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这种单纯依靠能量产生粒子的方式本身（也可以说m=E/c2，而非E=mc2）对我们理解亚原子世界是至关重要的。在粒子对撞机中，两束高能粒子迎头相撞，或者撞击静止靶标。这时，快速移动的粒子会停止下来，而施加在这些粒子上的动能转化为四散飞出的新粒子。这些粒子是因撞击而产生的，并非是存在于原有粒子的内部，而是撞击产生的。它们实实在在是完全通过能量而产生的新粒子。大多数这样产生的粒子并不稳定，会分裂为质量更小的粒子，最终成为普通的质子、中子和电子。但是，它们的分裂可以为研究其内部结构提供线索，这进而促进了标准模型的完善。第一步是找到一个可以描述强相互作用的模型。
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现在，将夸克封闭于原子核内部的相互作用力被认为是真正的强相互作用。原子核之间的作用力，最初的强作用力，被看作是这种真正的强相互作用的较弱的痕迹，它们溢出原子核，影响周围的夸克。支持夸克模型的证据一旦得到证实，物理学家们很快就能建立起一个作用于夸克之间的强相互作用模型，因为他们自20世纪40年代以来，已经建立起了一个描述像电子和质子等带电粒子通过电磁感应而相互作用的极其精确的模型。
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这一模型以场理论为基础，就像我们所熟知的磁场，这是一种来自某处而散布在空间中的作用力。对于磁场，我们甚至可以“看到”它是如何起作用的。把磁条放在一张纸的下面，将铁屑撒在纸上，轻轻地弹一下纸面就可以看到铁屑沿磁场磁力线方向排列。因为现代场理论融合了量子物理学说，因而被称为量子场论。量子理论有关电磁感应的一个特殊之处便是光7来自于被称为光子的夸克。光子在量子物理语汇中被称为场量子，而且被认为是由场中被外来能量“激发”出来的那一小部分。
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在20世纪30年代，物理学家们提出：电磁作用可以被表述为带电粒子间光子的交换。这一模型的早期版本预测的带电粒子状态的属性与实验观察到的属性相近，但与实际测量到的带电粒子间相互作用的值不太一致。但是，到了20世纪40年代，这些不一致得到了解决，而且借助量子世界最怪异特点之一的“不确定性理论”，现代量子电动力学理论得以发端。
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量子不确定性实际上非常精确。这一理论由德国物理学家维尔纳·海森堡（WernerHeisenberg）于20世纪20年代晚期提出，最初着眼于粒子的两种惯常属性——粒子的位置与动量（物体运动方向与运动速度的度量单位）。在日常生活中，我们通常认为，原则上可以同时度量物体的位置与动量（比如对台球就可以）。在同一时刻，我们能既知道物体的位置，又知道其去向。海森堡发现对于电子与光子等量子实体来说，情况并非如此——而如今只要我们对其波粒二象性稍加思考，就会觉得这一点是显而易见的。位置确实是粒子的典型属性，但是波在空间中并无精确位置。如果量子实体同时具有（或表现的似乎具有）粒子和波两方面的特性，那么无法精确判定其位置便不足为奇了。
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海森堡发现，量子实体位置的不确定性程度（所处位置的不确定性）与其运动的不确定性（运动方向的不确定性）有关，即位置越精确则动量越不确定，反之亦然。联系两个不确定性的数学方程式如今被称为海森堡不确定性关系（Heisenberg’suncer-taintyrelation）。不确定性的关键之处并非源于人类认知水平浅陋，或者诸如测量电子等物理现象的实验手段之不足等原因。它是依循量子世界的特性而固有的。确切地说，电子的确不会同时具有精确的位置和动量。例如，封闭在原子中的一个电子，在空间中的定位是相当精确的，但是当其围绕电子云运动时，其运动却是不断变化的。像波一样在空间中运动的电子可能具有非常精确的运动，但是它并不在波的“某一点”上存在。
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尽管这些已经够让人不可思议的了，但这还不是故事的全部。量子世界中，同样的量子不确定性适用于另一些相互对应的属性，其中的一组便是能量与时间。把海森堡不确定性关系与爱因斯坦的狭义相对论（该理论探讨的完全是时间与空间的关系）结合起来，我们就知道，假设“你”对看似真空的一定体积的空间进行一段时间的观察，却不能确定其中究竟蕴含着多少能量。对此感到迷惘的不仅仅是“你”。对于位置与运动，大自然本身亦无从了解。如果花费的时间长一点，你就能确定空间是真空的（或者非常接近真空）。但是，花费的时间越短，你对某一体积（的空间）中存在有多少能量就越是无法确定。在足够短的一段时间内，只要能量能在不确定性关系所设定的时间内再次消失，那么就存在一种可能性，在那一时间段内，能量会充满这一体积的空间。
