茶杯、冰塊、圓珠筆、綠植、沙發......這些我們日常生活中所熟悉的東西都是由什么組成的？

顯然，它們有著不同的材質、顏色和形狀，這是否意味著它們是由不同的東西組成的？如果我們能夠將它們一直分割下去，是否會發現它們其實都是由一個最小的單元組成的？

一開始，原子被認為是構成物質的基礎單元，原子的英文“atom”一詞有“不可分割”之意。科學家發現了100多種不同類型的原子，將它們排列在那張懸掛于世界各地化學教室墻上的元素周期表中（今年是門捷列夫提出元素周期表的150周年）。

○  元素周期表中的元素并不是在宇宙誕生后就全部出現的，而是在漫長的宇宙演化歷史中，逐漸在不同的物理過程中形成的。| 圖片來源：Jennifer Johnson

但原子并非故事的結局，它并不是不可分割的存在。如果將原子進一步分割就會發現，它實際上是由質子、中子和電子構成的。質子和中子組成了原子核，而電子則圍繞著原子核旋轉。原子核周圍的電子會與其他原子中的電子結合，并形成復雜的排列；這種結合正是化學的基礎，也是我們周圍各種物質之所以形態、性質各異的基礎。

然而，質子和中子仍不是不可分割的結構，它們是由被稱為上夸克和下夸克的微小組分構成的，質子由兩個上夸克和一個下夸克組成，中子由一個上夸克和兩個下夸克組成。

現在，我們可以回答開頭的問題：日常生活中的所有物質都是由三種粒子——電子、上夸克、下夸克——組成的。所有千變萬化的不同物質之間的區別都源于這些粒子是如何排列組合在一起的。

把光稱為“物質”似乎是很奇怪的，但現代物理學已經確定，光實際上與物質很相似：它以有限地的速度傳播（約300000km/s），它會受到引力的影響（這是由愛因斯坦廣義相對論所預測的），它甚至是由微小的粒子——光子——組成的。

如果連光都是由粒子構成的，那么說“一切事物都是由粒子構成的”似乎是一個合理的猜測。那么除了剛才說到的電子、上夸克、下夸克、光子之外，我們還能找到更多這樣的粒子嗎？答案是肯定的。自現代粒子物理學誕生以來，科學家已經從宇宙射線和粒子對撞機中發現了大量的粒子。幸運的是，在克服了許多令人費解的難題之后，他們發現這些粒子都是由一小組基本粒子所形成的不同組合。這里，基本粒子是指那些無法由更小的物質組成的粒子，是真正不可再分割的，它們共有17個（不包括反物質粒子）：

首先，我們有三個家族，物理學家稱為三代，每代都包含了四種物質粒子：兩個夸克和兩個輕子。在第一代中，我們看到熟悉的上夸克（u）、下夸克（d）和電子（e），以及第四種粒子——電子中微子（v_e）。電子中微子是一種非常輕的粒子，它大量產生于太陽之中，由于幾乎不與物質相互作用，因此大部分都會直接穿過普通物質。

第二代和第三代的粒子的性質與第一代粒子完全相同，除了它們更加的重。物理學家至今都不知道，為什么會有三代粒子。這非常奇怪，但事實就是如此。

除了6種夸克和6種輕子之外，還有四個所謂的規范玻色子，它們是傳遞力的粒子。例如，光子（γ）負責傳遞電磁力，即當兩個電子相互排斥時，它們實際上是在交換一個光子。此外，另外三種規范玻色子與另外兩種基本力有關：膠子（g）負責傳遞強核力，W和Z玻色子傳遞弱核力。（注意，這里沒有涉及到的是第四種基本的力：引力）。

2012年，歐洲核子研究中心（CERN）的大型強子對撞機（LHC）發現了第17種基本粒子——希格斯玻色子（質量為125GeV/c2）。這是基本粒子中最有意思的一個：粒子通過與希格斯玻色子的相互作用而獲得質量。目前，物理學家仍然在繼續研究希格斯玻色子的性質。有些物理學家將它與宇宙暴脹聯系起來，有些人則用它來解釋物質-反物質的不對稱性。

https://plus.maths.org/content/our-theory-very-nearly-everything-particles

IEEE Spectrum

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