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现在我们知道，他们失败的原因并不是因为这是不可能完成的任务，而是因为他们使用的能量远远不够！对于库仑力来说，同号电荷是相互排斥的，但原子核内部带正电荷的质子们却没有四散开来，原因就在于它们之间存在另一种更强大的吸引力——强相互作用力，这种力名副其实，它真的很强大。强相互作用力就像原子内部的魔术贴，只要质子和中子靠得足够近，魔术贴就会把它们黏在一起。它非常强大，需要极其巨大的力量才能将其克服。
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举个例子，如果两个氢分子（每个氢分子包含两个氢原子）以每秒50公里的速度相撞，分子就会被撞碎，原子就会相互分离开来；然而，如果你想撞碎原子核，将其中的质子和中子分开来，你需要让两颗氦原子核（每个氦原子核包含2个质子和2个中子）以每秒36 000公里的惊人速度迎面相撞，才有机会撞飞质子和中子——这个速度是光速的12%，如果你以这个速度前进，从纽约到旧金山只需要0.1秒。
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在自然界中，当温度极度炙热，高到几百万摄氏度时，就会发生这样猛烈的碰撞。早期宇宙中就发生了这样的事情。那时候宇宙中没有任何原子，只有氢等离子体（也就是单个的质子），正是因为当时的温度实在太高，即使质子和中子黏附在一起组成了较重的原子，也会很快被撞碎。随着宇宙逐渐膨胀和冷却，曾经出现过短短几分钟时间，在那段时间内，猛烈的撞击尽管依然超出质子之间的电荷斥力，但却敌不过强大的“魔术贴”的力，于是质子和中子逐渐黏合在一起，形成了氦元素——这正是被伽莫夫称为太初核合成的阶段（见第2章）。太阳内核也非常炙热，温度和宇宙早期差不多，都位于那个魔法般的范围内，促使氢原子聚变成氦原子。
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经济学原理告诉我们，如果一种原子很稀缺，它就会很昂贵；物理学原理则告诉我们，如果一种原子需要很高的温度才能生成，那它就很稀有。这两种原理结合起来，我们就能推断出：假如原子会说话，那最昂贵的原子就能讲出最精彩的故事。诸如碳、氮和氧这类普通原子（它们和氢一起，组成了你身体96%的重量）都很便宜，因为与太阳类似的普通恒星在濒临死亡的挣扎中就可以制造出这些元素。之后，这些元素又可以回到宇宙的循环系统中，孕育出新一代恒星。昂贵元素的故事却截然不同。金元素是在猛烈的恒星死亡事件——超新星爆炸中生成的。这种爆炸在宇宙中很罕见，它在短于一秒钟的时间内释放出的能量，相当于可观测宇宙中其他所有恒星释放的能量总和。难怪炼金术士们造不出金子呢！
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粒子物理学乐高
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如果万物都是由原子组成的，而原子又是由更小的构件组成（中子、质子和电子），那么，它们是否还能被分为更小、更基本的构件呢？历史经验告诉我们一种可以找出答案的实验方法——让这些已知的最小构件彼此猛烈相撞，看它们能否被撞碎。许多大型粒子对撞机都在尝试这个实验。然而，在日内瓦附近的CERN（欧洲核子研究组织）实验室里，即使加速到光速的99.999 999 999%，也没有丝毫迹象表明电子能被撞碎成什么更小的东西。不过，撞击质子和中子却得到了不一样的结果——它们确实是由更小的粒子所组成的，我们称之为上夸克和下夸克。2个上夸克和1个下夸克组成一个质子（见图6-1），2个下夸克和1个上夸克构成一个中子。此外，在对撞的过程中，还生成了一系列前所未知的新粒子（见图6-3）。
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图6-3 目前粒子物理学的标准模型（图片来源：CERN）。
