古埃及人推测它可能是空气、火或水；一个世纪前，化学学家确信它就是原子......明天，我们相信，现实的最深层是由各类基本粒子组成的，它们都受量子理论的支配。
量子热学归根结底只是一种数学理论，虽然它十分成功。它精确地描述了事物在最小尺度上的行为方法。但是，“量子”一词却令人回味无穷。量子热学所描述的亚原子粒子和力的无限小领域，以奇特闻名：凡人不敢进军，更不用说理解了。我们被告知，粒子是场，反之亦然，不确定性占主导地位，波函数坍缩了模糊的机率云，进而呈现出我们所熟知的精炼现实。面对这样的启示，我们很容易想到化学学家理查德·费曼（）那句“臭名昭著”的格言：“没有人理解量子热学”。
粒子可能是“坍塌波函数”、“场的量子迸发”、“庞加莱群的不可约代表”、“振动弦”、“量子比特的变型”......对于任何其他物体，物体的属性取决于它的化学构成：归根结底，取决于它的组成粒子。但这种微粒的特点并非来自其自身的组成成份，而是来自物理模式。作为物理与现实的接触点，粒子以不确定的立足点横越两个世界
从某种意义上说，所有那些都是对的。但若果因而就得出亚原子世界是禁区的推论，那就大错特错了：恰恰相反，亚原子世界与生俱来的奇异性和其中蕴涵的困局恰恰是它令人激动的地方。
正是本着“只要舍弃直觉，量子世界并没有你想像的这么令人疑惑”的探求精神，我们整理、并列举了这分量子领域清单。
——这一次，我们将找寻最小的微观世界。你可以把它想像成一次亚原子野生植物园之旅，或则起码是一本微观世界市民的野外手册。这样，读者们将除了能发觉我们所晓得的粒子和力，能够了解它们的独特行为和支配它们的定理；将看到化学学家觉得可以解开宇宙学最大疑点的、令人眼花缭乱的假想粒子，以及她们觉得可能在更深层次的现实中发觉的一些奇特事物。
我们希望，这会是一次令人激动的旅程。
首先，我们晓得物质由原子组成，原子的中心是质子和中子。但虽然这么，它们也不是基本粒子，正如目前粒子化学学的“标准模型”所详尽描述的那样，它是我们在最微小尺度上对现实的主要描述。为此，我们要从深层次入手，研究物质究竟是由哪些构成的。
标准模型。虽然还缺乏一些“碎片”，但我们早已确定的粒子集合为所有可见物质和四种基本力中的三种提供了十分确切的描述
1）电子
电子的重量比质子或中子轻约1800倍，对原子整体质量的影响微乎其微。但是，假若没有电子，我们几乎难以感遭到物质的存在。这是由于电子带有负电荷，存在于原子核周围的“轨道或云”中：当你触摸某物时，指尖的原子并没有直接与物体中的原子相碰撞。相反，你感遭到的是右手中原子核周围的负电子与物体中的负电子之间通过电磁力形成的互相敌视力。
电子在日常生活的几乎所有其他方面也起着主导作用。大体上，当原子结合在固体、液体和二氧化碳中时，都是通过电子的转移或共享来平衡电荷并使事物稳定。
所有物理反应——从光合作用到燃烧、从分解到我们的嗅觉和味觉所涉及的微妙反应，都可以归结为电子的重新排列。电子也是电力的载体：电子在晶体管中的微妙操作控制着电压的流动，正是由于有了电子，计算机和许多其他现代技术才得以实现。
2）夸克（上、下）
对于化学学家默里·盖尔曼（Gell-Mann）来说，“夸克”这个词描述的是他在20世纪60年代成功预言的基本粒子，以及结合在一起构成质子和中子的基本粒子。
在这儿，夸克有两种类型：上夸克和下夸克，但不要从字面上理解这种标签。区别在于上夸克的分数电荷（即电子电荷的分数）为+⅔，而下夸克的分数电荷为-⅓，但是质量较小。中子包含两个下夸克和一个上夸克；质子包含两个上夸克和一个下夸克，它们都与另一种基本粒子——胶子，粘在一起。估算一下才会发觉，这就是为何质子比中子稍轻，并带有正电荷的缘由：正是由于它将负电子禁锢在原子核周围的轨道上。
3）中微子
在粒子化学学的标准模型中，电子和中微子被归类为轻子（），这个词来始于法国语，意为“小”。其实相对于质子、中子和夸克，电子的质量很小，但与中微子的质量相比，它简直就是一头猛兽：听说中微子的质量要小一百万倍。更重要的是，中微子是电中性的，因而不受电磁力的影响，它是最微弱的物质粒子，在物体中游走几乎完全不被发觉。