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这种凭空产生的能量可能以光子的形式出现，并且很快消失。或者这种能量甚至会以比如电子之类的粒子形式出现，只要它们是存在于不确定关系所允许的短暂时间中。这种短暂存在的实体被称为“虚拟”粒子，而这整个过程则被称为“真空涨落”。在这个模型中，“真空空间”或者“真空”，从量子的规模来看，是存在扰动的。具体说来，像电子等带电粒子会混迹于大量虚拟粒子与光子中，并且这些虚拟粒子和光子，虽然存在周期短暂，也会与电子发生作用。采用量子电动力学来解释大量虚拟粒子的存在，可以精确预测出与实验中测得的带电粒子属性相一致的结果。实际上，实验结果与这一模型的吻合程度精确到了100亿分之一，或者0.00000001%。我们之所以无法达到更高的精确度，只不过是因为能够进行更精确测量的实验方法尚未设计出来。对于科学模型的检验而言，这已是世上理论与实验的一致性最高的实例了。即便是牛顿的万有引力定律也没达到这种精确程度。从测量的角度来说，量子力学是整个科学界最成功的模型。而且，只有将量子不确定性、扰动真空和虚拟粒子的作用都包括在内的话，才能达到如此高的一致性。整个模型通过了检验。
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因此，当物理学家意欲建立一个夸克与强相互作用之间相互作用的模型时，他们很自然地想到了采用量子力学作为模板，并且试图提出一个类似的量子场理论。在这一模型中，负责传导强相互作用的场粒子被称为“胶子”（gluon），因其将夸克胶合在一起。正如光子与电荷相联系，胶子与另一种称为色子（colour）的电荷相联系，但这一术语与通常所理解的色彩毫无关系。电子只有两种变化，正极与负极，而色子有三种变化，称为红、蓝和绿。为使强相互作用模型有效，需要8种不同的场量子，而电磁模型只需要一种，就是光子。此外，胶子具有质量，这与光子不同。
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基于量子电动力学的强相互作用模型被称为“量子色动力学”（QCD），因其是以色彩名称来表示的。因为场量子种类更多，情况复杂，并且具有质量，QCD（量子色动力学）所做预测与实验结果的一致程度不如QED（量子电动力学）预测得精确，从而意味着标准模型并非是物理界的终极结果。但是，标准模型仍然是我们关于质子与中子等物理原理最好的解释。
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光子与胶子等场量子统称玻色子[为纪念印度物理学家萨蒂恩德拉·玻色（SatyendraBose）]，而我们过去惯常认为的电子、夸克等粒子被称为费米子[以意大利物理学家恩里克·费米（EnricoFermi）的名字命名]。正如玻色子可以看作场量子，费米子也被认为是与“物质场”有关的量子，这进一步混淆了“粒子”与“作用力”的区别。然而，两者之间的确是有区别的。其主要区别是，玻色子仅凭能量便可无限制地产生出来——你每次打亮手电便有数十亿计新生的光子涌入室内。但是，远溯至大爆炸，直至今日，宇宙中费米子的数量一直保持不变。从能量中产生一个像电子一样的“新”费米子的惟一方式，是能同时产生出一个镜像的反粒子（对于本例来说就是一个正电子）。这一镜像粒子具有相反的量子属性（本例中就是带正电荷而非负电荷的电子），因此从计算费米子数量的角度来看，这两种粒子正负相抵，同归于无。关于反物质，本书后面的章节仍要谈到。
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因而，我们现在知道有3种不同的费米子——电子、上夸克和下夸克。我们也知道有3种不同的相互作用——引力、电磁力和强相互作用力。然而，还有一种费米子和相互作用要加进来。标准模型中这些额外的因素是解释19世纪初观测到的一种现象所必需的，但是直到20世纪60年代该现象才用数学方式圆满地表述出来。这一现象称为贝塔衰变，与原子放射出电子（过去被认为是贝塔射线）的过程有关。之所以花了这么长时间物理学家才弄清楚这一现象的原理，是因为随着物理学家对原子结构的探索不断深入，其特性似乎也不断发生变化。
