下一步是试图探测由太阳而来的中微子。为了这个目的，科学家使用了一个装满10万加仑四氯乙烯的大水槽，将之装设在南达科他州的一个矿坑深处，该处地层厚得足以吸收除中微子以外来自太阳的所有粒子。于是就产生这种奇怪的情况，我们必须潜伏在地球内部深处来研究太阳。这个水槽便暴露在中微子下达数月之久，累积足够的氩-37以利探测。然后使用氦气充入大水槽中22小时，于是在氦气中发现微量的氩-37，证实中微子的存在。到1968年，太阳的中微子已被探测到，但数量却不及由当时理论所预测的1/3。这个发现相当令人困扰，我将在本章稍后再度提及。
核相互作用
我们可列出目前所得的10个亚原子粒子如下：4个较重粒子，或称为重子（源自希腊文的“重”）——质子、中子、反质子和反中子；2个玻色子——光子和引力子；4个轻子——电子、正电子、中微子和反中微子。但由于下述原因，物理学家认为这些粒子仍然不够。
孤立的电子和质子间的吸引作用，或者是2个质子或2个电子间的排斥作用，都可以很容易地解释为电磁相互作用的结果。2个原子或2个分子之间的结合也可用电磁相互作用来解释，认为是带正电的核吸引外围电子的结果。
在当时认为原子核是由质子和电子构成的情形下，似乎电磁相互作用——指在原子核内的电子和质子间的全部吸引作用，已经足以解释为何原子核也可结合在一起。但自从原子核结构的中子-质子理论在1930年被接受之后，令人吃惊的是我们竟无法解释到底是什么力量结合成原子核。
如果质子是在原子核中惟一带电的粒子，那么在原子核中被紧密压缩在一起的质子所产生的电磁相互作用，应该是极为强大的排斥作用。任何原子在这种情况下形成的话，也会在刚形成时就被这排斥的力量爆炸开来。
所以很明显，一定还有其他类型的相互作用，一种比电磁相互作用更强大而且能够压倒它的相互作用。1930年时，惟一为人知晓的另一种相互作用是引力相互作用。但是引力和电磁力相比极其微弱，在亚原子的讨论中根本可以完全忽略，没有人会想到它。除了引力外，一定还有一种迄今未知但非常强大的某种核相互作用。
核相互作用的强度可用以下的考虑加以说明。要把氦原子的2个电子从核外拿走只需54电子伏的能量：这个能量足以说明电磁相互作用的强大了。
另一方面，1个中子和1个质子组成的氘核，是所有原子核中结合最弱的一个，需要2兆电子伏就能将它分开。考虑到原子核中粒子间的距离较分子中原子间的距离更为紧密，因而断定核相互作用的强度约为电磁相互作用的130倍，这个结论并不过分。
但是核相互作用的本质究竟是什么呢？第一个具有引导性的说法在1932年由海森伯提出，他认为原子核内的质子是由交换力结合在一起的。海森伯把原子核内的中子和质子想象为连续变换的同一物体，所以任一粒子，可能先是质子，然后变成中子，再变为质子，如此地持续下去。这个过程可使原子核保持稳定，正如我们可以将热烫的马铃薯在两手间快速地抛来抛去一样。在质子能够“察觉”到自己是个质子而试图逃离旁边的质子之前，它已经变为一个中子，而可安定地留在原来的位置上。自然这要非常之快才能避免不稳定，大约在10-24秒内就要发生一次交换。
另一个解释这种相互作用的方式是，假想有2个粒子，在其间交换着第3个粒子。每一次A粒子释放出交换粒子时，它本身因动量守恒而向后移动；每一次B粒子接到交换粒子，它也因动量守恒而被向后推。随着这交换粒子的来回传递，A粒子和B粒子的距离越来越远，看起来他们就像经历排斥作用一样。另一方面，如果交换粒子是以回力棒方式环绕运动，由A粒子背后飞到B粒子背后，那么这2个粒子将被推近，看起来就像经历一种吸引作用。
由海森伯理论看来，所有的引力和斥力都是粒子交换的结果。在电磁的吸引和排斥作用中交换的粒子是光子；在引力吸引作用中交换的是引力子（很明显，在引力相互作用中没有斥力）。
因为光子和引力子都没有质量，所以很显然电磁力和引力与作用距离的平方成反比，而且即使隔了一段极远的距离也都能察觉到。
引力相互作用和电磁相互作用是长距离相互作用，而据我们目前所知，也是仅有的两种长距离相互作用。
即使核相互作用确实存在，它也不可能是长距离相互作用的一种。在原子核内的核相互作用必须非常强大，以维持原子核的存在；而在原子核外却无法察觉到，不然，核相互作用老早就该被发现了。所以，核相互作用的强度一定是随着距离的增大而快速地减小。作用距离每增加一倍，强度就减为大约原来强度的1%，而不像引力和电磁力一样仅减为1/4。基于上述的理由，核相互作用交换的粒子一定不会是无质量的粒子。