你是否注意到，在阅读这篇文章时，数十亿中微子通过太阳核聚变形成，正穿过你的眼珠？我们也没有。
不过，中微子确实时常会通过弱斥力与物质发生互相作用，这些斥力参与了各种类型的核衰变。但在这种风波中，我们并不总能听到我们所期望的东西。这是由于量子定理容许中微子在不同的气味之间摆动：“电子中微子”可以转化为“μ介子中微子”或“τ中微子（tau）”。因而，中微子是了解粒子化学学家所说的物质分三代这一奇怪事实的窗口。
4）其他夸克和轻子
对于四种原始或“第一代”基本物质粒子中的每一种，化学学家都发觉了不是一种而是两种复制品，它们与原始粒子的区别仅仅在于质量更大。
比如，对于上夸克，较重的复制品是粲夸克和顶夸克；对于下夸克，有奇特夸克和底夸克；对于电子，我们有μ介子和τ介子；对于电子中微子，有μ介子中微子和τ中微子。
1936年发觉μ介寅时物理知识，诺贝尔化学学奖得主伊西多尔·拉比（Rabi）问道：“这是谁的命令？”物理学家们并没有忘掉他的无法置信。这种第二代和第三代粒子中的一些确实很重：顶夸克甚至让强悍的希格斯玻骰子也相形见绌。
但是，据我们所知，它们在所有其他方面都与它们的高手完全相同。事实上，它们在宇宙中虽然并没有饰演哪些积极的角色；我们只能说，它们让事情显得愈发复杂。
以六种不同的夸克为例，不仅我们熟悉的质子和中子之外，自然界还存在着150多种复合粒子。我们早已发觉了许多二夸克和三夸克的复合粒子，如今又发觉了四夸克和五夸克的复合粒子——所有这一切听上去可能只不过是集邮而已。但我们希望，形成这种复合粒子的风波发生率的微小变化就能解释为何自然界虽然更喜欢物质，而不是反物质。
物质本身是无比沉闷无趣的，是“力”让宇宙运转上去。并且，我们对力的现代理解并不像精典概念中的一坨东西对另一坨东西施加作用；相反，我们晓得有四种基本力，它们本身由不断被物质发射和吸收的粒子组成。
力怎样起作用？从根本上说，力是通过载力粒子的交换而起作用的
1）光子和电磁力
电子是日常化学学中的一种物质粒子，它与电磁力的载体——光子，合作。当两个电子互相敌视时，它们会向相反的方向反冲，其中一个电子发射光子，另一个电子吸收光子。
原子电子的排列赋于了材料颜色，而材料对光子的吸收和再发射则将其颜色传递给我们嘴巴的黄斑。光子还可以在物理反应中使电子的重新排列成为可能，由于光子可以输入能量或带走能量。有时，我们看见的光子是可见光，比如燃烧反应中形成的火焰。能量更低的光子构成了幅射波，而能量极高的光子则构成了同样看不见但却危险的紫外线、X射线和伽玛射线。
2）胶子和强核力
强核力将质子和中子内部的夸克维系在一起，它是由胶子传递的——不用猜也晓得它的名子是如何来的。
胶子通过夸克特有的一种被称为“色荷”（）的东西起作用，这是一种特殊的量子特点。在互相作用中，一个胶子可以改变一个夸克的色荷，但若果它改变了，另一个胶子也会改变相邻夸克的色荷，因而红色一直是它们的总体混和色。诸如，质子的三个夸克在某一时刻可能是蓝色、蓝色和红色；而在另一时刻，它们可能是红色、蓝色和绿色。没人说粒子化学学很简单。胶子有这么强悍的控制力，以至于夸克未曾被单独观测到。
这也意味着胶子蕴涵着巨大的能量，通过爱因斯坦的质能等效理论，能量转化为巨大的质量。事实上，原子的绝大部份质量不是来自夸克和电子，而是来自胶子。
3）W、Z玻骰子和弱核力
W玻骰子和Z玻骰子与光子和胶子不同，光子和胶子没有质量，以光速飞行；而W玻骰子和Z玻骰子速率很慢，甚至在与铁原子的对抗中也会处于下风。但是，与光子和胶子相比，W玻骰子和Z玻骰子对其他粒子的影响要微弱千亿倍。这是由于，在量子化学学中，质量并不等同于硬度，而是等同于范围，或则说是缺少范围：弱力的范围大于四十亿分之一毫米（10-15毫米）。
