“宇宙的说明书”这个大项目完成之前，一个粒子物理学家不该考虑退休。说明书中应该包含自然界的所有基本组成部分，还应介绍它们所起的作用。这本说明书虽然在不断更新，但离完成还差得远。不过，它已经非常强大了。这本“说明书”被称为“基本粒子物理学的标准模型”。严格来说，它是一个可重整的量子场论：场量子对应着基本粒子。场和粒子可以分为两组。一组的粒子是物质粒子。由于它们的自旋都是1/2，所以属于“费米子”组，即半整数自旋的粒子。另一组粒子则有些不同。其包含的粒子自旋为1，因而被称为“玻色子”（还有一种自旋为0的玻色子，即希格斯玻色子，其作用有些不同），但它们的作用与我们对经典世界的印象不同，把它们像乐高积木一样搭起来也未必能得到个大家伙。这些玻色子也被称为“力载体”，因为它们在费米子之间进行交换，传递相互作用。让我们试着举个简单的例子并把它画出来吧。

粒子交换导致的相互作用

想象一下，埃尔温和麦克斯韦静止地站在滑板上。麦克斯韦向埃尔温抛出一根香蕉。动量守恒使他向被扔出的香蕉相反的方向移动。一旦埃尔温接住了香蕉，他就会接过香蕉的动量，向香蕉的方向移动。他们可以来来回回地玩这个游戏。现在想象一下，麦克斯韦和埃尔温是费米子，而香蕉是一个玻色子，可以传递排斥力。要想展示传递吸引力是怎样的，我们恐怕要换一个更高级的例子，比如被抛出的回旋镖。

标准模型总共包含了三种基本的相互作用：电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用。要想搞明白这里的意思，你也可以随意将“相互作用”换成“力”。但如果你仔细观察这些相互作用，你会发现它们不仅仅是让事物变得相互吸引或排斥。对了，你是不是把什么漏掉了？引力？没错，这也是标准模型的弱点之一：它无法解释引力（如需了解更多信息，请参见“弦理论”和“量子引力”两节）。要想把引力和其他相互作用放在同一个数学框架中，还有一些问题没有解决。但在基本粒子的层面上，我们可以放心地忽略引力，因为影响实在太小了。

电磁相互作用几乎参与了我们日常生活中的一切（手机通话、微波炉、心跳、肌肉运动、可见光……），而强相互作用和弱相互作用比较隐蔽。强相互作用的作用是把原子核固定在一起，我们应该为此感谢它，因为不是这样的话我们会立即蒸发掉。弱相互作用使得许多核反应成为可能，如核聚变，太阳的加热机制。因此，没有弱相互作用，就没有阳光，地球上就没有生命。弱相互作用存在真是太棒了！

不是每个费米子都能参加每一种相互作用。每一种相互作用都得有费米子运载其专用的“电荷”。对于电磁相互作用来说，其费米子就是众所周知的“电荷”。我们知道，带正电荷的粒子会吸引带负电荷的粒子，排斥同样带正电荷的其他粒子，而对中性的粒子则毫无作用。强相互作用作用于一种叫作“色荷”的电荷。携带这种电荷的费米子被称为“夸克”。不带强电荷的费米子叫“轻子”。标准模型的所有费米子都携带弱相互作用的电荷（弱荷）。这意味着每个粒子都可以进行弱相互作用。对于那些既不是夸克也不带电的费米子来说，这是唯一的互动方式。我们称这些粒子为中微子。

标准模型玻色子包括光子、W和Z玻色子、胶子和希格斯玻色子。无质量和电中性的光子是电磁相互作用的介质。由于光子是无质量的，尽管电磁相互作用的强度会随距离增加而下降，但它的范围是无限的。想想埃尔温、麦克斯韦、香蕉和滑板。无质量的香蕉可以扔得很远。弱相互作用的情况就不同了：它的介质W和Z玻色子非常重。看看图片中的埃尔温、麦克斯韦和瓜。瓜不可能被扔得那么远，对吧？W和Z玻色子的质量导致弱相互作用的距离很短。对于强相互作用和作为介质的胶子，情况又有所不同。胶子是无质量的，但强相互作用仍然只有很小的范围，原因是胶子本身带有色荷。你可以先看一下关于强相互作用的章节，就能知道这会导致强相互作用的影响范围小的原因了。我们还没讲的最后一种玻色子，你可能已经知道了，那就是希格斯玻色子。它仍然是玻色子，但他与其他同僚不太一样，因为它的自旋不是1，而是0。它也不是相互作用的介质，不过，它负责赋予标准模型中所有粒子以质量。

粒子的动物园

在这里，你可以概览标准模型的所有粒子。夸克，带电的轻子和中性轻子（中微子）被分成三代。在第一代中，你可以找到描述地球上生命所需的所有粒子。你可以用两个上夸克和一个下夸克来制造质子。至于制造中子，你只需要两个下夸克和一个上夸克。有了质子和中子，你就可以打造所有的原子核；然后你只需要再加上第一代中带电的轻子，即电子，你就有了原子。其他代的原子核具有与第一代原子核相同的性质，但它们的粒子质量更高。这使得它们可以衰变成更轻的粒子。在历史上，人们并非从一开始就认识所有的粒子。有时，实验物理学家先发现了一种新的粒子，理论物理学家只好新加一代。有时理论物理学家基于充分的理由提出世上存在一种新粒子（如根据底夸克的存在预言世上也有顶夸克），然后人们真的在实验中发现了它。

代间的对称性一直是物理学的一个基本属性。它使得我们可以用同样的形式体系来描述不同的相互作用，并促使物理学家去找一种理论来描述一切，甚至可能用同样的形式体系来描述引力。弦理论、超对称性、量子引力等理论就是这样产生的。这种对称性还可以帮助我们找到标准模型尚不能解决的问题的答案。为什么会有这么多粒子？什么是暗物质？引力又是如何起作用的？