μ介子
1935年，日本物理学家汤川秀树以数学方式分析上述的问题，结论是一个拥有质量的交换粒子将会产生一个小范围的力场。粒子的质量与它所造成的力场范围成反比：粒子的质量越重，力场范围就越小。他最后推论出，应该在质子和电子之间还有一种适当粒子的质量。汤川秀树估计它的质量约为电子的200～300倍。
仅一年之后，便发现了这种粒子。加利福尼亚理工学院的安德森（正电子的发现者）在研究次级宇宙射线留下的径迹时，发现了一道径迹比质子径迹弯得大而比电子径迹弯得小。也就是说，这种粒子的质量在电子和质子之间。很快便有更多相同的径迹被发现，造成这种径迹的粒子被命名为介子。
后来质量介于电子和质子间的其他种类粒子也陆续被发现。为了能够区分上述第一个被发现的粒子，因此将之命名为μ介子。μ是希腊字母，几乎所有希腊字母都被用于命名亚原子粒子。正如以前提及的粒子一样，μ介子也有两种，一正一负。
μ介子的质量为电子的206.77倍，约为质子质量的1/9；负μ介子是个粒子，而正μ介子却是个反粒子。负μ介子和正μ介子分别与电子和正电子相当。事实上到了1960年，我们可以确定负μ介子除了质量与电子不同外，其他方面完全相同。因此负μ介子是个重电子，同样地，正μ介子是个重正电子。
正负μ介子会相互湮灭对方，而且在湮灭对方之前会短暂地绕行双方的力中心，和电子与正电子间进行的情况完全一样。这种绕行的另一种变化在1960年为美国物理学家V.W.休斯所发现。他发现了1个电子绕行1个正μ介子的系统，称之为μ子素。而1个正电子绕行1个负μ介子的系统则称为反μ子素。
这个μ子素原子与氢相当类似，氢的结构是1个电子绕行1个质子，而这两个系统在很多性质上相当类似。虽然μ介子与电子间除了质量外完全相同，但质量的不同已使它们不是对方真正的反粒子，所以不会进行互相湮灭。而μ子素也就没有正电子素的不稳定性。如果不是μ介子本身无法长存，μ子素可能存在更久，甚至只要没有外界干扰，μ子素可以永远存在。
μ介子和电子间的另外类似性是：正如重的粒子可以产生电子和反中微子（例如中子变成质子），或是产生正电子和中微子（例如质子变成中子），所以重的粒子也会相互作用产生负μ介子和反中微子，或正μ介子和中微子。在最初的几年，物理学家一直认为伴随着电子和正电子的中微子，与伴随着正负μ介子的中微子是完全相同的粒子。然而在1962年，却发现这两种粒子实际上互不相干，也就是说，电子的中微子不参与形成μ介子的相互作用，同样，μ介子的中微子也不参与形成电子或正电子的相互作用。
总而言之，物理学家发现他们已拥有两对无质量无电荷的粒子，一对是电子反中微子和正电子中微子；另一对是正μ介子中微子和负μ介子反中微子。这两种中微子和反中微子间到底有什么差异，在当时没有人说得出来，只知道它们就是不一样。
μ介子和电子及正电子间有另一差异，那就是稳定性。电子或正电子在没有外来影响的情况下，将永远保持原状不会改变。而μ介子却非常不稳定，在百万分之几秒的平均寿命期过后即会分解。负μ介子会分解为1个电子、1个电子反中微子和1个μ介子中微子；正μ介子的分解则产生1个正电子、1个电子中微子和1个μ介子反中微子。
当一个μ介子发生衰变后，会以少于其1/200的质量形成1个电子或正电子以及1对毫无质量的中微子。那么μ介子其余99.5%的质量到那里去了呢？很明显，一定是变成能量以光子发射出来，或是消耗在形成其他的粒子上。
如果我们反过来把足够的能量集中在空间中一微小的体积内，那么产生的不会是正负电子对，而会形成另一对更为臃肿的粒子。除了因能量臃肿表现出的质量之外，这粒子对与正负电子对极为相似。这些附加在基本正负电子上的额外的质量并不很牢固，所以上述的μ介子并不稳定，很容易摆脱这些多余的质量而形成电子或正电子。
τ介子
如果能把更多的能量集中在一微小体积内，则更大、更重的粒子将会形成。在加利福尼亚州，珀尔使用一加速器使高能电子撞击前面的高能正电子，因而在1974年发现了这种超重电子。他称这种粒子为τ电子，τ是另一个希腊字母，通常简称为τ介子。
正如所预测的那样，τ介子质量约为μ介子的17倍，而约为电子的3500倍。事实上，τ介子质量是质子或中子的2倍。虽然τ介子质量很大，但它仍属于轻子，而除了质量和不稳定性外，其他的性质和电子也完全相同。由它较大的质量来看，τ介子必然较μ介子更不稳定，事实上也是如此。τ介子只能存在约10-12秒，即分裂成μ介子，然后成为电子。