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人们给这些新粒子起了稀奇古怪的名字，比如，π介子、K介子、Σ粒子、Ω粒子、μ子、τ子、W玻色子和Z玻色子。这些粒子十分不稳定，瞬间就会衰变成我们所熟悉的普通粒子。精细的探测器发现，在这些粒子中，除了最后4个以外，其他都是由夸克组成的——不仅有上夸克和下夸克，还有4种不稳定的新夸克，分别叫作奇夸克、粲夸克、底夸克和顶夸克。人们发现，W玻色子和Z玻色子负责传递所谓的弱相互作用力，它们与放射性有着密切的关系，还是光子的表兄弟——光子是一种玻色子，负责传递电磁力。在玻色子大家族中，还有一个成员叫作胶子，能将夸克们捆绑在一起，组成更大的粒子。而最近发现的希格斯玻色子则将质量赋予其他粒子。此外，人们还发现了一些鬼魅般的稳定粒子，如电子中微子、μ中微子和τ中微子。这“三兄弟”非常害羞，它们几乎不与其他粒子发生相互作用——如果一个中微子撞在地面上，它会直直地穿过地面，穿越地球，并从地球的另一边毫发无伤地飞出去，继续一往无前的太空之旅。最后必须要说的是，几乎所有粒子都拥有一个“邪恶”的双胞胎——反粒子。如果粒子和反粒子相撞，就会彼此湮灭成一股纯粹的能量。表6-1中总结了本书所涉及的一些重要粒子及其相关概念。
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表6-1 理解微观世界所需要了解的一些重要物理学概念
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到目前为止，尚无证据表明玻色子、夸克、轻子（这是电子、μ子和τ子的家族名称），以及它们的反粒子还可继续分成更小或更基本的构件。但是，由于夸克在宇宙乐高层级（见图6-1）中位于三层以下，所以，就算你不是福尔摩斯，也会怀疑：我们无法触探更深层级的原因，是由于粒子加速器的能量不够。实际上，在第5章里我们已经提到过，弦理论正是这么想的，它认为，如果我们能用巨大的能量（大约是今天所使用能量的10万亿倍）让这些粒子相撞，我们就会发现，它们都是由振动的弦所组成。同样的基本弦以不同的方式振动，就产生了不同类型的粒子，就像同一根吉他弦按在不同的品位就会弹出不同的音调一样。弦理论的竞争对手是圈量子引力论，这个理论认为，万事万物并不是由微小的弦组成的，而是由所谓的“激发引力场的量子回圈自旋网络”构成——真拗口，如果你不懂这是什么东西也没关系，因为即使是弦理论和圈量子引力论领域内最忠实的践行者也不敢声称自己完全弄懂了这些理论……那么，万物到底是由什么构成的呢？基于目前最前沿的实验证据，答案很清楚——我们还不知道。但是，我们有充分的理由相信：目前已知的万事万物，包括时空自身的结构，最终都是由一种更加基本的构件所组成的。
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数学乐高
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尽管现在我们还不知道万物构成的终极答案，但我们已经找到了一个令人激动的线索，前面也曾提到过。对我来说，有一件事让我感到十分狂热，那就是在CERN的大型强子对撞机中，两个相撞的质子产生了一个质量为质子97倍的Z玻色子。我曾经认为质量是守恒的，这很好理解，就好比两辆法拉利轿车相撞，当然不可能撞出一艘游轮，因为游轮的质量远大于两辆车的质量之和。所以，两个粒子相撞竟然产生了一个质量大于二者之和的新粒子，这听起来不是很像庞氏骗局吗？不过别忘了，爱因斯坦教导我们，能量E可以被转换为质量m，它们的关系是E=mc2，其中c代表光速。所以，如果在粒子相撞时，正好有一些动能可以任你安置，那么这些能量中的一部分就有可能被转换成新粒子。换句话说，总能量是守恒的（也就是保持不变），但是，粒子对撞过程对能量进行了重新分配，可能将一部分能量转变成之前不存在的新粒子。
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动量也存在类似的情况。在台球游戏中，当白球撞到一颗原本静止的球时，后者直直飞向落球袋，而白球则逐渐慢下来，这个过程中，总动量是守恒的，但是进行了重新分配。守恒是物理学上最重要的发现之一。不止能量和动量，还有许多其他的量也是守恒的，我们最熟悉的例子是电荷，还有一些守恒的量比如同位旋和色荷。还有一些量在许多重要情境下是守恒的，比如轻子数（等于轻子的数目减去反轻子的数目）和重子数（等于夸克的数目和反夸克的数目分别除以3之后相减，由于质子和中子都包含3个夸克，所以它们的重子数都等于+1）。表6-2中列出了这些不同的粒子所具有的量的数目（称为量子数）。你会注意到，它们许多都是整数或简分数，在质量一列中还有3个数并未准确地测出来。
