"自然的力
不是所有人都有幸用自己的语言说出别种语言的思想。
——雅克·拉康
无论是水果落在地上还是太阳散发出光芒，无论是我们自己，桌子的平衡站立还是灯丝发出光亮，抑或是涂湿的邮票紧紧粘住信封，它们的运动状态都是自然界里各种各样的力角逐之后的结果。
根据经典物理学，如果一个粒子作用在另一个粒子上，那是因为个粒子所产生的场会在空间中传播，该场再作用于另一个粒子。但是考虑到量子物理学，就不得不重新审视这个概念。在量子物理学的框架下，如果两个粒子间有相互作用，那一定在这个过程中交换了某些东西，而这东西便是相互作用的特征粒子。换句话说，只有通过第三个粒子的交换才能使两个粒子之间进行相互作用，这在学术上被称为相互作用的“规范玻色子”。
打一个比方来帮助我们更好地理解。想象湖上有两只船，船上所有人都没有能指挥和调整船运行的工具（没有长桨，没有短桨也没有撑杆）。假设两条船都朝着对方行使，按这个态势发展两条船看上去是一定会撞到一起的。真的是不可避免么？也不完全是。因为如果其中一个船员有比较沉的东西，比如球，就可以朝着另一条船的乘客使劲扔过去，这样一直扔下去，两条小船便会一点点偏离开。通过这种空间中的媒介，连续的投掷重球会形成一个排斥力进而改变小船的行进轨迹。
尽管这是一个不够准确还需推敲的例子，但是它确实让我们知道一件重要的事情：就好像沉重的球只能在短距离内来回投掷，粒子相互作用的范围也将随着其介导粒子（即规范玻色子）的质量升高而缩短。
换句话说，如果规范玻色子的质量很大，那么除非两个粒子离得非常近，否则它们之间不会发生物质交换，即不会有相互作用。基于以上思考所得出的一些性质，可以用量子物理学中完全严格的方式来表示。
宇宙基本的力有哪些？
为了了解他们能够观察到的所有现象，物理学家们只需要引入四种他们认为是“基本的”力。它们是哪些呢？当然有万有引力，3个世纪多以前由牛顿发现；电磁相互作用，由麦克斯韦在19世纪下半叶发现，它体现在日常生活中一些物质的内聚力；弱相互作用，于1930年代发现，它控制着某些放射性过程，特别是β放射性；强相互作用—与弱相互作用几乎同时被发现—它们稳定地将原子核的不同组成部分连接在了一起。
让我们更仔细地来看看它们的特点。
首先是万有引力。正是它让我们能够坐下，让我们在跌倒时会疼痛。但是它也控制着很多其他的现象，从物体的掉落到行星的移动。万有引力同时也是原始气体得以形成恒星的根源，正是它使原始气体结合形成了恒星。也是它使得形成的恒星之间相互吸引，进而形成星系。
万有引力的这种相互作用是吸引作用，且作用范围趋向于无穷大，就是说两个有质量的物体之间只有当它们的距离是无限大的时候，它们之间存在的力才为零。没有任何屏障能够消除万有引力的影响，希望减小或消除万有引力的尝试都是徒劳无用的。
万有引力的强度比其他相互作用要弱得多，以至于我们甚至可以忽略它在粒子层面的影响，而在粒子层面有其他强得多的力在起作用。但是，为什么又会说万有引力在微观层面上对我们那么重要呢？这是因为万有引力总是存在吸引的作用，这种作用是可叠加的：投入的粒子数量越多，万有引力越强。的确，我们身体的一个质子与地球的一个质子之间的万有引力是极小的，但是，我们身体的质子非常多，而地球的质子更多，将两者结合在一起的无数小力量相互叠加，终形成了一个总的大力量，具体来说等于我们的体重。
万有引力于是很好地表现了“团结就是力量”。
承载万有引力的粒子（它的“球”）叫作“引力子”。它的质量为零。至少，这是我们目前掌握的知识让我们对它进行的构想，因为事实上科学家们至今还没有发现引力子，即它是否真实存在仍然存疑。
电磁相互作用比万有引力强得多。它对我们的影响随处可见，正是因为电磁相互作用我们所有的家用电器才能运行，从吸尘器到咖啡机，再到电冰箱和电熨斗。但在更基础的层面，它主要保证了原子和分子的内聚力，控制所有的化学反应及光学现象（我们要记得，光就是由电磁波组成的，也是由光子构成的）。和万有引力一样，电磁相互作用的影响也是趋向于无穷的，但是，因为它时而具有吸引力，时而具有排斥力（根据电荷正负性而变化），在远距离时它的叠加效果因为物质整体呈中性而被抵消了。
电磁相互作用是通过和光子的交换进行的，所以光子是它的媒介，是它的“球”。光子的质量为零。这些光子被认为是“虚拟的”，并不是因为它们是人造的，而是因为当两个带电的粒子互换光子时，光子无法单独被探测到。