当然，τ介子也有正负粒子。物理学家理所当然地认为有第三种中微子和反中微子随着τ介子存在。虽然到目前为止尚未有任何发现。①
中微子的质量
现在我们已知有12种轻子：正负电子、正负μ介子、正负τ介子、电子中微子和反中微子、μ介子中微子和反中微子、τ介子中微子和反中微子。这些粒子很明显可分为三种阶层（或者物理学家现在所说的三种风味）：电子、μ介子、τ介子，及其各自相关的中微子和它们的反粒子。
有了这三种风味的轻子，没有理由不会再有第四种、第五种。只要我们能使用的能量可以无止境地增加，将会形成更多的轻子，每一风味都较前一风味更大、更重而且更不稳定。虽然理论上可产生的风味数目并无限制，实际上当然有其限制。最后，顶多把全宇宙所有的能量都用来形成1个特别高阶层的轻子，不可能有更高能的轻子出现了。但是，这样的粒子将会极不稳定，以至于其短暂存在无任何意义。
如果我们把注意力局限在已知的三种风味的轻子上，中微子的秘密将变得更复杂。这三对无质量、无电荷的费密子，因其粒子相互作用而各异，可是目前我们还无法就其性质来加以区分。
或许确有一可区分的性质，只是我们还未切实地找到罢了。例如，三种风味的中微子都被认为是没有质量，且都以光速运动。现在我们假设每一种中微子都有一非常微小的质量，且与另外两种的质量不同。如此一来，它们之间的性质自然就彼此不同了。或者是它们的运动速度都稍小于光速，而与光速的差距又各稍有不同，这样也有了性质的差异。
在这种情形下，有一种理论支持下述的主张：任何中微子在运动时会改变本体，一会儿是电子的中微子，一会儿则是μ介子的中微子，另一会儿又变成τ介子的中微子。这种变换称为中微子振荡，其可能性最早由一些日本物理学家于1963年提出。
在20世纪70年代末期，中微子原始发现者之一的莱因斯和加利福尼亚大学的索贝尔以及帕西尔柏共同合作，试验中微子振荡的真实性。他们用铀分裂产生的中微子来撞击224.95公斤非常纯的重水。这个过程应该只会产生电子的中微子。
中微子可以引起以下任何一种反应。第一种反应称为中性流反应。在这种反应中，中微子撞击重水中由中子和质子组成的重氢核，使中子和质子分开，本身则继续运动。任何一种中微子都可产生这种反应。第二种反应是中微子撞击中子和质子后，引发质子变成中子的反应，产生电子，在这种反应后，中微子不复存在。第二种反应称为电荷流反应，只有电子中微子才会产生这种反应。
如果中微子不振荡而仍保持为中子中微子，则我们将可算出上述的每一种反应会发生多少次；同样地，如果中微子产生振荡，而且有些已变为其他种类中微子，上述每一种反应的发生次数仍然可以计算出来。1980年，莱因斯宣称他的实验似乎已经证实中微子振荡的存在。之所以用“似乎”这两个字，是因为这个实验几乎是在可探测的极限中进行的，同时也因为其他的实验人员仍未发现任何中微子振荡的迹象。
这件事目前仍属存疑阶段，但莫斯科的物理学家却从事另一论点的实验，与振荡扯不上一点关系，结果似乎显示出电子中微子质量可能是40电子伏，也就是电子质量的1/13000，故认为中微子没有质量一点也不值得奇怪。
如果莱因斯的实验是正确的，确实有中微子振荡，那么在本章前面提到令科学家迷惑的来自太阳的中微子短缺的情形将可获得解释，戴维斯用来探测太阳中微子的设备仅能测出电子的中微子。如果由太阳射出的中微子发生振荡，那么在到达地球后可能已成为三种风味中微子的混合物，无怪乎我们探测到的中微子数仅及预测量的1/3。
如果中微子确有一微小的质量，即使仅为电子质量的1/13000，但因为中微子的数目远超过所有中子和质子的总和，所以宇宙质量的99%都是由中微子所构成。而且第二章 提及的“失去的质量”，也可容易地得到解释。事实上，在宇宙中应有足够的中微子质量使之靠拢，以确保宇宙的膨胀最终停止，并且再度开始收缩。
如果莱因斯说的没错，上述推论才能成立。但是到目前为止，我们尚未明了真相究竟如何。
强子和夸克
既然μ介子是一种重电子，它就不大可能是汤川秀树所寻找的巩固原子核的粒子。原子核内从未发现电子，所以也不可能发现μ介子。早在怀疑电子和μ介子的性质几乎相同之前，上述的说法就已有纯实验基础支持。μ介子并不具有与原子核作用的倾向，于是汤川秀树的理论有一段时间发生了动摇。
