宇宙是個既復雜又難以理解的地方。我們在空氣中行動自如，但卻沒辦法穿墻而過；太陽將一種元素轉變成另一種元素，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，伽馬射線可能對我們的DNA造成無法復原的損害。表面上看，這些現象之間似乎互不相干，但是物理學家發(fā)現了若干原理，再整合成極度簡潔的理論，能夠解釋包含這些在內的許多現象，這便是量子物理學的標準模型。

標準模型是史上發(fā)展得最成功的一項理論。本質上，這個模型假設無法再加以分割的物質粒子有兩種，分別是夸克和輕子。不同種類的夸克構成了質子和中子，最常見的輕子則是電子。適當比例的夸克和輕子可構成各種原子，再進一步構成宇宙中的各種物質。這些構成物質的粒子由四種力結合在一起，分別是大眾相當熟悉的重力和電磁力，以及較不熟悉的強核力及弱核力。

在標準模型中，有一個謎團一直吸引著物理學家的注意。標準模型把夸克和輕子視為不可分割的粒子，但令人驚訝的是，許多跡象顯示它們可能是由更小的粒子構成。如果夸克和輕子不是最基本的粒子，而且更小的粒子確實存在，我們勢必得大幅修改我們的理論。

要解決這個問題，必須讓粒子以極高的能量相撞。從20世紀70年代開始觀察夸克以來，我們一直缺乏能夠一窺夸克內部的工具。但現在，歐洲核子研究中心的LHC正在加速運轉，將協助我們完成這項任務。目前，LHC已經發(fā)現重要的證據，證明希格斯粒子確實存在。

夸克和輕子具有內部結構的初步線索，來自探討另一個未解難題時的研究，這個難題與已知的各種夸克及輕子的數目有關。質子和中子由上夸克和下夸克這兩種夸克構成，而且只要有這兩種夸克和電子，就足以構成宇宙中的所有物質。然而，我們仍然觀察到有其他夸克的存在。奇夸克的電荷和下夸克相同，但質量較大，底夸克的質量則比奇夸克更大。同樣，魅夸克的質量大于上夸克，而質量特大的頂夸克則是夸克家族的最后一個成員。

電子也有質量較大但較不穩(wěn)定的表親，分別是緲子和質量更大的濤子，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，這三種微中子的質量極小，而且都是電中性。

粒子家族如此枝繁葉茂，物理學家自然有了一個疑問：既然只需要上夸克、下夸克和電子就能構成整個宇宙，它們?yōu)槭裁催€有那么多表親？

科學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?？淇撕洼p子表共有三行，稱為三個“世代”。最左邊的第一代包括上、下夸克以及電子和電子微中子，也就是構成我們熟知宇宙的所有粒子。第二代包括前一代粒子質量較大的“表親”，第三代則是質量最大的“表親”。這個表的模式與化學周期表如出一轍，讓人聯想到世代間的差異可能源自夸克和輕子內部組成單位的組態(tài)不同。

在20世紀初，還有一件可能與尋找夸克內部結構有關的歷史事件，那就是發(fā)現放射性衰變：一種元素經由當時還不了解的某種過程，變化成另一種元素?，F在我們知道，改變原子核中質子和中子的數目，就可能達成中世紀煉金術士的目標，將不值錢的鉛變成黃金?？赡馨l(fā)生的變化其實范圍更大，因為只要改變內部的組成夸克種類，核子煉金術甚至能將中子變成質子。這種變化是通過弱核力進行的。弱核力也可改變輕子，但夸克不可能變成輕子，反之亦然。一種元素能夠轉變成另一種元素，代表原子內部有復雜的活動?？淇撕洼p子的變化可能也告訴我們，這些粒子內部具有更微小的結構……