弱相互作用的作用距离很短，大约为10-18米。还不如说和胶水一样，这是一种通过接触来实现的相互作用：只有在两个粒子几乎相互接触的情况下，它们才能通过弱相互作用相互影响。它同时也是β放射性的成因，这种作用使得一个中子衰变为一个质子和一个电子，同时共同放射一个反中微子。正如它的名字所示，弱相互作用的特征是强度非常微弱、非常难以观察到。但这并不能阻止它扮演一个重要角色，特别是在太阳中，它决定着氢原子核的聚变反应。如果它从宇宙中消失，那么我们的恒星就会停止闪耀……
有三种粒子是弱相互作用的媒介。我们称它们为“中间玻色子”，并将它们记作W ，W-和Z0。因为弱相互作用的距离非常短，这些“球”的质量必须非常大。实际上，这个质量几乎达到质子质量的100倍。欧洲核子研究组织（简称CERN）于1984年证实了这三种中间玻色子的存在，这多亏了为此而制造的一台质子和反质子对撞机。
强相互作用是四种基本相互作用中强度的，但是在很长时间里我们都不知道它。物理学家们在1930年代了解到原子核的稳定性中隐藏了某种令人惊讶的事物，于是猜到了它的存在。因为原子核中的质子带有同种电荷，电荷的作用力（库仑力）是试图将它们分开的，所以它们会相互排斥。然而，它们似乎被很稳定地捆绑在一起。那么是什么克服了它们的电荷排斥力呢？没有任何经典力能够解释这一核内聚力。从这里，就产生了一个假设（随后被证实）：在原子核中存在着一种非常强的力，就是强相互作用，它的作用距离范围非常短，约10-15米。
这一作用就如某种强力胶将两个核子（质子或中子，对它来说无所谓）一个贴一个地粘上，但是只要将两个核子分开一点点，强相互作用就会迅速减弱。这并不影响它成为如此强大且令人难以置信的存在。例如它能够在几个10-15米的距离间，阻拦一个以每秒10万公里的速度投掷过来的质子……你可以想象那个制动力有多么强。
强相互作用的“球”是什么呢？它们叫“胶子”（gluon）。我们会在后文讲述“夸克”（quark）时介绍。
并不是所有的粒子都会承受强相互作用。对这种作用敏感的粒子，如质子或中子，叫作“强子”。不受它影响的粒子叫作“轻子”。我们掌握了超过350种不同的强子。它们都不稳定，的例外也许是质子。这说明它们很快就会衰变为其他更轻的粒子。它们的寿命（直到它们的衰变开始之前的平均时间）可能非常短暂。某些易消逝的强子的寿命甚至只有10-23秒，这使得它们成为了自然中我们所知道的短暂的现象。一般来说，一个强子从来都没有时间停下来喘口气。
基本粒子
有朝一日头脑部分一定会战胜粒子。
——皮埃尔·德普罗日
标准模型立足于少量基本粒子的存在，这些粒子没有已知的内部结构并且是不可分割的。这些粒子分为两类，一类是轻子，一类是夸克。
轻子是什么？
我们将那些保持对原子核内聚力的强相互作用不敏感的粒子叫作轻子。今天我们知道轻子有6种。前3种不带电且质量非常轻：它们是中微子。另外3种是大质量的轻子且带电：电子、μ子和τ子，除了质量和寿命，它们从各方面看都是相同的粒子。μ子是电子质量的206倍，会在几微秒后衰变为电子、中微子和反中微子。τ子则更重，而且寿命非常短暂，只有10-13秒左右。
今天的一切现象都让人认为轻子才是真正的基本粒子，也就是说它们不会由更小的实体构成。得益于粒子加速器，我们可以用极大的能量（是与它质量相当的能量的10万倍）撞击电子，然而我们还从未成功使它“碎裂”成块，也未观察到它的内部结构可能隐藏的构成粒子。
和所有粒子一样，每个轻子都有它的反粒子，与它质量相同而电荷相反。电子的反粒子叫正电子。还有反μ子、反τ子和其他3种反中微子。
夸克是什么？
今天早上他又从三双不同的袜子里挑了三只穿上了。
——埃里克·舍维拉尔
我们在上文提到过，有超过350种强子存在，也就是说有350种粒子对强相互作用敏感。大部分这类粒子不是在宇宙辐射中被探测到，就是在第二次世界大战以后利用大型粒子加速器进行的高能物理实验中被探测到。
在1960年代初，有些物理学家认为数量庞大且种类繁多的粒子几乎不可能是基本粒子（即没有内部结构的粒子）。1964年默里·盖尔曼和乔治·茨威格分别首次提出了夸克理论，将物理学家们的这些推测以正规形式表现了出来。夸克理论的原理是强子可能是混合粒子，由比它们更小的微粒夸克混合组成。由3个夸克组成的强子称为重子。其他的强子称为介子，由1个夸克和1个反夸克组成。理论家的这一创造在初几乎没有得到赞同，随后被实验证实后（特别是从1974年开始）夸克理论才逐步得到了学界的承认。终，它使我们能够非常精确地了解强子的结构。