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从某种程度来说，既然原子中含有电子，那么原子可以放出电子是不足为奇的。然而，实验显示，贝塔衰变过程所释放的电子实际上是来自原子中的原子核，可原子核中并不含有电子，只有中子和质子。实验发现，在贝塔衰变过程中，中子分裂出一个电子，并将自身转变为质子。这样，正电荷与负电荷便相互抵消了，宇宙中也没有发生电荷的变化，但是一个额外的费米子似乎是产生了。另外，为了平衡放射出的电子的能量与动能，似乎应有一个看不见的粒子以相反方向从衰变的中子里飞出来。这两个谜题到了20世纪30年代早期才得以解决，即当能量产生出一个贝塔衰变的电子之时，会产生一个对应的费米子，这称作中微子（严格说来，为平衡费米子的数量，还需要产生一个反中微子）。中微子不带电荷而且质量极小，所以直至20世纪50年代这一猜想[由奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利（WolfgangPauli）提出]才被实验所证实，但也仅是“证”实而已。但是，即便在那时，人们也清楚，中子“内部”既不存在电子，也不存在中微子。由于贝塔衰变，中子的内部结构被重新排列，以这两种粒子的形式放出能量，并且将中子转变成质子。
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现在人们用夸克理论来解释这一过程。1个中子含有2个下夸克和1个上夸克，而1个质子含有2个上夸克和1个下夸克。下夸克带有相当于一个电子1/3的电荷，而上夸克带有一个电子2/3的电荷。因而，如果1个下夸克转换成1个上夸克，恰好剩下只有1个单位的负电荷必须被带走，而这一负电荷的缺失，构成1个单位额外正电荷的整体平衡。这便是两个负电荷生成1个正电荷的极好例子。中子变成了质子。电荷由电子带走，而某些额外能量则由反中微子带走。这样，宇宙中费米子的数量和整体电荷的数量保持不变。因为下夸克的质量大于上夸克的质量，而质量等效于能量，一切便能维持完美的平衡。当然了，这还需要有一种额外的相互作用力在相关粒子间起作用。
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这种“新的”相互作用力被称为弱相互作用（因其强度不及强相互作用力）。关于它的理论已经能帮助我们洞悉放射性衰变（当原子核分裂之时）和核融合（nuclearfusion，当核子聚合以产生更为复杂的核子之时，正如恒星内部所进行的）的过程。为了与实验数据相符，弱相互作用要求存在3种玻色子，W﹢和W﹣粒子，每一种都带有适当单位的电荷，以及电中性的z粒子。这种模型比起QCD来，能更方便地用数学方式表述，但是比QED复杂。如今，弱相互作用理论不仅仅用来表述简单贝塔衰变，为描述这一原理，现代贝塔衰变理论的图景可以设想成1个下夸克以W玻色子的形式释放出能量，将自身转变为1个上夸克，然后W玻色子的能量在极短时间内以1个电子和1个反中微子的形式将自身转变为物质。
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W粒子与z粒子像胶子一样具有质量，而模型预测了它们的质量。标准模型最伟大的成就之一，就是在20世纪80年代，位于日内瓦附近的欧洲核子中心的实验室探测到了这些粒子，而且发现它们的质量恰如模型所预测的那样。自那以后，尽管在某些方面标准模型变得越来越复杂，但在另一些方面却愈发简单。
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标准模型的精髓是仅以4种粒子表述我们熟知的物质世界。还有就是四种相互作用8。这4种粒子是电子和中微子（统称轻子），以及上夸克和下夸克。4种相互作用是引力、电磁力以及弱核力和强核力。这便是物理学家们解释地球上一切自然现象和我们能看见的太阳和所有恒星运动所需要的全部东西了。但是，让他们诧异的是，这些竟然还不足以解释在他们的粒子加速器中所观测到的非自然的高能过程。
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的确，在宇宙中似乎只有这四种相互作用在起作用。奇异之处在于粒子世界不仅是双重的，而且在高能量下还会是三重的。如果有足够多的能量，就有可能进一步产生出两代短暂却具有质量的所有4种基本粒子的对应物。首先，存在着与介子中微子相联系而被称为“μ子”介子的电子的重对应物，和两种被称为“粲”（charm）和“奇”（strange）的更重的夸克。其次，是称为τ介子的更重的“电子”，与之相关的是τ中微子，以及称为“顶夸克”和“底夸克”的两个非常重的夸克。欧洲核子研究中心的精密实验证实，这便是终极答案了。无论在粒子碰撞中增加多少能量，都无法再得到第4代粒子。
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当加速器产生出这些更重的粒子之时，它们迅速地衰变，最后变成与第一代粒子相同的粒子。因此，在当今世界，它们只具有学术研究的价值。但是，在能量充沛的早期宇宙环境下，它们可能会大量产生出来，并且对宇宙的演进构成影响。没有人知道，宇宙中何以允许4种基本粒子的更重的演化版本的存在。这是标准模型尚非物理学终极原理的另一个标志。但是不要因此而灰心。甚至当标准模型将这些不受人待见的额外因素加入粒子世界之中时，它也在排除其中一种作用力，同时也为排除另一种作用力指明了方向。
