图7-1 费曼图例。右边的费曼图有多种释义，其中一个如左图所显示（由下往上看），两个电子进入作用区域，交换一个光子，然后两个电子离开。这一图示还可以解释为电子-正电子湮灭。
但是，并非所有QED过程中的光子都会湮灭。除了一些虚幻的介子或是内部粒子[32]之外，如那些引起电磁作用，然后瞬间湮灭的光子，还有一些真正的、外来的光子。它们是进入作用区域，然后离开的粒子。这些粒子有时会产生路线偏移，有时会转化为其他粒子。无论是哪种情形，这些进入或离开的粒子都是真实的物理粒子。
量子场论
量子场论是我们研究粒子的工具[33]，它的基础便是能够产生或毁灭这些粒子的永恒的、无处不在的对象。这些对象即量子场论的“场”，这个名字受到了电磁场的启发。与经典的电磁场类似，量子场也遍布于时空。但量子场却发挥着不同的作用，它们会产生或吸收基本粒子。根据量子场论，粒子可以在任何地点、任何时间产生和毁灭。
量子场论
量子场论是我们研究粒子的工具，它的基础便是能够产生或毁灭这些粒子的永恒的、无处不在的对象。这些对象即量子场论的“场”，这个名字受到了电磁场的启发。与经典的电磁场类似，量子场也遍布于时空。但量子场却发挥着不同的作用，它们会产生或吸收基本粒子。根据量子场论，粒子可以在任何地点、任何时间产生和毁灭。
例如，一个电子或光子可以在空间中任何地方出现或消失。通过粒子的产生与毁灭，量子过程允许宇宙的带电粒子数量发生变化，每一个粒子的产生与毁灭都有其特定的场。在量子场论中，不仅电磁力，其他所有力和相互作用都是以场来描述的。场能产生新粒子，也能让已存在的粒子消失。
根据量子场论，粒子可被想象成量子场的激发态。一个没有任何粒子的状态是真空，它所含的场是不变的；而有粒子存在的状态所包含的场会发生相应的隆起和弯曲：场得到一个隆起就产生一个粒子；当它将这隆起吸收，场再归于稳定，粒子便被摧毁了。
产生电子和光子的场必须是无处不在的，这样才能保证在时空中的任一点，所有的相互作用都会发生。这一点很重要，因为相互作用只发生在局部，也就是说，只有同一地点的粒子才有可能参与相互作用。超距作用更像是天方夜谭，粒子没有超感觉（ESP）——它们必须通过直接接触才能发生相互作用。
当然，电磁场里的相互作用发生在并非直接接触的远距离粒子之间，但这是因为有能与相互作用的带电粒子直接接触的光子或其他粒子的帮助。在这种情况下，电荷看似立即对彼此产生了影响，这只是因为光速非常快。实际上，相互作用只发生在局部过程中。光子先是遇到一个带电粒子，然后再遇到另外一个。因此，就在带电粒子的那一确切位置，场生成，并毁灭了光子。
反粒子与正电子，从科幻进入现实
量子场论还告诉我们，每一个粒子都必然存在一个与它相反的对应物，称作反粒子。汤姆·斯托帕德（Tom Stoppard）在他的剧作《谍变》（Hapgood）中这样描述反粒子：“当一个粒子遇到它的反粒子时，它们会彼此消融，会转化成能量爆炸，这你能理解。”所有的科幻迷都知道反粒子——它们是用来制造毁灭宇宙武器的东西，也是电影《星际迷航》中“进取”号航空母舰的驱动力。
反粒子
量子场理论还告诉我们，每一个粒子都必然存在一个与它相反的对应物，称作反粒子。反粒子是粒子物理世界观里的真实组成部分。
这几种应用都是虚构的，但反粒子并非虚构。反粒子是粒子物理世界观里的真实组成部分。在场论与标准模型里，它们同粒子一样重要。实际上，反粒子就和粒子一样，只不过是具有相反的电荷。
保尔·狄拉克在创立量子场论描述电子时，第一次遇到反粒子。他发现，与量子力学和狭义相对论都协调的量子场论必须包括反粒子。他并非刻意地将它们添加进来，在他纳入了狭义相对论时，理论就自然出现了。反粒子是相对性量子场论的必然产物。
为什么说反粒子会随狭义相对论出现，这里大致解释一下：带电粒子能在空间里前后移动，那么根据狭义相对论，我们就可能天真地以为，这些粒子在时间中也能够前后移动。但就我们所知，无论粒子还是我们知道的其他任何东西，都不能在时间里向后流动。事实是带相反电荷的反粒子取代了逆时间倒流的粒子。反粒子产生了倒流粒子所能产生的效应，这样，即便没有逆流，量子场论的预言也能与狭义相对论互相协调。
假想一部电影的播放是带负电荷的大量电子从一点流向另一点。现在，想象倒着放映这部电影，那么负电荷会向后流动，（就电荷来说）这就等于正电荷在向前流动。正电子（电子的带正电荷的反粒子）就形成一个向前流动的正电子流，它们的表现就像是逆时间倒流的电子。