π介子和介子
然而在1947年，英国物理学家C.F.鲍威尔在宇宙射线的照片中发现另一类型的介子。它比μ介子略微重些，后来证明质量约为电子的273倍。这个新介子被命名为π介子。
π介子与原子核有强烈的反应，恰好就是汤川秀树所预言的粒子。所以汤川秀树在1949年获得诺贝尔物理学奖，鲍威尔则于1950年获得。事实上，中子和质子间有一个正π介子，作用犹如交换力；另外有一相应的反粒子——负π介子，在反中子和反质子间担当同样的任务。这两种π介子的寿命都较μ介子短，在1/40微秒的寿命过后，它们就衰变成μ介子和μ介子的中微子。当然μ介子会再衰变成电子和中微子。还有一个中性π介子，本身就是自己的反粒子，也就是说，这个粒子只有一种。中性π介子极不稳定，在10-18秒内就会衰变成一对γ射线。
虽然π介子属于原子核内部，但有时候与原子核作用之前会有片刻环绕原子核，形成1个π介子原子，这个情况在1952年被发现。事实上，任何一对正负粒子或粒子系统都会和对方互绕。20世纪60年代，物理学家为了能得到一些粒子结构的细节观念，曾研究过很多这种会逐渐消失的“奇异原子”。
π介子是统称为介子的粒子中第一个被发现的。介子并不包括μ介子在内，虽然μ介子是首先知道的并给以此名称的粒子。介子和中子及质子有强烈的相互作用（图7-8），而μ介子不会与原子核作用，所以失去成为介子族成员的权利。
图7-8 介子同核相撞。一个来自次级宇宙辐射的高能介子撞到一核上产生出更多的介子和α粒子的星裂（左下图），然后一个高能介子沿着图上指出的摇晃路径达到右上角，在那里与另一个核相撞而最后被阻止
除了π介子外，K介子也是介子族的一分子。K介子在1952年由两位波兰物理学家丹尼兹和帕尼夫斯基首先发现。它的质量是电子的970倍，是质子或中子的1/2。K介子分两种，一种为正K介子，另一种为负K介子，也都有反粒子。当然它们也不稳定，会在约1微秒内衰变成π介子。
重子
在介子之上的粒子是重子，重子包括中子和质子。到了20世纪50年代，质子和中子仍是仅知的重子。自1954年开始有一系列更重的粒子被发现，有时候称为超子。近年来重子数得到特别的激增，而质子和中子便成为这一大类中最轻的粒子。
物理学家发现在所有的粒子衰变中，重子的总数（重子数减去反重子数）保持不变，称之为重子数守恒定律。裂变反应总是由一较重粒子变成一较轻粒子，如此即可解释为什么质子是重子中惟一稳定的粒子，因为质子恰好是重子中最轻的粒子。如果质子发生衰变。它将不会再是个重子，否则将会违背重子数守恒定律。基于同样的理由，反质子也是稳定的，因为它是反重子中最轻的粒子。当然1个反质子和质子摆在一起时会互相湮灭，因为1个重子加上1个反重子，重子的总数为零。
同样也有一轻子数守恒定律，由此定律可解释为什么电子和正电子是轻子中仅有的稳定粒子。它们是最轻的轻子，不可能在不违背轻子数守恒定律的情况下发生衰变。实际上，电子和正电子还有不能发生衰变的第二个理由。它们是具有一个电荷的最轻粒子，如果再衰变成其他更简单的东西，则将会失去电荷——这是电荷守恒定律所不允许的。电荷守恒定律事实上比重子数守恒定律更为坚固，所以在某种程度上来说，电子和正电子比质子和反质子更为稳定——或者说，至少它们是比较稳定的。
除了质子和中子外，被发现的重子都以希腊字母命名，它们是Λ（lambda）粒子、Σ（sigma）粒子和Ξ（Xi）粒子。Λ粒子只有一种中性的Λ粒子，Σ粒子有三种：正、负和中性；Ξ粒子有二种：负的和中性的。以上的每一种都各有其反粒子，总共便有一打的粒子种类。这些粒子非常不稳定，没有一个能存在超过1/100微秒；而且有些粒子如中性的Σ粒子，10−14微秒内就会衰变。
中性Λ粒子可以替代原子核中的中子而形成超核——仅存在10−9秒的实体。最早发现的是超氚核，由一个中子、一个质子和一个Λ粒子所组成。这个原子核是1952年帕尼夫斯基和丹尼兹在宇宙辐射产物中找到的。丹尼兹在1963年的报告中说，超核包含2个Λ粒子。1968年，甚至发现负的超子可以替代原子结构中的电子。这些较重的电子替代物在紧靠着原子核的区域内环绕，实际上是在原子核的外部区域内。
但是以前提到的所有粒子都算是比较稳定的粒子，它们的存在时间可以直接探测到，而且容易找出其寿命和特性。在20世纪60年代，阿尔瓦雷斯发现了另外一组的第一种粒子，因此获得1968年的诺贝尔物理学奖。这组粒子的存在时间实在太短，只能由它们衰变的产物来推断。它们的一半寿命约在10−24秒左右，令人怀疑的是它们到底是真正个别的粒子，还是两个或多个粒子暂时偶遇的组合。
