1869年，門捷列夫（Dmitri Mendeleev）發(fā)現(xiàn)化學(xué)元素的性質(zhì)有一定的重復(fù)模式，因此創(chuàng)立了元素周期表。物理學(xué)家后來認(rèn)為，這種重復(fù)模式源自原子的結(jié)構(gòu)。今天在粒子物理學(xué)中，或許也會出現(xiàn)相同的狀況。
目前已知的 12 種基本粒子也有重復(fù)模式，因此可能并非真正基本，而是包含更小的粒子。物理學(xué)家暫時(shí)將這種粒子稱為“前子”（Preon）。
但是，其他證據(jù)并不支持這種可能性。歐洲核子研究組織（CERN）的大強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）和一些其他的實(shí)驗(yàn)，或許可以解決這個(gè)問題。
宇宙是個(gè)既復(fù)雜又難以理解的地方。我們在空氣中行動自如，但沒辦法穿墻而過。太陽將一種元素轉(zhuǎn)變成另一種元素，讓地球沐浴在溫暖和光亮之中。
無線電波可以將人類的聲音從月球表面送往地球，γ 射線卻可能對我們的 DNA 造成無法復(fù)原的損害。從表面上看來，這些現(xiàn)象之間似乎互不相干，但是物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了若干原理，再整合成極度簡潔的理論，能夠解釋包含這些在內(nèi)的許多現(xiàn)象。這項(xiàng)理論稱為粒子物理學(xué)的“標(biāo)準(zhǔn)模型”，涵蓋了使墻壁形成固體的電磁力、使太陽放射出光和熱的核力，以及現(xiàn)代通訊賴以運(yùn)作和可能威脅人類健康的各種光波。
標(biāo)準(zhǔn)模型是史上發(fā)展得最成功的一項(xiàng)理論。本質(zhì)上，這個(gè)模型假設(shè)無法再加以分割的物質(zhì)粒子有兩種，分別是夸克和輕子。不同種類的夸克構(gòu)成了質(zhì)子和中子，最常見的輕子則是電子。適當(dāng)比例的夸克和輕子可構(gòu)成各種原子，再進(jìn)一步構(gòu)成宇宙中的各種物質(zhì)。這些構(gòu)成物質(zhì)的粒子由四種力結(jié)合在一起，分別是大眾相當(dāng)熟悉的重力和電磁力，以及較不熟悉的強(qiáng)核力及弱核力。電磁力與強(qiáng)、弱核力是通過交換“玻色子”來傳遞，但由微觀角度來解釋重力的各種嘗試，至今尚未成功。
標(biāo)準(zhǔn)模型還有其他問題無法解答，例如：力為什么有四種，而不是三種或五種？基本粒子為什么分成兩類，而不能以單一類別涵蓋全部的粒子？
這些問題都相當(dāng)引人好奇，然而長久以來，另一個(gè)謎團(tuán)一直吸引著我和許多物理學(xué)家的注意。標(biāo)準(zhǔn)模型把夸克和輕子視為不可分割的粒子，但令人驚訝的是，有許多跡象顯示，它們可能是由更小的粒子所構(gòu)成。如果夸克和輕子不是最基本的粒子，而且更小的粒子確實(shí)存在，我們勢必得大幅修改我們的理論。拉塞福（Ernest Rutherford）于 1911 年發(fā)現(xiàn)原子結(jié)構(gòu)之前，核能對人類而言難以想像，同樣地，進(jìn)一步深入探索次原子世界，一定也會揭露我們目前想象不到的現(xiàn)象。
科學(xué)家要解決這個(gè)問題，必須讓粒子以極高的能量相撞。從 1970 年代開始觀察夸克以來，我們一直缺乏能夠一窺夸克內(nèi)部的工具。但現(xiàn)在，歐洲核子研究組織（CERN）的大強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）正在加速運(yùn)轉(zhuǎn)，將可協(xié)助我們完成這項(xiàng)任務(wù)。LHC 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)重要的證據(jù)，證明標(biāo)準(zhǔn)模型中最后一個(gè)尚未找到的粒子——希格斯玻色子確實(shí)存在。