虽然这么，它们依然可以形成强悍的后果。在太阳上将氢聚弄成氦的过程中，氢的质子中的一个上夸克弄成了下夸克，将质子转弄成了中子：这是必要的一步，由于氦与氢不同，不仅须要中子，还须要质子。就这样，不起眼的W玻骰子让太阳继续发光，也让月球上的生命和你我成为可能。
4）希格斯玻骰子
质量不是一个简单的概念。我们倾向于把它等同于重量，但它实际上是引力吸引力的测度，虽然重量和质量这两个词常常被交替使用。质量的正确定义与惯性有关，惯性是指物体在遭到给定力时抵抗加速度的程度。单车有一定的惯性质量，而50辆物流火车的惯性质量更大。
希格斯场以理论家彼得·希格斯（PeterHiggs）的名子命名，希格斯场是赋于粒子惯性质量的缘由。希格斯场既不是物质力，在量子场中也是独一无二的，它在空间的所有点都具有有限的硬度，虽然在真空中，当没有足够的能量让它的粒子表现方式——希格斯玻骰子，出现时也是这么。物质粒子以及弱互相作用中的W玻骰子和Z玻色子，都在不同程度上被希格斯场有效地捕获，因而获得惯性质量。否则，它们将是无质量的，也不会联通、就像光子和胶子一样，以光速运动。
围绕着希格斯粒子还有许多问题：它能够与自身发生互相作用，进而获得自身的质量？是否只有一种希格斯玻骰子，还是存在更多的希格斯玻骰子，其实它们构成了暗物质，这些神秘的东西促使星体不会飞散？假如它的质量再大几倍，原子核都会丧失平衡，氢都会成为惟一稳定的元素，宇宙都会显得十分平静无奇。
更糟糕的是，按照理论估算，希格斯场并不一定处于它最脆弱的状态。在某一时刻，它可能滑入一个更稳定的配置，其硬度不是几倍，而是数十亿倍，顿时都会把我们这个有序的宇宙击溃。
这将是一个纯粹的随机风波，它基于一种被称为量子机械隧穿的现象，在这些现象中，粒子可以跨越一个貌似难以逾越的能量障碍。辛运的是物理知识，据预测，这样的风波每五戈尔（10^100）年左右就会发生一次。
已知的粒子大概有30种，这取决于怎样估算它们。但如今我们必须步入未知领域：这一领域包括这些被提出来、以解决我们仍未完全理解的问题的假想粒子丛，从万有引力和宇宙大爆燃，到神秘的暗物质和暗能量的存在。
1）引力子（）
引力本身并不是问题：它是第四种基本力，也是惟一一种家喻户晓的力。但它的力载体——引力子，一直是假想的。这一方面是由于没有人确信引力可以被量化，另一方面是由于，虽然引力可以被量化，它的量子粒子也很难被侦测到。
这是由于引力微弱得令人痛楚。月球形成的引力场强悍到足以让我们的四肢在大部分时间里都站在地面上，但即便是儿童，每次跳跃时也能顿时甩掉它的牵引。这个引力场必须十分强悍，能够显示出一个引力子。
有多强？这么，化学学家们早已构想过将一个具有土星质量的引力子侦测器。中子星的密度是出了名的大，因而，它可能是除黑子之外最大的引力源。她们预测，这个侦测器可以每10年记录一个引力子。
2）膨胀子（）
我们观测到的宇宙出奇地均匀。在最宏大的尺度上，一片天空看上去与另一片天空十分相像：星体和星体产生了一个连续的纹样，几乎如同它们在大爆燃的膨胀过程中均匀分布一样。但依据爱因斯坦的特殊相对论，这是不可能的，由于这须要信息的传播速率超过光速。
其实我们看见的宇宙只是一个原始超级宇宙的小点，一个这个小点在短暂的顿时膨胀得比通常的膨胀速率快得多。我们的宇宙如同被数字图象的一个象素炸开一样，饱含了一个同样平静无奇的空间。在这些看法中，这些宇宙膨胀是由一种被称为“膨胀子”的粒子驱动的。它具有与希格斯玻骰子相同的一些特点。
事实上，一些理论家觉得希格斯玻骰子可能就是“膨胀子”，虽然它在初期宇宙中的表现会十分不同。
138亿年前，所有的物质和能量都是在宇宙中产生的
3）第五元素（）
20世纪中叶之前流行的“稳态理论”认为空间本质上是不变的。所有观测结果都表明，宇宙以前发生过大爆燃，从那时起，空间仍然在膨胀。
许多化学学家觉得，初期曾有过一次非常快速的膨胀，被称为宇宙暴胀。如今，空间膨胀也许又在加速，虽然比初期宇宙膨胀的速率要慢得多，这都归功于一个神秘的实体——暗能量。