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除了粒子的质量与电荷之外，将W与z玻色子表述为弱场粒子的方程式和将光子表述为电磁场粒子的方程式极其近似。而且，麦克斯韦的电磁方程式已经描述了电荷的问题。20世纪60年代，物理学家们意识到，假如他们能够找到一种将质量加入光子的方法，他们将得到一套惟一的方程式，可以同时表述电磁场和弱场，这样他们就能将这两种场合并为一个“弱电”统一的相互作用。理论物理学家在找到圆满的模型之前，曾多次走错路，钻入了死胡同。9他们提出的模型如今成为标准模型的重要组成部分。这一模型实际上是由在CERN工作的英国物理学家彼得·希格斯（PeterHiggs）建立发展起来的，他试图找到一种强作用力模型，时下众多科学界人士也为这一概念的发展做出过贡献。
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希格斯提出的这一概念是，所有粒子本质上是没有质量的，但是存在一个充斥于宇宙而先前不为人知的“新”场，这种场作用于粒子，使其具有质量。这种场如今称为希格斯场。简单而形象地理解这一原理的方法是，想象如果空间中实际上存在看不见的气体，如空气，那么宇宙飞船的飞行方式就会被改变。在真空中，如果太空探测器是用火箭发动机提供稳定推力，那么只要发动机不断燃烧，探测器便以固定的速率加速。但是，如果探测器是在一个充满同质气体的空间中活动的话，由于空气阻力的缘故，当发动机以稳定的速率燃烧时，探测器的加速度就不会这么高。如果探测器比实际重量更重（质量更大）也会出现同样的效果。同样，无质量的粒子通过希格斯场时也会遇到阻力，于是粒子似乎是被赋予了质量，而这额外的质量取决于个别粒子的性质以及受到希格斯场影响的强度。
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这一模型预测了W和z粒子的质量，并且，正如我们所说，1984年欧洲核子研究中心进行实验的能量已经达到了能按照E=mc2方程产生具有预言的质量粒子的程度。结果发现这些粒子不但如预测的那样，而且质量也分毫不差。这是标准模型最重大的成就之一。但是，这一模型还有一个重要预测尚未得到检验。
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根据该模型，希格斯场像所有场一样，必须具有与之相关联的粒子——希格斯玻色子。这一粒子质量过大，无法在地球上任何一个实验中产生出来。然而，按照计划，2007年欧洲原子核研究委员会将会投入使用称为“大型强子对撞机”（LHC）的新加速器。从大型强子对撞机的巨大规模和高昂造价就可以看出，为了探究到了这一层次的宇宙本质，需要付出多么大的努力。大型强子对撞机深埋在一百米的地下，位于深入坚硬岩石之中周长27公里的圆形隧道中，它利用已经通过CERN现有加速器预先加速到高能状态的质子束，并把这束具有14TeV（1TeV即1万亿电子伏）能量的质子流分开，以两个方向沿隧道运行，迎头对撞。其动能相当于一只飞动的蚊子的动能——但是却是将这些动能压缩到一只蚊子体积的1万亿分之一的粒子上。这一能量足够纯粹用能量制造产生出1000个质子。大型强子对撞机还能将两束铅原子核以略微超过1000万亿电子伏特的能量对撞。大型强子对撞机使用1296个超导磁铁和2500个其他类型的磁铁引导并加速粒子束，其造价约为50亿欧元（接近35亿英镑）。这便是我们检验标准模型所必须付出的代价。如果标准模型确实是正确的，那么LHC全面运转之后应该能很快产生出希格斯粒子。如果能像先前预测的那样发现希格斯子，将会使标准模型更为可信，而彼得·希格斯也一定会得到诺贝尔奖。即便标准模型不能产生出预测的物质，也能为探索亚原子世界的科学模型指出更好的方向。
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因此，我们认为自己已知的内容，是粒子物理学标准模型由能够再衍生两代粒子（原因不明）的两对4种基本粒子（电子和质子，上夸克和下夸克）融合而成。这一标准模型也融合了3种作用力（重力、弱电相互作用和强相互作用），外加希格斯场。这一揽子理论解释了地球上的一切，以及恒星演化的原理。但是，物理学家们想更进一步。他们意欲解释宇宙从何而来，以及恒星与行星之类天体如何生成。正如我们将在第三章所看到的，有确凿证据表明宇宙起源于约140亿年前的一个炽热火球，其能量远超我们通过实验所能得到的能量。因此，为了理解世界从何而来，并且最终理解“我们”从何而来，理论物理学家就必须超越标准模型而深入我们认为自己所知晓之事。
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