量子场论告诉我们，如果存在任何一种类型的带电粒子，如电子，就必然存在一个对应的带相反电荷的反粒子。例如，电子的电荷是-1，而正电子的电荷则是+1。除了电荷之外，反粒子与这个电子完全一样。质子的电荷也是+1，但质子要比电子重2 000倍，因此不可能成为它的反粒子。
正如斯托帕德说过的：当两者发生接触时，反粒子和粒子确实会互相消融，因为粒子与其反粒子的电荷相加总是为零。所以，当粒子遇上其反粒子时，它们会彼此湮灭。粒子和反粒子在一起，它们不带电荷，因此，我们由爱因斯坦的公式E=mc2可知，所有的质量都会转化为能量。
另一方面，如果有足够的能量，也可以让粒子与反粒子之间互相转换。在高能粒子加速器里，既可以毁灭粒子，也可以生成粒子。物理学家用粒子加速器来进行重粒子研究的实验，重粒子质量太大，在我们常见的物质里找不到。在对撞机里，粒子和反粒子相撞，彼此湮灭，由此会突发大量的能量，从而生成新的正反粒子对。
物质——尤其是原子，是由粒子而非反粒子构成的，因此，像正电子等反粒子，通常在自然界中并不存在。但在对撞机里，在宇宙的高温区域，甚至在医院里（人们用正电子发射断层扫描[PET]来发现癌症），它们都可以暂时生成。
格里·加布里埃尔斯（Gerry Gabrielse）是我在哈佛大学物理系的同事，他一直在杰弗逊实验室的地下室里制造反粒子。多亏格里及其他人的贡献，我们才精确地知道，尽管电荷相反，但反粒子确实和它们对应的粒子一样，有相同的质量和引力作用。只是反粒子很少，也不足以构成危害。科幻迷们尽可以放心，反粒子对建筑物的危害，远不及不断兴建新的实验楼和办公楼所带来的危害严重，因为这些建筑的兴建，总是伴随着大规模的环境破坏和噪声污染。
电子、正电子和光子是最简单、最容易得到的粒子，电磁力和电子成为物理学家最先理解的标准模型成分，并非出于偶然。但电子、正电子和光子不是仅有的粒子，而电磁力也不是仅有的力。
弱力
尽管在日常生活中我们可能注意不到弱作用力，因为它们非常微弱，但在许多核过程中，它至关重要。许多形式的核衰变都要归因于弱力；事实上，中子本身的衰变也要归因于弱力，核过程改变了原子核的结构，而通过这些过程，原子核里的中子数发生变化，释放出大量能量，这些能量可以用于核武器或核弹，也可以用于其他目的。
在图4-3和图4-4中，我列出了已知的粒子和除引力之外的力。[34]图中未列出引力，是因为它与其他力有着本质的区别，必须区别对待。弱力和强力，尽管名字平凡，但其性质却非常有趣。后面两部分，我们就来看看它们究竟是怎样的。
弱力和中微子
尽管在日常生活中我们可能注意不到弱作用力，因为它们非常微弱，但在许多核过程中，它至关重要。许多形式的核衰变都要归因于弱力，比如钾-40的衰变（就在我们的地球上，它的衰变非常缓慢——平均大约要100万年，足以持续给地核供热）；事实上，中子本身的衰变也要归因于弱力，核过程改变了原子核的结构，而通过这些过程，原子核里的中子数发生变化，释放出大量能量，这些能量可以用于核武器或核弹，也可以用于其他目的。
弱力在重元素的生成中发挥了重要作用，重元素是在剧烈的超新星爆发时产生的。弱力与恒星（包括太阳）发光也有紧密的关系：它会激发连锁反应，使氢转化为氦。由弱力引发的核过程，有助于使宇宙组成不断演变。根据我们的核物理知识可以算出，大约10%的宇宙史前氢被用作了恒星的核燃料（令人高兴的是，剩下的90%保证了宇宙短期内无须依赖于外来能源）。
尽管弱力非常重要，但科学家意识到它的存在却是不久之前的事。1862年，当时最受推崇的一位科学家威廉·汤姆逊（William Thomson，后来的开尔文爵士[35]），因为不知道核过程是由弱力引起的（这很正常，因为那时弱力还未被发现），只是大致地估算了太阳和地球的年龄。汤姆逊的依据只有唯一的已知光源——白炽光，他推测太阳得到的能量使它的生命不可能超过3 000万年。
达尔文却不喜欢这一结果，通过估算位于英格兰南部的威尔德峡谷侵蚀形成所需要的年限，他得出的地球最小年龄更接近正确的结果。达尔文认为3亿年这个数字可能性更大，因为依据自然选择，地球才能有足够的时间出现如此大量的物种。