没有人晓得暗能量是哪些，化学学家们也在努力确切地找出它的行为方法，由于它的影响须要数十亿年的时间。虽然这么，还是有几个可能性：一是不仅已知的四种基本力之外，还有第五种力，或称“第五元素”。
相关粒子没有名子。我们所晓得的是，从必然性上讲，第五元素必须比万有引力更弱，所以我们很难看出怎样能侦测到其中一种粒子。
4）弱互相作用大质量粒子（WIMP）
人、行星、恒星......那些只是宇宙物质的一小部份。事实上，宇宙中的物质一定比我们所能见到的多起码五倍，否则星体就不会形成足够的引力来制止自己飞散。暗物质是看不见的，由于它不吸收也不反射光线。它与可见物质的互相作用一定很微弱、否则我们早就侦测到它了。
可见物质只占宇宙总能量的一小部份，其余的都是暗物质和暗能量
弱互相作用大质量粒子（WIMPs）虽然符合所有条件，常年以来，它们仍然是被看好的暗物质候选者，而且，虽然有如此多勾引性的暗示，它们却未曾被发觉过。
5）轴子
其实暗物质根本就不是由物质粒子组成的，而是力的载体。
按照这种标准，赌徒们最看好的是轴子。轴子以一种漂洗剂的品牌命名，最初是为了解决一个不同的问题：为何强力会以完全相同的形式影响夸克和反夸克，而基本理论却容许它们有不同的质量？
这个负离子场将在强力中强化平衡，如同天平上的一根脚趾。倘若粒子也能解决暗物质问题，那就更好了。
6）不育中微子（）
可以说，暗物质最简单的候选物质就是只会提高星体和其他小型结构引力的中微子。与已知的同类（电子、μ介子和头中微子）不同，不育中微子对弱斥力无动于衷，或则说“不育”。
它将通过引力互相作用，但是仅仅是引力，悄无声息却又坚定地使星体保持完整。这么，大量的不育中微子就很容易成为暗物质，其实能够解决其他一些问题。它们的磁场可能与已知的中微子的磁场混和，因而解释了为何这种中微子的质量很小，但却很微弱。
因为不育中微子会衰变形成比反物质更多的物质，它们可以解释为何我们的宇宙以物质为主。
7）暗光子
假如暗宇宙和我们的宇宙一样复杂呢？那些都没有证据，但我们还是企图去想，暗物质并不只是一些无用的球体。这将使暗物质粒子在一个封闭的群体中互相影响。
假如暗物质粒子存在，这么暗光子的后果将是十分迷人的，由于正常光子可以形成令人无法置信的多种现象。诸如，它可以把暗物质粒子结合到原子中，或则成为暗物理的基础。
起码有四种基本力，但为何是四种呢？有充分理由觉得基本力的差别只存在表现上。常年以来，电和磁被觉得是两种不同的力，直至化学学家麦克斯韦在19世纪60年代证明了电磁学。
之后，从1950年代开始，电磁力和弱斥力开始被视为一种现象，虽然只有在大爆燃后10亿分之1秒的自然界能量中能够结合在一起。估算表明，在更大的能量下、也就是更接近大爆燃的能量下，电弱力和强力的硬度是相同的。
因而，理论家们怀疑这两种力也可以结合成单一的力，用一种大统一理论来描述。这种理论大多形成所谓的“超粒子”（）。这么引力呢？第四种力在量子理论中很难被接受，由于它与时空紧密相连，而时空正是粒子举办活动的舞台。
事实上，化学学家们希望它们将成为单一的、统一的力的一个方面：一套描述宇宙万物行为的通用多项式。成功与否取决于能够将20世纪最伟大的两大化学理论：量子理论和爱因斯坦的万有引力理论重新统一上去。是时侯冒险步入最深的未知世界了。
包含万有引力的“万有理论”通常觉得，粒子是实体的外衣，而实体则是万有引力的内核。更基本、更令人吃惊的实体的外衣更基本、更令人吃惊的实体的外衣、比如弦或环。
1）X玻骰子和轻夸克
结合电磁力和弱力为我们预测希格斯玻骰子的存在提供了理论基础，这些转换必须通过新的载力粒子——即X玻骰子和轻夸克来实现。
2）超粒子（）
从粒子化学学的角度来看，物质和力的区别仅仅在于物质粒子占用空间，而力粒子不占用空间。但是，几六年来，化学学家们仍然在研究一种更深层次的“超对称”理论，它把物质和力看成是同一枚硬币的两面。该理论觉得，每位已知的物质粒子都有一个相应的、更重的力粒子，反之亦然。诸如，夸克的力伙伴是重“夸克”，而胶子的物质伙伴是重“胶子”，以这种推。
