除此之外,每種粒子還擁有一種與之對應(yīng)的反粒子(antiparticle)。除了所帶電荷相反,反粒子和對應(yīng)粒子在其他各方面完全一致。例如,正電子(positron)的質(zhì)量和電子完全相同,但所帶電荷為正。而每一個夸克也都擁有一個孿生反夸克,反質(zhì)子(antiproton)則由兩個反上夸克和一個反下夸克構(gòu)成。這些粒子被統(tǒng)稱為反物質(zhì)(antimatter),它們之間存在常規(guī)的引力相互作用,且被認為是標準模型中的一部分。

也許反物質(zhì)聽上去像是科幻小說中的概念,而且質(zhì)子和反質(zhì)子在碰面之后也確實會魔術(shù)般地一起消失,但這并不是真的那么超乎想象。盡管我們?nèi)匀辉谠O(shè)法理解為什么宇宙幾乎完全是由物質(zhì)組成的(而不是反物質(zhì)),但反物質(zhì)粒子確實經(jīng)常出現(xiàn)在自然界(例如一些核衰變)和科學(xué)實驗中(費米實驗室產(chǎn)生的反質(zhì)子射線以及由位于加利福尼亞州門洛帕克(Menlo Park)的斯坦福線形加速器中心(Stanford Linear Accelerator Center, SLAC)產(chǎn)生的正電子射線)。當然,反物質(zhì)在任何情況下都不會長期存在。一旦它遭遇到一點物質(zhì),就會通過相互湮滅的方式消失,而兩個粒子的質(zhì)量則被(至少短暫地)全部轉(zhuǎn)化為純的能量。

上述所有粒子間的相互作用——包括物質(zhì)和反物質(zhì)——都可以被歸納為四種基本力。引力可能是大家最熟悉的一種(同時也可能是我們了解最少的)。而看來互不相干的電力和磁力,實際上只是同一種電磁力的不同表示。至于我們最不熟悉的核力,則包括兩種類型——強相互作用和弱相互作用。上面所說的后三種力——強、弱和電磁相互作用——都各自存在一種與之關(guān)聯(lián)的力傳播子,物質(zhì)粒子正是通過這些力傳播子的交換來進行彼此間的耦合。帶電粒子(例如電子)要通過電磁力的載體——光子(photon)——和其他帶電粒子發(fā)生相互作用。原子核中的夸克被傳遞強相互作用的膠子(gluon)捆綁在一起。而電子和中微子之間的弱相互作用則通過W波色子(W boson)和Z波色子(Z boson)傳遞。對于引力,也許同樣存在著傳播力的引力子(graviton),但我們至今還未觀測到它的存在。這也是粒子物理學(xué)中一個懸而未決的關(guān)鍵問題。

粒子物理的標準模型是一個對亞原子世界的數(shù)學(xué)表述。它非常成功地描述了構(gòu)成常規(guī)物質(zhì)的基本粒子以及它們之間的相互作用。盡管標準模型不是萬能的——事實上依然還有很多嚴肅的問題等待我們?nèi)セ卮?比如為什么一些粒子比其他粒子重?為什么有三個粒子家族而不是一個?究竟是否存在引力的量子理論?等等——但是,迄今為止我們尚未發(fā)現(xiàn)標準模型本身的任何弱點。