今天我们知道存在6种夸克，以它们的“味”来区别。夸克的6种味分别由字母u，d，s，c，b和t代表（对应英文里up[上]，down[下]，strange[奇]，charm[粲]，beauty/bottom[底]和top[顶]的首字母）。通过它们，我们就能够重构出已知的所有强子结构。例如，质子是由两个u夸克和一个d夸克组成，这就形成了一个夸克的三元组（uud）。至于中子，它包含着一个u夸克和两个d夸克，这就形成了（udd）。如果我们将一个质子所拥有的电荷数作为单位电荷，那么u夸克的电荷数为2/3而d夸克的电荷数为-1/3，而这正好使得一个质子的电荷数为1（2/3 2/3 – 1/3 =1）而中子的电荷数为0（2/3 – 1/3 – 1/3 = 0）。
夸克的味并不仅仅是将夸克区别开的特征标签。它另外的主要用途是标明夸克通过何种方式的弱相互作用力来相互作用，同样地，它们所带的电荷决定了它们通过什么样的相互作用方式来进行电磁相互作用。例如，弱相互作用能够将一个d夸克转变为一个u夸克，而β衰变的进行则正是由中子（udd）变成质子（uud）。
除了味，夸克还有另一个同样重要的特性，我们称之为“色”。粒子物理学家给这一特征起名为“色”并不是说它真的和真实的颜色一样有着不同的颜色，就像夸克的味也不能说它就是一盘好菜有着不同的味道。夸克完全没有普通意义上的颜色。它们的颜色只是它们所带有的一个标签，这个标签表明了它们强相互作用的作用方式。夸克有三种可能的随机选择的颜色：红、蓝和绿。在质子或中子中，三个夸克中的每一个都有不同的颜色：也就是说有一个红夸克，一个蓝夸克和一个绿夸克。一般来说，质子和中子是“白”的，因为白色可以视作所有颜色的叠加。根据夸克理论，在实验室里我们只能探测到白色粒子。
而夸克有着确定的（白色以外的）颜色，它们不能被分别观测到。我们只能探测到强子，而不能单独探测到夸克。夸克总是被“关”在强子里面。
强相互作用通过胶子的交换将夸克联系在一起，胶子就是这一相互作用的媒介，是强相互作用的球。胶子就像不会断裂的橡皮筋，有一个简单的作用：它们将强子里的夸克“粘上”。胶子有8种。它们也有颜色，它们与夸克相互作用，同时持续交换着彼此的颜色：胶子就是如此让夸克从蓝变红或者从绿变蓝，循环往复，就像非常活跃的三色灯。这种颜色的不停变换使得夸克和胶子纠缠交错，保证了强子（非常短暂的）稳定性。
夸克和胶子，即使用日常用语中的词汇来命名他们的特性（通过这种方式，物理学家希望或许能够不再多增加这一学科中越来越多的抽象概念），它们仍然还是一些奇怪的东西。事实上，夸克和胶子越是彼此靠近，它们受“邻居”的影响就越小，它们熙熙攘攘地拥挤在一个非常小的区域中，于是将它们联系在一起的力几乎降为零。在某种程度上，它们在短距离中变得自由。这点可让那些在高峰期挤地铁的人羡慕坏了……
但这一自由并非，因为夸克并不能逃离它们所属的混合系统。这一切就像是它们在一座永远不能离开的监狱中获得了自由。因为，当我们想要将一个夸克和与它相互作用的其他夸克和胶子分离开来，进而将这个夸克孤立出来时，我们需要提供的能量随着分离的距离的增加而更迅速地增加。自然不会浪费能量，它更倾向于使用这些能量来创造其他的夸克和反夸克：所有逃离的夸克立即就会披上搭档们的外套而形成新的强子。也就是说，夸克出门的时候总是会穿上衣服，让我们从来不会看到它光着身子。
标准模型里聚集了三个构造相同的夸克和轻子家族。每个家族都由两个夸克和两个轻子组成。事实上，只需一个家族（个，由电子、它的中微子以及u和d两个夸克组成）就足以表现我们周围的物质（例如原子，是由原子核及围绕它旋转的电子组成，原子核本身又是由质子和中子组成，也就是终就是由u和d组成）。那么，其他两个夸克和轻子的家族又有什么用呢？为什么自然选择了“重复”这样的东西，创造了三次几乎一样的东西？这是物理学家们到现在还不能回答的两个问题。
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