常年以来，超对称仍然被视为一种潜在的大统一理论。问题是，世界上最大的粒子粉碎机——位于日内瓦附近法国核子研究中心的小型强子对撞机，并没有发觉超对称的证据。
3）磁单极
每块吸铁石都有南北两个磁体。仔细想想，这也很奇怪。电极一般也是成对的：负极和正极，但是，通过把电子集中在一个地方或把它们带走，也有可能单独形成一个正极或负极。磁性与电有关，它们都受磁场的支配；这么，为何我们不能形成磁单极？
化学学家保罗·迪拉克是第一个是最早提出磁单极子可能存在的化学学家之一，几六年后，化学学家们才带着信念重新考量它们。假如我们要在单一的万物理论中涵盖所有的自然力，它们就必须存在；只不过，我们仍未找到它们。
4）弦
最知名的万物理论竞争者——弦理论，觉得自然界最基本的东西不是条状粒子，而是震动的弦。
所有那些弦都是由同一种物质构成的，但弦的震动模式决定了它表现为哪种粒子。如同琴弦可以表现出不同的声调一样，粒子弦可以“听”起来像夸克、电子、光子或当前标准模型中的任何其他粒子。它甚至可以像最无法飘忽的力载体——引力子，一样震动。问题在于，弦须要在11维空间中震动。
支持者说这并不像听上去这么天马行空，由于额外的维度可能在弦周围微微蜷曲，以至于我们难以侦测到。不过，弦理论在近来几年还是遭到了一些指责，由于它充当了超对称性及其诸多后代的“主理论”，而这种后代都没有被发觉。
5）圈量子引力论
另一种被称为圈量子引力的理论的出发点是，不能像对待其他三种力那样对待第四种力：从某种意义上说，它更为基本。
因而，这些理论纯粹注重于调和量子化学学与万有引力。时空本身具有类似原子的结构，具体来说，它觉得时空以有限的环型结构存在，这种环型结构紧紧连在一起，创造出一个新的现实舞台。
圈状量子引力还有很长的路要走，我们所晓得和描述的粒子化学学标准模型中的所有知识在作出可检验的预测方面，并不比弦理论好多少。
6）扭量理论
扭量理论可溯源到20世纪60年代，是万物理论中的“弱者”。它是诺贝尔奖得主罗杰·彭罗斯（Roger）的心血结晶，更不用说其他领域和粒子了，只是由因果链条构成的更深层次现实的假象。
尽管因果链本身永远不会被打破，但其中风波的表面位置和时间风波发生的位置和时间是可变的，因而，对它们的完整描述是笼统而扭曲的。
假如这听上去令人困扰，那你就大错特错了。扭量理论在概念上是这么困难，因而于连彭罗斯在接受专访时都避而不谈。不过，虽然几六年来它仍然不受欢迎，近些年来却经历了一次复兴：理论家们发觉了它与弦理论之间耐人寻味的联系。
量子热学以一些令人匪夷所思的说法而蜚声，例如猫既是死的又是活的，电子和质子以及亚原子世界的其他生物既是粒子又是波。这种说法令人困扰。不过，借助量子世界的现代理念，我们还是有办法构想出到底发生了哪些。
量子热学提出了亚原子实体（如电子和光子）同时具有波和粒子特点的观点。传统量子热学使用波函数（一种物理结构）来估算粒子可能互相作用的机率。但是，现代量子场论觉得，空间中饱含了每种已知亚原子粒子的场，粒子在这种场中可视化为局部震动。但是，当使用更现代的量子力学思想时，情况就显得愈发物理化了。描述粒子的现代理论的名称是“量子场论”。现代量子场论假定空间饱含了一系列场。每一种已知的亚原子粒子都有一个场。诸如，有电子场、光子场等等，甚至还有夸克场。
按照这一理论，电子不过是电子场中的一个波包。波包的涵义与传统量子热学中的波包含义相同：也就是说，假如对波函数（代表波包）进行平方，结果就是在该位置测量到电子的机率。
——毫无疑惑，现代数学学理论可能复杂地无法想像。
但是，一旦你接受了粒子只不过是几个互相作用场中的局部震动这一观点，你都会对量子世界的运行方法有一个相当确切的认识。对粒子的这种理解的真正精妙之处在于，它让我们对粒子怎样在量子水平上运作有了一个更为深刻的心理勾勒。
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