在20世纪,这两种方法都被广泛地应用于大量创新性实验。而当实验物理学家正忙于兴奋地收获和分析各种各样奇怪的物质粒子时,理论物理学家则在量子力学理论的帮助下,尝试着将所有这些成员整合在一起,并构造出一个亚原子世界的整体数学表述。在这一过程中,不同的模型会给出不同的预言,并在下一代实验中得到检验。不断有人提出新的粒子,随后这些粒子又被发现。同时,还有一些奇怪的相互作用被观测到,接着又由一些基本的规则所解释。作为最后出现的理论,粒子物理标准模型既简单又优美,最重要的是符合了所有的实验数据。它描述了构成“常规物质”的基本粒子,而这些物质正是组成地球和地球上万物的基石,也是唯一一类为我们所熟知的物质。
看看我们身边的任何一样东西,一本书,一条狗,我们正在呼吸的空气,全都是由这些本质上相同的物质组成的。无论什么东西,都可以被拆分成各种各样的分子,而每个分子则由一个或者多个原子组成。不同种类的原子——例如氢原子、氧原子以及金原子——都被收录于我们自高中时代就很熟悉的化学元素周期表中。每个原子由一个原子核和包裹它的电子云组成,原子核能被进一步分割成中子(不带电荷,neutron)和质子(带正电,proton),而中子和质子又各自由三个夸克(quark)组成。迄今为止,我们还没有发现夸克能继续进行分裂,因此它也被认为是中子和质子的最小构成单元。
我们可以到月球表面捧起一把灰尘,或是从太阳中心取出1 500万摄氏度的气体(假定在经历这样的旅行后还可以生存)。我们可以飞向远方星系的任意恒星,或是深深挖掘到地球的中心。我们还可以参观任何一个粒子物理研究中心,例如芝加哥城外的费米国家加速器实验室(Fermi National Accelerator Laboratory, 简称为Fermilab),并取出任何一个实验的产物。上述所有的物质,不管是热是冷,是粗糙还是光滑,产量充足或极端罕见,都是由相同的基本材料构成的:组成人体或书本原子的夸克和电子(electron),两种虽然质量更大、但其他方面与夸克和电子完全相同的对应粒子,以及在核反应中产生的被称作中微子(neutrino)的幽灵粒子。1
世界上共存在6种夸克:上夸克(up)和下夸克(down),粲夸克(charm)和奇异夸克(strange),顶夸克(top)和底夸克(bottom)。除此之外,自然界还包括电子、 介子(muon)和 粒子以及三种不同味(flavor)的中微子即电子中微子、 中微子和 中微子。上述这些粒子被编入三个“家庭”2(同一个家庭成员间的相互作用更强),其完整编目如图1—1所示。通过这样或那样的方式,我们已经发现了所有这些粒子,而它们之间各种各样的组合也组成了所有由常规物质构成的事物。例如,要构造元素周期表中的任何元素,我们只需要一些夸克(两个上夸克+一个下夸克=质子;两个下夸克+一个上夸克=中子)和一些电子。