但所有人——包括达尔文自己，都以为汤姆逊是对的，因为他是那么一位负有盛名的物理学家。达尔文如此信赖汤姆逊的推导和声誉，以至于在他最新版的《物种起源》里，略掉了自己的估算时间。直到卢瑟福发现辐射的重要意义后[36]，达尔文关于地球年龄的观点所遭受的质疑才得以澄清。不过，最终人们确定地球和太阳的年龄大约是45亿年，这远远地超过了汤姆逊和达尔文的估算。
20世纪60年代，美国物理学家谢尔登·格拉肖和斯蒂芬·温伯格（Steven Weinberg），以及巴基斯坦物理学家阿卜杜斯·萨拉姆（Abdus Salam），虽然都在独立地（且并非一定和谐地）工作，却共同创立了弱电统一理论。这一理论解释了弱力并提供了有关电磁力的新见解。[37]
根据弱电统一理论，就像光子的交换传递电磁力一样，称作弱规范玻色子的粒子交换产生了弱力作用。弱规范玻色子有三种：带电的两种，W+和W-（W代表弱力，+号和-号是规范玻色子的电荷）；中性的一种，称作Z（因为其电荷为零）。
如光子的交换一样，弱规范玻色子的交换所产生的力也可以是相吸或相斥的，这取决于粒子的弱荷。弱荷在弱力中所发挥的作用，就如电荷在电磁力中所发挥的作用。只有携带弱荷的粒子才会经受弱力作用，而它们携带的特定弱荷会决定它们所经受的相互作用的强度和类型。
但是，在电磁力和弱力之间也有几处重要的差别，其中最令人吃惊的是弱力要区分左右，或者如物理学家所说的“宇称不守恒”定律（violates parity summetry）。宇称不守恒定律意味着粒子与其镜像的表现互不相同。20世纪50年代，美籍华裔物理学家杨振宁和李政道提出了宇称不守恒定律，1957年，该定律被另一位华裔物理学家吴健雄所验证。杨振宁和李政道获得了当年的诺贝尔物理学奖。可奇怪的是，吴健雄这位唯一在标准模型构建中作出贡献的女性，却没有因其重大发现而获得诺贝尔奖。
有些宇称不守恒现象我们应该是熟悉的，例如，我们的心脏都在身体的左边。如果当初我们换种方式进化，让人的心脏长在右边，那我们也会像现在一样，认为所有的人体特征就应该是这样子的。心脏在左边还是右边，应该不会影响根本的生物进程。
1957年，吴健雄进行了这一实验，但在这之前的许多年里，物理定律（尽管不一定是物理对象）“显然”不会有任何手征偏好，毕竟没有理由必须这样。当然，引力和电磁力以及许多其他的相互作用力都没有这种区别。可弱力，自然界里一种基本的力，却要区分左右。尽管令人惊讶，可弱力确实打破了宇称守恒定律。
一种力为什么会选择这种旋向而放弃另一种呢？答案就在费米子自旋里。就如要旋紧螺丝，你必须顺时针旋转而不能逆时针旋转一样，粒子也有它的旋向性，以表明其自旋方向（见图7-2）。许多粒子，如电子和质子，会选择一种自旋方向：要么向左，要么向右。“手征”一词来源于希腊语的“cheir”，意思是“手”，在这它指的是两种可能的自旋方向。粒子可以是左旋的，也可以是右旋的。就像我们的指纹，有的向左旋，有的向右旋。
图7-2 夸克和轻子可以是左旋的，也可以是右旋的。
弱力打破了宇称守恒定律，是因为它会以不同方式作用于左旋粒子和右旋粒子，只有左旋粒子才经受弱力。例如，左旋电子会经受弱力，而右旋的则不会。实验清晰地显示了这些——这就是世界运行的方式，但为什么会这样，却没有一个直观的、力学上的解释。
你能想象一种力只作用于你的左手而不作用于你的右手吗？我所能说的就是，宇称不守恒定律虽然令人瞠目，却是久经验证的弱相互作用的属性，它是标准模型最引人入胜的特征之一。例如，中子衰变时出现的电子总是左旋的。弱相互作用打破了宇称性，因此，当我列出全部的基本粒子和作用于它们的力时（见图7-6），就需要分别列出左旋粒子和右旋粒子。
图7-3 中子与弱规范玻色子相互作用图。与一个W-规范玻色子的相互作用将一个中子转换成一个质子（中子里包含的下夸克转换成质子里的上夸克）。
虽然宇称不守恒似乎非常奇特，但它还不是弱力唯一的新奇属性。第二个同样重要的属性是：弱力能真正将一种粒子类型转化为另一种（却仍旧维持原来的电磁荷总量）。例如，当一个中子与一个弱规范玻色子相互作用时，就可能出现一个质子（见图7-3）。这与光子的相互作用完全不同，光子永远不会改变任何类型的带电粒子的净数量（即粒子数减去反粒子数），如电子数减去正电子数。为了对比，图7-4列举了一个光子与一个电子的相互作用，一个电子进入，而后变成另一个电子（同时附上了我们以前用过的简图）。一个带电弱规范玻色子与中子和质子的相互作用，使一个孤立的中子衰变成了一个完全不同的粒子。
