解释这点才行。
超对称理论（SUSY）是标准模型的一个备受欢迎的扩展。简单来说，SUSY能克服标准模型的一些理论缺陷。据SUSY看来，标准模型中的每个粒子都有一个对应的隐藏拍档。本质上，SUSY将标准模型的周期表翻了个倍：
如果运气好的话，LHC可能会发现一个超对称的影子世界。此外，标准模型中最轻的超对称拍档将是稳定的，有可能就是暗物质！这样事情就能水落石出。尽管这些年的努力毫无收获，但也许只要足够耐心，或许在不久的未来我们就能知道答案了。
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