这些寿命超短的粒子被称为共振粒子，而在物理学家所能控制的能量越来越高时，他们也制造出更多的粒子，现在约有150种以上的粒子被发现。这些粒子，不是属于重子，就是属于介子；重子和介子便被统称为强子（也是源自希腊字，意思是“庞大”）。轻子仍然只有三种风味，每一种包含了粒子、反粒子、中微子和反中微子。
物理学家因强子的增加而烦恼，如同一个世纪以前化学家为了元素的增加而烦恼一样。他们开始认为强子一定是由更简单的粒子所组成。强子不像轻子只是个小点；它们有一定的直径，一个当然不大的直径，约为2.54×10−13厘米，这已经不算是个小点了。
在20世纪50年代，美国物理学家霍夫斯塔特使用极高能量的电子来研究原子核。这个电子没有和原子核反应而是被反弹回来，这使得霍夫斯塔特对强子的结构有了一个结论，但是后来被证实并不正确，不过却是一个好的开始。因此，他分享了1961年的诺贝尔物理学奖。
夸克理论
发展至此，似乎有必要为亚原子粒子列个周期表了：把它们组成一大家族，包括成员或基本成员及其他相应的激发态粒子（表7-1）。
1961年，美国物理学家盖耳曼和以色列物理学家尼埃曼，分别提出自己分类的结果。成群的粒子依相同性质以漂亮的对称方式组合在一起，这个方式盖耳曼称之为八重方式，正式的名称是SU#3。特别是，有一分类后的粒子族群尚需另一粒子才算圆满。这个粒子如果存在，而且是这族群中的一员的话，它必须具备一特定的质量和一组特定的性质。这些性质的要求不像是一个粒子所能具有的。然而在1964年，一个恰好符合预言中所有性质的粒子被发现了，几年后，这个粒子——Ω−被探测到几十次。1971年，它的反粒子——反Ω−也被发现。
即使重子被分成数个族群，亚原子周期表也已建立，仍然还有很多的不同粒子驱使物理学家要找出更简单、更基本的粒子。1964年盖耳曼努力完成了以最少数目的亚重子粒子来解释所有重子的最简单方式，这种粒子以夸克的名称出现。盖耳曼取这个名字是因为他发现只需要结合3个夸克就可以构成重子，而且这3个夸克的不同组合方式便可组成所有已知的重子。
为了能解释重子已知的性质，这3个不同的夸克必须有其本身特具的性质。最令人惊异的是分数电荷。所有已知的粒子不是没有电荷，就是拥有1个完全和电子或正电子相同的电荷，再不然就是电子或正电子电荷的整数倍。也就是说，已知的电荷，应该是0、+1、−1、+2、−2等等。因为分数电荷的想法太离奇了，盖耳曼的构想在开始时遭到很强烈的阻力。但是他想方设法加以解释，使大家能静心地聆听，然后给予承认，而在1969年得到诺贝尔物理学奖。
例如盖耳曼一开始讲了两种夸克，现在这两种夸克分别被称为上夸克和下夸克。上和下实际上并不代表任何意义，而只是描述它们的一种奇怪方式。这两种粒子或许称之为u夸克和d夸克比较好。
u夸克具+⅔电荷，而d夸克电荷则为−⅓。因此，就有带−⅔电荷的反u夸克和带+⅓电荷的反d夸克存在。
2个u夸克和1个d夸克将会有+⅔、+⅔和−⅓的电荷，总和为1，而组成1个质子。另一方面，2个d夸克和1个u夸克会有−⅓、−⅓和+⅔的电荷，总和为0，而组成1个中子。
3个夸克以电荷总和为整数的方式聚合在一起。所以2个反u夸克和1个反d夸克，电荷总和是-1，将会形成1个反质子。而2个反d夸克和1个反u夸克，总电荷为0，形成1个反中子。
因为核相互作用的关系，夸克结合得十分紧密，所以到目前为止，科学家完全没有办法把中子和质子击碎成个别的夸克。事实上，有人认为夸克之间的吸引作用随距离的增长而增大，所以没有任何办法可以将质子或中子分解开。如果是这种情况，那么分数电荷可能存在，但永远也不会被探测到，这样盖耳曼这个突破的想法就比较容易为人们所接受了。
这两种夸克不足以解释所有的重子或介子（介子由2个夸克所组成）。盖耳曼提出第3种夸克，现在称之为s夸克。这个s的意思是“旁边”（为了和上、下配合之故），但常被认为代表的是“奇异性”，因为s夸克常被用来解释某些所谓奇异粒子的结构。之所以称之为奇异，是因为它们实际的寿命较预测的长。