夸克和輕子具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的初步線索，來自探討另一個(gè)未解難題時(shí)的研究，這個(gè)難題與已知的各種夸克及輕子數(shù)目有關(guān)。質(zhì)子和中子由“上夸克”和“下夸克”這兩種夸克構(gòu)成，上夸克具有質(zhì)子的 +2/3 單位電荷，下夸克則具有質(zhì)子的 -1/3 單位電荷。雖然只要有這兩種夸克和電子，就足以構(gòu)成宇宙中所有物質(zhì)，我們?nèi)杂^察到有其他夸克存在。奇夸克的電荷和下夸克相同，但質(zhì)量較大，底夸克的質(zhì)量則比奇夸克更大。同樣地，魅夸克的質(zhì)量大于上夸克，而質(zhì)量特大的頂夸克則是夸克家族的最后一個(gè)成員。粒子物理學(xué)家已經(jīng)觀察到這些夸克，但較重的四種夸克會在幾分之一秒內(nèi)衰變成較輕的兩種。
電子也有質(zhì)量較大但較不穩(wěn)定的表親，分別是 μ 子和質(zhì)量更大的 τ 子，其擁有的電荷與電子相同。目前已知的粒子中共有三種微中子，這三種微中子的質(zhì)量極小，而且都是電中性。
粒子家族如此枝繁葉茂，物理學(xué)家自然有了一個(gè)疑問：既然只需要上夸克、下夸克和電子就能構(gòu)成整個(gè)宇宙，它們?yōu)槭裁催€有那么多表親？正如曾獲諾貝爾獎的物理學(xué)家拉比（I. I. Rabi）發(fā)現(xiàn) μ 子時(shí)的名言：“是誰下令這么做的？”
科學(xué)家著手破解粒子家族成員眾多之謎的方法之一是畫出表格，說明各種已知基本粒子的特性，方法類似元素周期表。周期表讓物理學(xué)家想到，化學(xué)元素可能不是最基本的物質(zhì)單位。某一行或列中的元素具有類似性質(zhì)，可能是因?yàn)樵觾?nèi)部結(jié)構(gòu)具有某種規(guī)律。
夸克和輕子表共有三行，稱為三個(gè)“世代”（因此粒子數(shù)目眾多之謎現(xiàn)在稱為“世代問題”）。最左邊的第一代包括上、下夸克，以及電子和電子微中子，也就是構(gòu)成我們熟知宇宙的所有粒子。第二代包括前一代粒子質(zhì)量較大的表親，第三代則是質(zhì)量最大的表親。
標(biāo)準(zhǔn)模型把夸克和輕子視為點(diǎn)狀粒子，沒有內(nèi)部結(jié)構(gòu)。但這個(gè)表的模式與化學(xué)周期表如出一轍，讓人聯(lián)想到世代間的差異可能源自夸克和輕子內(nèi)部組成單位的組態(tài)不同。
20 世紀(jì)初還有一項(xiàng)可能與尋找夸克內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)的歷史事件，就是發(fā)現(xiàn)放射性衰變。一種元素經(jīng)由當(dāng)時(shí)還不了解的某種過程，變化成另一種元素?，F(xiàn)在我們知道，改變原子核中的質(zhì)子和中子數(shù)目，就可能達(dá)成中世紀(jì)煉金術(shù)士的目標(biāo)，將不值錢的鉛變成黃金。可能發(fā)生的變化其實(shí)范圍更大，因?yàn)橹灰淖儍?nèi)部的組成夸克種類，核子煉金術(shù)甚至能將中子變成質(zhì)子。這種變化是透過弱核力進(jìn)行。弱核力也可改變輕子，但夸克不可能變成輕子，反之亦然。一種元素能夠轉(zhuǎn)變成另一種元素，代表原子內(nèi)部有復(fù)雜的活動，夸克和輕子的變化可能也告訴我們，這些粒子內(nèi)部具有更微小的結(jié)構(gòu)……
