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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”。
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在爱因斯坦提出这个观点之前的40多年，詹姆斯·麦克斯韦（James C.Maxwell）就已发现光是一种电磁波，这是一种电干扰。如果你能精确地测定一束光线上两个点之间的电压，你就会发现它会随时间来回振荡。振荡的频率f（每秒振荡的次数）决定了光的颜色，振荡的强度（你测到的最大电压）决定了光强。我们在第3章提到过的“万远镜”就能测量这种电压。根据频率的不同，人们为不同的电磁波起了不同的名字，根据频率从小到大分别将其命名为无线电波、微波、红外线、红、橙、黄、绿、蓝、紫、紫外线、X射线、伽马射线等。尽管名字不同，但它们实际上都是光，由一个个光子组成，只不过形式不同而已。发光体每秒释放出的光子越多，它就越明亮。
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爱因斯坦意识到，光子中蕴含的能量E是由频率f决定的，它们遵循一个简单的方程：E=hf，其中，h是一个名为“普朗克常量”的自然常数。常数h非常小，所以一个普通的光子内只含有非常微小的能量。如果我在阳光明媚的海滩上躺1秒钟，一共会有1021个光子落到我身上，温暖我的身体，所以感觉起来很像一股绵延不断的光流。然而，如果我朋友送我一些能遮住90%光线的墨镜，我同时戴上21副这样的墨镜，那么1秒钟内，在之前的那些光子中，大约仅有1个光子能通过墨镜的重重阻隔，只有灵敏的光子探测器才能发觉它的存在。
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爱因斯坦获得诺贝尔奖，正是因为他用这个想法来解释了光电效应（photoelectric effect）：光具有“击”出金属中电子的能力，这种能力只取决于光的频率（也就是光子的能量），而与光强（光子的数量）无关。低频光子无法完成这项任务，因为它们的能量不够，这就好比扔网球去砸碎玻璃窗，如果你使的力气过小，那么不管你扔多少个网球，玻璃也毫发无伤。今天的太阳能电池和数码照相机的图像传感器上都用到了与光电效应有关的技术。
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马克斯·普朗克（Max Planck）获得了1918年的诺贝尔物理学奖，因为他发现，爱因斯坦对光子的想法同样能解释另一个困扰人们多年的谜：为何以前人们对发光发热物体的热辐射计算总是不正确。彩虹（见图1-5）展示了阳光的光谱，也展示了多种不同频率的光。人们知道，物体的温度T可以用来度量它内部粒子运动的快慢。人们还知道，一个粒子的动能E遵循公式E=kT，其中k代表玻尔兹曼常量（Boltzmann’s constant）。在太阳内部，当粒子相撞时，大约有kT这么多的动能被转变为了光能。
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不幸的是，对彩虹更详细的预测陷入了一个困境，被称为“紫外灾变”（ultraviolet catastrophe）。光强会向着图1-5的右侧（也就是向着更高的频率）永远增加下去，所以只要你向任何一个有温度的物体（比如，你最要好的朋友）瞥一眼，你就会立刻被伽马射线亮瞎眼。然而，“光由粒子组成”这个事实将救你一命：太阳发光时，只能一个一个地释放出光子，制造一个光子所需要的能量通常是kT，这个能量太小，与制造伽马射线的能量hf相比还差得远呢，所以你一点也不用担心。
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凌驾于物理定律之上？