最后，物理学家由研究夸克假说而认为夸克一定成对存在。如果有一个s夸克，那么就一定有一个伴随夸克，称之为c夸克。c代表的意义不是“同伴”，而是“魅力”。1974年，美国物理学家B.里克特和丁肇中各自独立地研究，用高能分离出了需要c夸克性质的粒子（这些就是具有“魅力”的粒子）。他们二人共同获得了1976年的诺贝尔物理学奖。
成对的夸克也有各种风味，在某些情况下，它们和轻子的风味很相似。每一种风味的夸克都有4个成员，例如u夸克、d夸克、反u夸克和反d夸克，正如每一种风味的轻子都有4个成员一样，例如电子、中微子、反电子和反中微子。夸克和轻子一样都有3种已知的风味：轻子是电子、μ介子和τ介子；夸克是u夸克及d夸克、s夸克及c夸克，最后是t夸克和b夸克。t夸克和b夸克真正代表的是“顶”和“底”，在科学家的幽默中，又代表了“真”和“美”。夸克和轻子一样，似乎只有小点一般大小，并且是没有结构的最基本粒子。但我们并不确信是如此，因为我们曾经被这种想法愚弄过，起先认为原子是基本粒子，后来又认为中子是基本粒子，结果都不是。夸克和轻子都可能有无数的风味，只要我们能掌握更大的能量，就可找到它们。
夸克和轻子的最大区别是轻子带有的电荷必为整数，或者不带电荷，而且轻子不会互相结合。但是夸克带有的却是分数电荷，而且明显地仅以组合的方式存在。
夸克依据某些规则而组合。每一种不同风味的夸克有3种不同的性质，这是轻子所没有的。这个性质被称为颜色（只是打个比方），而3种性质被称为红、蓝、绿。
当3个夸克结合在一起形成1个重子时，必须1个是红的，1个是蓝的，1个是绿的，这样的组合便没有颜色或说是白色。这就是为什么用红蓝绿三色为性质命名的原因。因为在我们的世界中，例如电视中，这三种颜色的组合就产生白色。当2个夸克结合在一起形成介子时，一个是一特别的颜色，另一个则是这一特别颜色的反颜色，它们的组合仍然是白色。轻子没有颜色，从一开始就是白色。
正如分数电荷这个性质不会在夸克的产物中出现一样，夸克的颜色也不会在其产物中发现，这种由颜色研究夸克组合的方式称为量子色动力学（由这个词可回溯到一个在电磁相互作用中相当成功的理论，即量子电动力学）。
夸克是由一交换粒子不断地前后运动使它们结合在一起的，这个粒子叫做胶子。胶子有它自己的颜色，这更增加了复杂性，它们又可互相结合而形成一种被称为胶球的产物。
虽然强子不能分成独立的夸克（介子有2个夸克，重子有3个），但仍然有间接的方式证明夸克的存在。只要有足够的能量被集中在一微小体积内，夸克便能由一无所有开始形成，例如把高能的电子流和正电子流撞击在一起形成τ介子便是如此。
由这种方式产生的夸克会立即结合到沿相反方向离开的强子注和反强子注中去。如果能量足够大的话，将会形成类似三叶苜蓿的三道粒子注——强子注、反强子注和胶子注。强子注和反强子注已经由实验形成，1979年，有人声称在其实验中胶子注已经出现了雏形，这将是对夸克理论的一大支持。
场
粒子的质量是球形向外无限伸展的引力场的源，而场的强度则与离源距离的平方成反比。
考虑个别粒子造成引力场时，其强度是无法想象的小，小到在讨论粒子相互作用时完全可忽略不计。但是质量只有一类，而且两个粒子间的引力相互作用似乎总是吸引作用。
而且，一个由多个粒子所组成的系统，从该系统以外的一点来看，其引力场是所有组成粒子单个引力场的总和。像地球或太阳这样大的物体所产生场的强度犹如在物体重心处一个含有物体整个质量的粒子所造成的引力场的强度。只要这物体是球形而且密度均匀，或是密度由中心向外的变化是严格呈球对称的，则上述说法就完全正确，所以对太阳和地球这样的物体来说当然也算正确。
因此太阳和地球都有极强的引力场，它们之间互相作用，吸引住对方，虽然相隔15000万公里仍然相当牢固地聚集在一起。虽然银河系星体分布有数百万光年的范围，也因引力而能聚集在一处，如果宇宙开始再度收缩，那也是作用距离达数十亿光年的引力吸引的结果。
带有电荷的粒子是电磁场的源。电磁场由中心向外任一方向无限地伸展，强度随中心距离的平方而减弱。既具质量又带电荷（任何电荷都具有质量）的粒子当然就同时是引力场的源了。
电磁相互作用
任一带电粒子所造成的电磁场强度是其引力场强度的几个1036倍还要多。然而电荷有正电荷和负电荷两种，电磁场也表现出吸引和排斥两种作用。当一系统内的正负电荷个数一样多时，电荷趋于中性，系统外不会呈现有电磁场。一般完整的原子都由相同数目的正负电荷组成，所以原子都呈现出电中性。