图7-4 光子-电子相互作用图。曲线指的是光子，如左边简图所示，电子进入，与光子相互作用，然后沿相互作用的顶点方向离开。
但是，因为中子与质子有着不同的质量，且携带着不同的电荷，所以为了维持电荷、能量和动量守恒，中子衰变成质子必须加上其他粒子。结果是，当中子衰变时，它不仅产生了一个质子，还产生了一个电子和一个中微子[38]，这一过程叫作贝塔衰变（beta decay，见图7-5）。
图7-5 贝塔衰变。贝塔衰变中，一个中子通过弱力作用衰变成一个质子、一个电子和一个反中微子。右图为这一过程的费曼图：一个中子转化成一个质子和一个虚拟的W-规范玻色子，W-规范玻色子接着转化成一个电子和一个反中微子。
第一次观察到贝塔衰变时，没人知道还有中微子，它只通过弱力相互作用，而不通过电磁力。粒子探测仪只能发现带电粒子或放出能量的粒子，因为中微子没有电荷且不会衰变，所以探测仪找不到它，也就没人知道它的存在。
中微子
第一次观察到贝塔衰变时，没人知道还有中微子，它只通过弱力相互作用，而不通过电磁力。粒子探测仪只能发现带电粒子或放出能量的粒子，因为中微子没有电荷且不会衰变，所以探测仪找不到它，也就没人知道它的存在。
但如果没有中微子，贝塔衰变似乎就不能维持能量守恒。能量守恒是一个基本的物理定律，即能量既不会产生，也不会消亡——它只会从一个地方传递到另一个地方。贝塔衰变不能维持能量守恒的假设引起了轩然大波，但许多负有盛名的物理学家，因为不知道中微子的存在，宁可作出这一激进的（也是错误的）论断。
1930年，沃尔夫冈·泡利指出了一条“亡命的出路”：一个新的中性粒子，[39]这为持怀疑态度的人拯救科学开辟了一条道路。他的观点是，中子衰变时，中微子偷偷挟走了一部分能量。三年后，恩里克·费米将这一“小小的”中性粒子命名为“中微子”，并给出了坚实的理论基础。但中微子的主张看起来是那么的缺乏基础，以至于当时著名的科学期刊《自然》杂志拒绝刊登费米的论文，因为“它所包含的假设太过遥远，读者根本不会感兴趣”。
但泡利与费米的观点是对的，现在，物理学家都一致认可中微子的存在。[40]事实上，我们现在知道中微子一直在我们身边“流淌”，在太阳的核过程中它与光子一同被释放出来，每秒钟都有上亿的中微子穿过我们，但它们的作用非常微弱，我们从未注意到。我们确定存在的中微子都是左旋的；右旋中微子要么不存在，要么很重——重到根本不可能生成，或者作用太过微弱。无论是哪种情形，总之，至今在对撞机里都没有生成右旋中微子，我们也从未见过它们。
因为我们对于左旋中微子远比右旋中微子更为确定，所以我在图7-6中分列左旋和右旋粒子时，只列出了左旋中微子。
现在，我们知道了弱力只作用于左旋粒子，而且能改变粒子类型。但为了更好地理解弱力，我们需要一个理论来预测传递力的弱规范玻色子的相互作用。物理学家最初发觉构建这一理论并非易事，他们需要取得重大的理论进展，然后才能真正理解弱力及其作用。
图7-6 标准模型里的三代。左旋与右旋夸克和轻子都分别列出。每一列包含的粒子都含有相同的电荷（不同味的粒子类型），弱力能够将第一列的元素转化为第二列，也能把第五列的元素转化为第六列。夸克经受强力，而轻子不经受强力。
问题出在弱力的最后一个奇异特征上：它在很小的距离内陡然下降，这个距离只有10-16厘米。这使得它与引力和电磁力的作用极为不同，正如我们在第2章里看到的，那两个力的强度与距离的平方成反比。尽管引力和电磁力都会随着距离的增长而变弱，但它们不会像弱力这样突兀地下降。光子会在很远的距离里传递电磁力，而弱力的表现为什么会有这么大的差别？
显然，物理学家需要找到一种新的作用类型来解释像贝塔衰变这样的核过程，但尚不明了这种新的作用究竟会是什么。在格拉肖、温伯格和萨拉姆创立弱力理论之前，费米插入了一个理论，包括一个涉及光子、中子、电子和中微子这4种粒子的新型的相互作用。这一费米相互作用直接产生了贝塔衰变，而没有激起一个作为中介的弱规范玻色子。换句话说，这一相互作用允许质子直接转化成它的衰变产物——中子、电子和中微子。
然而，即便当时所有人都很清楚，费米的理论不可能成为对所有能量都起作用的正确理论。尽管它的预言对低能量下的情况是正确的，但对高能量下的情况却明显地错了。在高能量之下，粒子的相互作用要强烈得多。事实上，如果你错误地以为可以将费米理论应用于高能粒子，那么你会得出根本不合情理的预言。比如，粒子相互作用的概率会超过1，而这是根本不可能的，因为任何事情的发生频率都不可能超过永远。
