在20世紀(jì),這兩種方法都被廣泛地應(yīng)用于大量創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。而當(dāng)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家正忙于興奮地收獲和分析各種各樣奇怪的物質(zhì)粒子時(shí),理論物理學(xué)家則在量子力學(xué)理論的幫助下,嘗試著將所有這些成員整合在一起,并構(gòu)造出一個(gè)亞原子世界的整體數(shù)學(xué)表述。在這一過程中,不同的模型會(huì)給出不同的預(yù)言,并在下一代實(shí)驗(yàn)中得到檢驗(yàn)。不斷有人提出新的粒子,隨后這些粒子又被發(fā)現(xiàn)。同時(shí),還有一些奇怪的相互作用被觀測到,接著又由一些基本的規(guī)則所解釋。作為最后出現(xiàn)的理論,粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型既簡單又優(yōu)美,最重要的是符合了所有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。它描述了構(gòu)成“常規(guī)物質(zhì)”的基本粒子,而這些物質(zhì)正是組成地球和地球上萬物的基石,也是唯一一類為我們所熟知的物質(zhì)。

看看我們身邊的任何一樣?xùn)|西,一本書,一條狗,我們正在呼吸的空氣,全都是由這些本質(zhì)上相同的物質(zhì)組成的。無論什么東西,都可以被拆分成各種各樣的分子,而每個(gè)分子則由一個(gè)或者多個(gè)原子組成。不同種類的原子——例如氫原子、氧原子以及金原子——都被收錄于我們自高中時(shí)代就很熟悉的化學(xué)元素周期表中。每個(gè)原子由一個(gè)原子核和包裹它的電子云組成,原子核能被進(jìn)一步分割成中子(不帶電荷,neutron)和質(zhì)子(帶正電,proton),而中子和質(zhì)子又各自由三個(gè)夸克(quark)組成。迄今為止,我們還沒有發(fā)現(xiàn)夸克能繼續(xù)進(jìn)行分裂,因此它也被認(rèn)為是中子和質(zhì)子的最小構(gòu)成單元。

我們可以到月球表面捧起一把灰塵,或是從太陽中心取出1 500萬攝氏度的氣體(假定在經(jīng)歷這樣的旅行后還可以生存)。我們可以飛向遠(yuǎn)方星系的任意恒星,或是深深挖掘到地球的中心。我們還可以參觀任何一個(gè)粒子物理研究中心,例如芝加哥城外的費(fèi)米國家加速器實(shí)驗(yàn)室(Fermi National Accelerator Laboratory, 簡稱為Fermilab),并取出任何一個(gè)實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)物。上述所有的物質(zhì),不管是熱是冷,是粗糙還是光滑,產(chǎn)量充足或極端罕見,都是由相同的基本材料構(gòu)成的:組成人體或書本原子的夸克和電子(electron),兩種雖然質(zhì)量更大、但其他方面與夸克和電子完全相同的對(duì)應(yīng)粒子,以及在核反應(yīng)中產(chǎn)生的被稱作中微子(neutrino)的幽靈粒子。1

世界上共存在6種夸克:上夸克(up)和下夸克(down),粲夸克(charm)和奇異夸克(strange),頂夸克(top)和底夸克(bottom)。除此之外,自然界還包括電子、　介子(muon)和　粒子以及三種不同味(flavor)的中微子即電子中微子、　中微子和　中微子。上述這些粒子被編入三個(gè)“家庭”2(同一個(gè)家庭成員間的相互作用更強(qiáng)),其完整編目如圖1—1所示。通過這樣或那樣的方式,我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了所有這些粒子,而它們之間各種各樣的組合也組成了所有由常規(guī)物質(zhì)構(gòu)成的事物。例如,要構(gòu)造元素周期表中的任何元素,我們只需要一些夸克(兩個(gè)上夸克+一個(gè)下夸克=質(zhì)子;兩個(gè)下夸克+一個(gè)上夸克=中子)和一些電子。