当多余的电荷出现时，电磁场也就产生，但是因为异性电荷互相吸引的作用，使得多余的电荷非常少。因此讨论到比小行星更大的天体时，电磁场的大小根本无法和引力场比较。故牛顿只以引力相互作用来解释太阳系的天体运动，结果也相当令人满意，这种解释方式也可推广至恒星和星系的运动上。
电磁相互作用在太阳系的形成中也扮演了一个不可忽视的角色。例如由太阳至行星的角动量传递，及由小粒子形成环绕土星的土星环等过程中，电磁相互作用都不能被忽略，这些都是相当微小的修正。
每一个强子（包含介子和重子及组成它们的夸克）都是一个向外无限伸展的力场源，强度却随距离急剧减小，以至于在原子核大小的区域外就无法察觉。在原子核中具有压倒性优势的力场，即使在2个高速粒子以原子核大小的距离相互掠过的情形下，一样相当强大，但是当两者距离大于原子核直径时力场就可忽略不计。这种力场对一般天体的运动可以说毫无影响，但是对于星核内的活动，却相当重要。
轻子同样具有一个只有原子核距离才能察觉到的力场源。事实上，轻子的力场范围甚至较强子力场来得小。它们同属核力场，但它们之间有极大的不同，不只是造成力场的粒子不同，而且强度也不同。强子造成的力场，在粒子与粒子之间其场强为电磁场强度的137倍。轻子造成的力场仅为电磁场强度的10−11。因此强子力场通常称为强相互作用。而轻子力场均称为弱相互作用（注意，弱相互作用与强相互作用及电磁相互作用相比之下，虽然微弱，但仍然约为引力相互作用强度的1028倍）。
就我们所知，这四种相互作用已经能够解释粒子的所有行为，也能解释各种可以测量的行为。目前没有第五种相互作用存在或可能存在的任何迹象。我们说这四种相互作用能解释所有可测量的现象，并不代表我们已经了解这些现象。这就好像与你可以知道一个复杂的数学方程式有解，但是你却解不出的道理一样。
弱相互作用在1934年首先由费密用数学方式处理，但是往后数十年，它依然是四种相互作用中最不为人了解的一种。例如，这四种相互作用都应有传递这些作用的交换粒子——传递电磁相互作用的是光子，传递引力相互作用的是引力子，传递中子和质子强相互作用的是π介子，夸克间的强相互作用是胶子。所以在弱相互作用中也应该存在一种W粒子，W当然代表“弱”。半个多世纪以来W粒子一直是难以捉摸的。
守恒定律
我们建立了一些守恒定律，据以判断什么粒子相互作用是可能的，什么是不可能的，或更一般地说，宇宙中什么可能发生，什么不可能发生。如果没有这些守恒定律，宇宙中的事物将变得完全无法理解。
核物理学家大约研究了一打守恒定律。有些是为人们所熟悉的19世纪的物理守恒定律：如能量守恒定律、动量守恒定律、角动量守恒定律、电荷守恒定律。还有一些是人们不太熟悉的守恒定律：如奇异性守恒定律、重子数守恒定律、同位旋守恒定律等等。
强相互作用似乎遵守所有上述的定律。在20世纪50年代早期，物理学家毫不怀疑地认为这些定律不容变更，而且放诸宇宙皆准。但是事实并非如此，在弱相互作用中，有些守恒定律并不被遵循。
第一个被推翻的守恒定律是宇称守恒。宇称是个纯数学上的性质，无法以具体的字眼来形容，若把这个性质当作是一个与粒子的波动性及其在空间中的位置有关的数学函数，大概就可以了。宇称有两个可能的值——奇和偶。最重要的是，宇称曾经被认为与能量和动量一样是一基本性质，所以必须服从守恒定律：在任何反应或变化的前后，宇称维持不变。也就是说，当粒子作用形成新的粒子时，在方程式两边的宇称必须平衡，正如质量数、原子数或角动量必须平衡一样。
让我再加以说明，如果1个奇宇称的粒子和1个偶宇称的粒子作用形成两个其他粒子，这两个新粒子必定有一个为奇宇称，另一个为偶宇称。如果两个奇宇称的粒子作用形成另两个新粒子，这两个新粒子必须同时为奇宇称或偶宇称。反过来说，如果1个偶宇称性的粒子衰变成两个粒子，这两个粒子必须同为奇宇称或偶宇称。如果它形成3个粒子，不是3个粒子都是偶宇称，就是其中1个呈偶宇称，另2个呈奇宇称。如果你用奇偶数来考虑的话，你将会了解得更清楚。例如一个偶数只能是两个偶数或两个奇数的和，但绝不会是一个奇数和一个偶数的和。
麻烦是由K介子的衰变开始引起的，有时候K介子衰变成2个π介子（π子具奇宇称，两个的和为偶宇称），有时候又产生3个π介子（3个的和为奇宇称）。物理学家于是下结论说有两种K介子，一个呈奇宇称，另一个呈偶宇称，分别命名为τ（tau）介子和θ（theta）介子。