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表6-2 不同的粒子所具有的量的数目
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注：所有已知的基本粒子都可以由一套独特的“量子数”来进行描述，该表就展示了一些范例。除了自身的量子数以外，粒子不具有任何其他性质。从这个意义上说，粒子是纯粹的数学对象。表中的质量对应着创造一颗静止粒子所需要的能量。我所使用的单位十分有趣，是MeV，相当于你用100万伏特的电压来加速一个电子时，它所能获得的动能。
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我还记得一个“冷战”时期的笑话，说的是在西方世界，所有不被禁止的事情都是被允许的，而在东方，所有不被允许的事都是被禁止的。有趣的是，粒子物理学似乎遵循前者：所有不被禁止的反应（也就是违背某些守恒定律的反应）在自然界中都可能真的发生。这意味着，应该被我们看成物理学基本构件的，是守恒量，而非粒子本身！所以，粒子物理学只是对能量、动量、电荷等守恒量进行了重新分配。比如，按照表6-2，要烹制一个上夸克，需要将2/3个单位的电荷、1/2个单位的自旋、1/2个单位的同位旋和1/3个单位的重子数糅合在一起，最后再洒上些许MeV的能量，一道上夸克大餐就做好了。
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那么，能量和电荷这种量子数又是由什么组成的？什么都没有——它们只是数字！一只猫也拥有能量和电荷，但除此之外它还拥有许多其他的性质，比如名字、味道和性格。所以，如果有人声称猫只是一个纯粹的数学对象，声称仅用两个数字就能完全描述它，似乎太过疯狂。然而，我们的基本粒子小伙伴们却能被量子数完全描述，除此之外不具备任何内禀性质！从这个角度看，我们绕了一大圈，又回到了柏拉图的面前。因为，正如他所认为的那样，宇宙万物是由一些微小的基本单位组成的，就像乐高积木一样，而这些基本单位似乎只是纯粹的数学对象，它们除了数学性质以外，不具备其他特性。在第9章，我们将更详细地讨论这个观点，那时你会发现，这也仅是一座巨大的数学冰山露出水面的小小一角而已。
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在更技术的层面，如果你问“粒子是什么”，一些物理学家可能会油嘴滑舌地回答道：“它是拉格朗日量对称群不可约表示的一个元素。”这也太拗口了，一段本应愉快的聊天很可能就此画上了句号。但不管怎么说，它确实是一个纯粹的数学对象，只比数字的概念更广泛一点点。当然，弦理论或它的竞争理论都可能加深我们对粒子的理解，但是，所有主流理论都只是用一个数学实体来替代另一个而已。比如，假如表6-2中的量子数正巧对应着不同类型的超弦振动，那么，你就不应该把这些弦想象成用金棕色猫毛编成的毛茸茸小物件，而应该把它们看作纯粹的数学概念。它们只是在物理学上被冠以“弦”的名字，以强调它们具有一维的本质，这样就可以用那些不那么晦涩的日常事物来打比方了。
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大自然就像一个乐高金字塔，每一层都由不同尺度的基本单元构成。如果我儿子亚历山大想玩乐高，他只能玩工厂生产出来的乐高，工厂生产什么乐高，他就只能玩什么乐高。假如他想玩原子的乐高，玩法是将它们放在火中炙烤，或浸入酸液中，或用其他方法来改变原子的排布，那么，这些事情叫化学；如果他想玩原子核乐高，玩法是用某种方法重新排列原子核内部的中子和质子，生成新的元素，那么，他做的事情叫核物理学；如果他用光速来对撞他的乐高块，让中子、质子和电子的能量、动量和电荷等发生重新分配，让它们变成新的粒子，那么，他做的事情叫作粒子物理学。最深层的构件似乎只是纯粹的数学对象。
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光子乐高
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并不是只有物体才由积木一样的基本构件组成，光也是如此，我们在本书第一部分提到过这一点。1905年，爱因斯坦推断，光是由一种粒子构成的，这种粒子称为“光子”。