虽然在解释低能和距离足够的粒子的相互作用时，基于费米相互作用的理论非常有效，但物理学家发现，如果要了解高能量现象，他们还需要对像贝塔衰变这样的过程有一个更为根本的解释。弱规范玻色子传递力的理论似乎在高能量领域更有效，但没人能解释弱力的作用距离为什么会这么小。
物理学家最终发现，这一短小的作用距离是弱规范玻色子质量非零的结果。在粒子物理学中，不确定性原理与狭义相对论暗含的关系会产生显著的作用。我在第6章末尾讨论过带特定能量（如弱力能量或普朗克能量）的粒子受外力影响的最小距离。由于能量与质量之间的狭义相对论关系E=mc2，有质量的粒子，比如弱规范玻色子，会自动地将质量与距离之间的类似关系包含进来。
尤其是，一个既定质量的粒子交换所传递的力，当质量很小时，距离稍长一点，力就会消失（这一距离也与普朗克常数成正比，与光速成反比[41]）。这一质量与距离的关系告诉我们，弱规范玻色子的质量约为100 GeV，只能在10-16厘米的范围内自动地将弱力传递给粒子，超出这一距离，由粒子传递的力就将变得极其微弱，我们根本探测不到。
弱规范玻色子的非零质量对弱力理论的成功是极为关键的，弱力只在很短的距离内发挥作用，而且非常微弱，距离稍长一点，几乎就同不存在一样。从这一角度来看，弱规范玻色子与光子和引力子是不同的，后两者都是无质量的。因为光子与引力子——传递引力的粒子，携带能量和动量却没有质量，所以，它们能穿越更远的距离来传递力。
粒子没有质量，这一概念虽然听起来很特别，但从粒子物理学角度来看不足为奇。粒子没有质量，说明它们能以光速行驶（毕竟，光是由无质量的光子组成的），而且能量和动量总会遵守特定关系：能量与动量成正比。
然而，弱力的传递者却有质量，从粒子物理学角度来看，有质量的规范玻色子——而非无质量的——确实非常奇怪。铺平弱力理论道路的关键，就是要理解弱规范玻色子质量的来源，它使得弱力对距离的依赖关系与电磁力对距离的依赖关系非常不同。在第10章，我们将探讨使弱规范玻色子产生质量的机制——希格斯机制。当今粒子物理学面对的一个最大困惑就是要寻求一个根本理论——一个使粒子获得质量的精确模型（在第12章我们会详细讲述）。额外维度的魅力之一就是，它们有可能帮助解开这一谜题。
夸克和强力
我的一个物理学家朋友曾这样对我妹妹解释他所研究的“强力”（strong force）：“之所以叫作强力，是因为它的作用非常强大。”虽然我妹妹并不觉得这一解释足够明白，但强力确实名副其实。它是一种极度强大的力量，可以将质子的组成要素紧紧地束缚在一起。在正常情况下，这些要素是不可能分开的。强力与本书的后半部分并无直接关联，但为完整起见，在此我还是讲一些基本事实。
强力
强力由量子色动力学理论所描述，是标准模型里我们能够以规范玻色子交换来解释的最后一个力。它也是在20世纪才被发现的，强规范玻色子称作胶子，因为它们传递的力就像“胶”一样，能把作用的粒子紧紧地黏合在一起。
强力由量子色动力学（QCD）理论所描述，是标准模型里我们能够以规范玻色子交换来解释的最后一个力。它也是在20世纪才被发现的，强规范玻色子被称作胶子，因为它们传递的力就像“胶”一样，能把作用的粒子紧紧地黏合在一起。
20世纪50～60年代，物理学家相继发现了许多粒子，他们给每一种粒子都分别以希腊字母命名，例如，π、θ和Δ，这些粒子被统称为强子——来源于希腊语的“hadros”，意为“胖的，重的”。
确实，强子比电子质量要大很多，几乎可以与质子质量相比，而质子质量要比电子大2 000倍。强子的庞大质量一直是个谜，直到20世纪60年代，物理学家默里·盖尔曼（Murray Gell-Mann）提出：许多强子并非基本粒子，它们本身是由被称作夸克的粒子所构成的。
盖尔曼的“夸克”一词来自詹姆斯·乔伊斯（James Joyce）的小说《芬尼根的守灵夜》（Finnegans Wake）里的诗句：“冲马克叫三声夸克，他一定没有从吼叫声中听出什么，他所得到的一定都偏离中心。”而就我的推论来说，这与物理学里的夸克实在没有什么相干，只除了两件事：它们有三个；它们一样令人费解。[42]