但是除了宇称外，由任一方面来看，这两种介子都是相同的：同样的质量，同样的电荷，同样的稳定性，每一种性质都一样。在这些性质完全相同的情况下，很难相信它们会是两种不同的粒子。有没有可能是宇称守恒定律出了差错，而它们实际上是同一种粒子呢？这个说法，由两位美籍中国物理学家李政道和杨振宁在1956年提出。他们认为，虽然宇称守恒定律在强相互作用中正确，但在像K介子衰变这种弱相互作用中却会是错误的。
他们以数学方式证明上述的可能性。他们认为，如果宇称守恒定律不起作用，弱相互作用中的粒子应该表现出的是手征性，手征性首先由匈牙利物理学家维格纳在1927年提出。让我解释一下什么是手征性。
左手和右手是相反的，任何一只手都是另一只手在镜中的影像：在镜中右手看起来是左手。如果手在各方面都对称，那么镜中的影像和实际上的不会有任何差别，也就没有左右手的区别。在图7-9中，可见到手在镜中影像对称和反对称的说明。好，现在我们把这个原理应用在发射出电子的一组粒子上。如果向所有方向发出的电子数都一样，这些粒子当然不会有手征性问题，但是如果大部分的电子倾向于一个特殊的方向，比如说是往上的比往下的多吧，那么这些粒子便是不对称。它表现出手征性，因为如果我们观察镜中的发射情况，这个特殊方向恰好被反转过来。
7-9 用手说明镜像对称与反对称
现在要做的是观察在弱相互作用中发射出电子的一些粒子，例如某些以β辐射进行衰变的粒子，看看电子的发射是否会有一优先的方向。李政道和杨振宁要求在哥伦比亚大学工作的实验物理学家吴健雄进行这个实验。
吴健雄安排了所需的实验条件，她把所有发射电子的原子在同一方向排成一列，以便探测各个方向的电子发射；探测方式是使用电磁场，而且放射性物质保持在接近绝对零度。
在48小时内，实验的结果出来了，电子确实不是对称的发射。宇称守恒在弱相互作用中并不适用。于是θ介子和τ介子实际上是同一粒子，只是有时以奇宇称衰变，有时又以偶宇称衰变。很快，其他实验也证明了宇称的错误。这两位理论物理学家——李政道和杨振宁，因为这个有胆略的猜测，1957年荣获诺贝尔物理学奖。
既然在弱相互作用中对称性并不正确，或许在其他地方也不适用。整个宇宙或许是左手性的，或许是右手性的。或许真有两个宇宙，一个左手性，另一个右手性；一个由物质所组成，另一个则由反物质组成。
物理学家现在对守恒定律的态度变得有点犬儒哲学。因为任一守恒定律都可能像宇称守恒定律一样，在某些情况下适用，而在其他情形下却不正确。
宇称失效后，便和电荷共轭联成一个更为深入而普遍的守恒定律：CP守恒。电荷共轭是亚原子粒子另一数学上的性质，这个性质决定1个粒子为粒子或是反粒子。CP守恒的产生并非是空前的，我们将在下一章看到，质量守恒也服从于更深层、更具普遍性的质能守恒。
然而CP守恒也不完全正确。1964年，两位美国物理学家V.L.菲奇和克罗宁指出，在弱相互作用的少数情况下，CP守恒并不成立。所以时间的方向性也被考虑进去，而称之为CPT对称。因此V.L.菲奇和克罗宁在1980年共同得到诺贝尔物理学奖。
统一场论
为什么要有四种不同的力场、四种不同的粒子相互作用呢？当然也许不只四种，但是以科学上的观点来说，要求简单化已经根深蒂固。如果必须有四种相互作用，或更多，为什么这些相互作用不可能只是一个力场或是一个相互作用的不同表现方式呢？如果确实是这样，那么最好的方法是找出能够把它们全部表示出来的数学关系，这样或许也可以揭开一些在它们的性质中原来可能不知道的其他部分。例如在100年以前，麦克斯韦研究出一组可用于电学和磁学的数学方程式，而证明了电和磁是统一体的两面。现在我们就直接称之为电磁场。难道我们就没办法继续简化力场了吗？
爱因斯坦在只知道有电磁相互作用和引力相互作用的时代研究统一场论。他花了数十年的时间想结合这两种作用而终归失败，在他研究的过程中，两种短程力场也已被发现，使这项工作倍加困难。
然而在20世纪60年代末期，美国物理学家S.温伯格和巴基斯坦的A.萨拉姆各提出一个涵容电磁场和弱力场的数学处理方式，他们把这两种场合称为弱电场。这个处理方式后来为温伯格的高中同学——美国物理学家格拉肖所完成。这个理论预测电磁场相互作用和弱相互作用都应该会表现出中性流——某些不交换电荷的粒子相互作用。这个预测是过去所未知的，后来在寻找中发现，其中某些作用和预测的结果完全相同，这是支持这个新理论的一个有力证据。温伯格、萨拉姆和格拉肖共同获得了1979年的诺贝尔物理学奖。