盖尔曼提出有三种夸克[43]，现在它们被称作上夸克、下夸克和奇夸克，并对应于可能束缚在一起的众多夸克组合，其中会有大量强子的存在。如果他的观点正确，强子应正好符合预言的类型。就如以前新物理原理提出时常有的情况一样，盖尔曼在提出他的建议时，并不真正相信夸克的存在。不过，他的提议是非常大胆的，因为科学家当时只发现了几个被预言的强子。因此，当隐匿的强子相继被发现时，夸克假设得到了证实。对盖尔曼来说，这真是一个伟大的胜利。由此，他获得了1969年的诺贝尔物理学奖。
即便物理学家一致同意强子是由夸克组成的，但直到夸克假设提出9年之后，强子物理学才以“强力”的形式得到解释。强力是最后一个被理解的力，这确实令人奇怪，其原因很大一部分是由于它的力量太过强大了。现在我们知道，强力如此强大，以至于经受强力的粒子如夸克，总是被紧紧地束缚在一起而难以分离——经受强力的粒子不会没有约束地自由闲逛，因此对它们的研究就变得很困难。
每种夸克类型里又有三类，物理学家饶有趣味地用颜色来标识它们，有时称它们为红、绿、蓝。而这些色夸克总会与其他夸克或反夸克束缚在一起，形成色中性组合（color-neutral combinations）。
在这些组合里，夸克与反夸克的强力“色荷”会互相抵消的情形，这就好比白色光中各种颜色互相抵消的情形。[44]色中性组合有两种：稳定的强子结构要么包含一个夸克和一个反夸克，两者形成一对；要么包含三个自行紧紧束缚在一起的夸克（没有反夸克）。例如，在π子里，是一对夸克与反夸克；而在质子和中子里，则是三个被束缚在一起的夸克。
在强子里，夸克间的强力色荷互相抵消，这与在原子里质子电荷与带负电的电子电荷互相抵消类似，但你可以任意使一个原子电离，而分离如质子和中子等强子却非常困难。它们被强力胶子紧紧地束缚在一起——胶子更恰当的名称应该是“疯狂胶子”[45]，因为它们的束缚状态实在难以打破。
夸克
夸克可以被看作一个大的、糊状质子里的坚硬的一点——它嵌在质子或中子里，就像一粒豌豆藏在床垫里。正如在床上弹跳的公主被豌豆硌青了一样，实验者会向其中射进一个高能电子，它发出一个光子，而光子从夸克上直接弹开，这看上去与光子从一个大的、蓬松物体里弹开大不相同。就像卢瑟福的阿尔法粒子从一个坚硬的原子核上弹开会与从一个分散的正电荷上弹开看起来大不相同一样。
现在我们就要回到夸克的发现上，这就与阿西娜修正解释的比喻完全一样了。质子和中子包含的都是三个夸克的组合，其中，与强力相关的电荷互相抵消了。质子包含两个上夸克和一个下夸克——不同的夸克类型有不同的电荷。因为上夸克的电荷是+2/3，而下夸克电荷为-1/3，所以质子的电荷是+1；而一个中子有一个上夸克和两个下夸克，所以它的电荷是0（-1/3，-1/3和+2/3的和）。
夸克可以被看作一个大的、糊状质子里的坚硬的一点——它嵌在质子或中子里，就像一粒豌豆藏在床垫里。正如在床上弹跳的公主被豌豆硌青了一样，实验者会向其中射进一个高能电子，它发出一个光子，而光子从夸克上直接弹开，这看上去与光子从一个大的、蓬松物体里弹开大不相同。就像卢瑟福的阿尔法粒子从一个坚硬的原子核上弹开会与从一个分散的正电荷上弹开看起来大不相同一样。
在斯坦福线形加速器中心（SLAC）进行的弗里德曼·肯德尔·泰勒的深度非弹性散射实验，通过追踪记录这一作用而发现了夸克。实验显示了电子从质子上散射的表现，由此提供了夸克真实存在的第一手实验证据。由于这一发现，杰瑞·弗里德曼（Jerry Friedman）、亨利·肯德尔（Henry Kendall）（他们是我在麻省理工学院的同事）以及理查德·泰勒（Richard Taylor）共同获得了1990年的诺贝尔物理学奖。
夸克在高能碰撞里产生时，还没有被束缚形成强子，但这并不意味着它们是独立的——它们总会有其他夸克和胶子的陪伴，使其在强力之下最终呈现为中性。夸克从不会是自由的、没有“随从”的物体，许多相互强烈作用的粒子会护卫着它。粒子实验捕捉到的也不会是一个独立的夸克，而是一系列由夸克、胶子组成的，差不多向同一方向运动的粒子。
这一队朝着同一方向运动的、由夸克和胶子组成的粒子合称为“喷射流”（jets）。一个高能的喷射流一旦形成，就会像一条绳子一样永不消失。当你截断一条绳子，你只会得到两条绳子。同样地，当相互作用将喷射流断开时，这些片段只会形成新的喷射流：它们永远不会分离成单个的、独立的夸克和胶子。估计斯蒂芬·桑德海姆（Stephen Sondheim）在为《西区故事》（West Side Story）写《喷射机帮之歌》（Jet Song）的歌词时，一定不会想到高能粒子对撞机，但他的歌词却令人钦佩地如此符合强烈作用的粒子喷射流：高能的、强烈作用的粒子总在一起，“你从不会孤立……总有人保护你”。
已知的基本粒子
本章描述了四种已知力的三种：电磁力、弱力和强力，另一种力——引力非常微弱，不会对粒子物理学的预言产生可实验观察的影响。
但我们还没有完成标准模型粒子的介绍。我们依据它们的电荷以及旋向来分辨它们，正如我们前面描述过的，左旋和右旋粒子会带有不同的弱荷。
粒子物理学将这些粒子分作两类：它们要么是夸克，要么是轻子。夸克是经受强力的基本费米子；轻子是不经受强力的费米子，电子和中微子都属于轻子。“轻子”一词源于希腊语“leptos”，意为“小的”或“精细的”，指电子的微小质量。
奇怪的是，除了电子和上夸克、下夸克这些对原子结构至关重要的基本粒子之外，还有另外一些粒子，它们虽然很重，却与我们介绍过的粒子有着相同的电荷。所有的最轻的稳定夸克与轻子都有它们相对应的更重的翻版，没有人知道它们为什么会存在，也没人知道它们存在的目的是什么。
μ子是首先在宇宙射线中被发现的粒子。当第一次意识到，它只不过是电子的一个更重的形式（要重200倍）时，物理学家拉比（I.I.Rabi）问道：“谁要它来的？”尽管μ子像电子一样带负电，但它比电子重，而且可以衰变成电子。也就是说，μ子是不稳定的（见图7-7），很快会转化成一个电子（及两个中微子）。就我们所知，它在地球上没什么用，是无关紧要的。那它为什么存在？这是标准模型里的众多谜题之一，我们希望科学进步最终能够解答。
图7-7 在μ子衰变中，μ子转化成了一个μ子中微子和一个虚拟的W-规范玻色子，W-再接着转化成一个电子和一个电子中微子。
事实上，标准模型的所有粒子每组都有三个携带相同电荷的复本（见图7-6）。每套复本被称作一代或是一族。
第一代粒子包括一个左旋和一个右旋的电子，一个左旋和一个右旋的上夸克，一个左旋和一个右旋的下夸克，以及一个左旋的中微子。第一代粒子包含了原子所有的稳定组成部分，即所有物质都是由第一代稳定粒子组成的。
第二代和第三代粒子会产生衰变，且不会在通常的已知物质中出现，它们并非第一代粒子的绝对翻版：虽然与第一代的对应粒子电荷相同，却更重。只有在高能粒子对撞机里才能找到它们，但科学家至今不清楚它们存在的目的。第二代包含一个左旋和一个右旋的μ子，一个左旋和一个右旋的粲夸克，一个左旋和一个右旋的奇夸克，以及一个稳定的左旋μ子中微子。第三代包含一个左旋和一个右旋的t子，一个左旋和一个右旋的顶夸克，一个左旋和一个右旋的底夸克，一个左旋t子中微子。有着相同电荷的一组粒子的同样复本，即每一代里的一个成员，都被称作这一粒子类型的“一味”。
由图7-6可以看出，尽管在盖尔曼首次提出时，只有三味已知夸克，但现在我们已发现了六味：上类型三味，下类型三味——每一代里都有一味。除了上夸克本身以外，上类型里还有另外两味携带相同电荷的夸克——粲夸克和顶夸克；同样地，下类型夸克里也有三味——下夸克、奇夸克和底夸克。μ子和t子是电子的较重翻版，属于“轻子”。
物理学家一直在努力，想弄清楚为什么存在三代粒子以及粒子为什么具有特定质量。这是标准模型面对的主要问题，也是激发当前研究的动机。与他人一起，我的整个职业生涯都在致力于此项研究，而至今，仍在孜孜以求地探寻着这些问题的答案。
重味夸克相对于它们的轻味明显要重许多，尽管在1977年我们就发现了第二重的夸克——底夸克，但最重的顶夸克却直到1995年才显露出其行踪。下一章的主题是两个粒子实验，其中包括引人注目的顶夸克的发现实验。
09 对称：粒子获得质量的基本组织原则
●标准模型里包含了引力之外的作用力以及经受这些力的粒子。除了众所周知的电磁力之外，原子核里还有两种作用力：强力和弱力。
●弱力提出了标准模型仍未解答的最主要谜题：另外两种力都是通过无质量的粒子来传递的，而传递弱力的规范玻色子却有质量。
●除了传递力的粒子之外，标准模型里还包含经受这些力的粒子，它们分作两类：经受强力的夸克和不经受强力的轻子。
●在物质里发现的轻夸克和轻子（上夸克、下夸克和电子）并非仅有的已知粒子。另外还存在较重的夸克和轻子：上、下夸克和电子都有它们对应的两个较重版本。
●这些重粒子是不稳定的，它们会衰变成较轻的夸克和轻子。粒子加速器实验能生成它们，并显示出这些较重粒子与那些熟悉的、稳定的轻粒子所经受的是同样的力。
●每一组包含的一个带电轻子、一个上类型夸克、一个下类型夸克的粒子被称作一代，一共有三代。每代里的同类型粒子相继加重，这些粒子种类被称作“味”，有三味上类型夸克、三味下类型夸克、三味带电轻子、三味中微子。
●在后面的章节，我不会用到特定类型的夸克和轻子的细节和名称，但我们需要知道这些“味”和“代”，因为它们强烈约束着粒子的属性。它们会给我们提供重要的线索，让我们知道标准模型之外的物理会受到什么约束。
●在这些约束中，最重要的是，带有相同电荷的夸克和轻子的不同“味”很少会互相转换，我们排除能轻易换“味”的粒子理论。后面我们会看到，这对超对称破缺模型及标准模型的其他发展提出了很大挑战。
哪怕历尽千难万险，我一定会找到你。
金发女郎乐队（Blondie）
他的猎物迟早会出现
在梦中，艾克再一次遇到了那个量子侦探。这次，侦探非常清楚地知道自己要找什么，而且非常清楚地知道它在哪里，他所要做的就是等待，如果判断正确，他的猎物迟早会出现。
找到重粒子并非易事，但要揭示标准模型的基本结构并最终解释宇宙的物理构成，那么我们必须这么做！我们对粒子物理学的了解，大部分来自高能粒子加速器实验，它们首先将快速运动的粒子束加速，然后使它们与其他物质相碰撞。
在高能粒子对撞机里，被加速的粒子束与被加速的反粒子束相撞，在它们相撞的极小区域内会产生大量能量，这些能量接着被转化成在自然界里难以被找到的重粒子。宇宙大爆炸时，宇宙温度极高，所有粒子大部分都存在。但自那以后，唯一能找到已知最重粒子的地方，就只有在高能粒子对撞机里了。从理论上讲，只要有足够的能量，即由爱因斯坦E=mc2所给定的能量，对撞机就能够生成所有的粒子与反粒子对。
但是，高能物理的目的不仅仅是寻找新的粒子。高能粒子对撞机实验会告诉我们以其他任何方式观察不到的自然的基本定律——这些定律作用的领域太过微观，以至于我们根本不能直接看见。高能实验是探索发生在微小距离尺度的相互作用的唯一方式。
本章讲的两个对撞机实验，对证实标准模型的预言以及限定物理理论的有效范围都非常重要。这两个实验本身都令人难忘，但它们还使我们体会到：物理学家将来探索新现象（如额外维度）时，会面临什么样的困难。
顶夸克，众里寻他千百度
顶夸克
虽然顶夸克不是已经知物质原子的组成部分，但没有它，标准模型就不完善，因此，自20世纪70年代开始，物理学家就坚信它的存在。可是直到1995年，人们才探测到它。顶夸克显然很重——远远重于其他所有已探测到的夸克。经过20年的追寻，人们终于追踪到了它的踪迹，这才发现它的质量几乎是质子质量的200倍。
顶夸克的探寻过程，充分展现了在对撞机里寻找粒子的困难。那时，对撞机的能量还不足以制造它，而实验者发挥了聪明才智，千方百计地应对了这一挑战。虽然顶夸克不是已知物质原子的组成部分，但没有它，标准模型就不完善，因此，自20世纪70年代开始，物理学家就坚信它的存在。可是直到1995年，人们才探测到它。
那时，对于顶夸克，物理学家已徒然地寻找了多年。标准模型里第二重的粒子——底夸克，已在1977年被发现，它的质量是质子的5倍。虽然当时物理学家都以为顶夸克马上就要现身了，而且实验者们也争先恐后地要找到它，并宣布这一盛事，但令人惊讶的是，一次次的实验却均告以失败，人们以40倍、60倍甚至是100倍于产生质子所需要的能量进行对撞实验，还是未能找到它。这说明，顶夸克显然很重——远远重于其他所有已探测到的夸克。经过20年的追寻，人们终于追踪到了它的踪迹，这才发现它的质量几乎是质子质量的200倍。
因为顶夸克如此之重，狭义相对论隐含的关系告诉我们，只有在极度高能的对撞机里才能生成它。高能量总是需要一个大型的加速器，这在技术上难以实现，而且耗资巨大。
最终生成顶夸克的对撞机是费米实验室的Tevatron，它位于伊利诺伊州离芝加哥将近50公里外的巴达维亚草原。这一对撞机最初设计的能量，距离生成一个顶夸克所需的能量还差得很远，但工程师和物理学家们进行了多次改进，大大地提高了它的性能。Tevatron凝聚了多次改进的成果，1995年，它的运行能量大大增加，并进行了多次对撞，这是最初的机器根本无法做到的。
